交流电源线上的常见故障与保护解决方案

在我们所有应用领域中使用电子设备有助于提高人们对电能质量的认识。电子设备的广泛使用引发了能源效率问题，尤其是涉及整个电网的干扰问题，对设备和仪器设备产生了负面影响。新型工业4.0中涌现的智能技术需要不间断且无故障的供电。电能质量的扰动通常定义为电压，电流或频率的变化。这些干扰会干扰系统的正常运行，从而改变生产水平和整个活动。

交流电源线上的干扰可能会导致许多设备发生故障，包括数据传输错误或破坏整个网络的电源或工业系统。暂态、峰值、异常都是电线的典型干扰。在设计适用于工业应用的保护系统时，一定要考虑所有的重要因素。各种电压和电流值的保护解决方案在各种应用市场中代表着巨大的需求。

交流电源线故障

IEEE标准定义的电源干扰可以用瞬态，峰值或过压，失真和频率变化来表示。瞬态电压是由于电源、雷电、感应负载切换，静电放电等的变化而可能发生的暂时性电压波动。这些瞬态的影响范围可能十分轻微但也可能是灾难性的。

瞬态是功率干扰中最具破坏性的类型，分为两个子类别：脉冲性和振荡性。脉冲瞬变是高峰值事件，主要由于大气中发生的放电而在正或负方向上增加电压和（或）电流水平。涉及脉冲瞬变的两种最可行的保护方法涉及消除潜在的静电放电和使用瞬态电压抑制装置。另一方面，振荡瞬态是电压、电流或两者的状态条件的突然变化，该变化以系统的固有频率振荡。

峰值或过电压是指交流电压的升高，持续时间可能为0.5个周期至1分钟。峰值的常见起因是高阻抗中性线连接，突然的（高）负载降低以及三相系统上的单相故障。过电压代表导致电压尖峰的长期问题的影响。过电压可被视为延长的峰值。

变形以各种形式出现。谐波之一是基波正弦波在由基波倍数构成的频率上的变化。例如，三次谐波的频率为150 Hz；这是50 Hz时基本频率的三倍。第五谐波的频率为250 Hz。该标准要求总谐波失真THD（总谐波失真）不超过8％，并考虑到最高40次谐波的水平。间谐波是一种波形失真，通常是由电气设备（例如静态变频器，感应电动机和用于形成电弧的设备）引入电源电压中的信号引起的。

频率变化在电力系统网络中很少发生。在备用或电源基础设施不佳的情况下，在配备有专用发电机的站点中，频率变化更为常见，尤其是在发电机负载较高的情况下。50 Hz的欧洲频率必须在供应年的95％内保持在±1％的公差内，而在任何时候，都不得超过4％的增加或6％的减少。作为平均值，该标准假设在10s的间隔内测得。

解决方案

过压保护组件可分为两种基本类型：撬棒型设备和钳位组件，例如TVS，MOV二极管。夹式元件具有更快的响应时间，但其电流处理能力受到限制，因为必须通过元件夹持来消散瞬态能量。撬棒型组件可以承受很强的过电流，因为在其状态下，组件两端的电压非常低。实际上，它们充当某种短路，影响电流路径，从而将其从组件的主要部分移开。

图1：TO-218中的Pxxx0MEL系列。 Pxxx0MEL为50 / 60Hz AC单周期正弦波浪涌事件提供5000A 8/20 IPP（峰值脉冲电流额定值）和最小400A ITSM。

LittelfuseSIDACtor®晶闸管是Crowbar型的，并且经过优化，可以保护处于强烈过压瞬变中的环境中的设备。5 kA和3 kA Pxxx0FNL Pxxx0MEL系列具有几个优点。例如，钳位优于传统的无源MOV技术以保护AC线路可提供针对过电压的高电位保护。此外，降低的有效电压可确保长期事件期间的低热量积聚。这些撬棒半导体器件可以承受更多的过电压情况，满足最小的降级要求（图1和图2）。 Littelfuse Pxxx0FNL和Pxxx0MEL系列还可以与MOV串联，来激发由于较高钳位电压而损坏的电路提供低钳位保护（图3）。该电路布局为交流线路提供了过电流和过电压保护。

图2：具有串联过电流保护的P3800MEL撬棍解决方案。在经典的工作条件下，保护组件对电线是透明的。当感应电压峰值高于P3800MEL的Vdrm时，就会过渡到低电阻状态。保险丝可保护SIDACtor®。该配置为设计人员提供了一个用于SIDACtor®的增强型过电流保护的选项。

图3：SIDACtor®与Littelfuse MOV V20E130P（AC 130V）串联连接，其前装有保险丝。

MOV的晶体结构由无规取向的金属氧化物颗粒制成，这些颗粒表现出P-N结半导体的特性。在低电压下工作的电路中，压敏电阻中只有少量电流流动，这是由于通过结的反向色散引起的。当施加涉及整个系统保护条件的瞬态高压，或者超过压敏电阻的击穿电压时，结点会发生雪崩击穿，并且压敏电阻成为导体。压敏电阻不能提供防止连续电压升高的保护，即使电压幅度明显低于其设计的瞬态电压也是如此。此外，压敏电阻的确会出现磨损现象，在多次电涌作用下，压敏电阻开始老化。

TVS二极管的进步使该技术成为金属氧化物（MOV）压敏电阻的有效替代品，可保护AC和DC电源免受过压和间接雷击的影响。与交流和直流电源线应用中的MOV相比，这些设备不仅具有更高的可靠性和更长的使用寿命，而且还具有抗重复性过电压的优点，而且由于电缆的电感较低，因此使用表面贴装封装可提供更好的过电压响应。为了保护CAN-BUS线路免受ESD，EFT和其他电压瞬变造成的损害，Littelfuse创建了一系列TVS二极管阵列，用于符合AEC-Q101标准的工业自动化控制，可以安全地承受3A的峰值。低容量（典型值11.5 pF）可保持信号完整性并最大程度地减少数据丢失。有时ESD事件可能会轻微损坏设备，使其短时间运行。这被称为潜在缺陷，它很难被检测到并缩短了设备的寿命。许多电子设备容易受到低压ESD事件的影响。由于越来越快和更小尺寸的趋势，电子领域的ESD问题正日益增多。现代世界越来越多地由小型微处理器处理，这些微处理器对最小的电力波动也很敏感。这些微处理器出色地控制了快速的自动化机器人组装过程和无法承受停机时间的包装线系统。取决于应用市场的针对不同电压/电流水平的保护解决方案，对于设备的正确运行至关重要，因为它们能够限制或消除由电能质量扰动引起的问题。

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