什么是浪涌电压_浪涌电压的种类及保护器件的选型_浪涌电压的危害

　　浪涌（Electrical surge），顾名思义就是瞬间出现超出稳定值的峰值，它包括浪涌电压和浪涌电流。浪涌也叫突波，顾名思义就是超出正常工作电压的瞬间过电压。本质上讲，浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。可能引起浪涌的原因有：重型设备、短路、电源切换或大型发动机。而含有浪涌阻绝装置的产品可以有效地吸收突发的巨大能量，以保护连接设备免于受损。

　　浪涌电压产生的原因

　　外部原因

　　雷电电涌过电压雷击引起的电涌危害最大，在雷击放电时，以雷击为中心1.5~2KM范围内，都可能产生危险的过电压。雷击引起（外部）电涌的特点是单相脉冲型，能量巨大。外部电涌的电压在几微秒内可从几百伏快速升高至20000V，可以传输相当长的距离。按ANSI/IEEE C62.41-1991说明，瞬间电涌可高达20000V，瞬间电流可达10000A。根据统计，系统外的电涌主要来自于雷电和其它系统的冲击，大约占 20%。（1）感应雷击电涌过电压：雷击闪电产生的高速变化的电磁场，闪电辐射的电场作用于导体，感应很高的过电压，这类过电压具有很陡的前沿并快速衰减。（2）直接雷击电涌过电压：直接落雷在电网上，由于瞬间能量巨大，破坏力极强，还没有一种设备能对直接落雷进行保护。（3）雷击传导电涌过电压：由远处的架空线传导而来，由于接于电力网的设备对过电压有不同的抑制能力，因此传导过电压能量随线路的延长而减弱。（4）振荡电涌过电压：动力线等效一个电感，并于大地及临近金属物体间存在分布电容，构成并联谐振回路，在TT、TN供电系统，当出现单相接地故障的瞬间，由于高频率的成分出现谐振，在线路上产生很高过电压，主要损坏二次仪表。直接雷击是最严重的事件，尤其是如果雷击击中靠近用户进线口架空输电线。在发生这些事件 时，架空输电线电压将上升到几十万伏特，通常引起绝缘闪络。雷电电流在电力线上传输的距离为一公里或更远，在雷击点附近的峰值电流可达100kA或以上。在用户进线口处低压线路的电流每相可达到5kA到10kA。在雷电活动频繁的区域，电力设施每年可能有好几次遭受雷电直击事件引起严重雷电电流。而对于采 用地下电力电缆供电或在雷电活动不频繁的地区，上述事件是很少发生的。间接雷击和内部浪涌发生的概率较高，绝大部分的用电设备损坏与其有关。所以电源防浪涌的重点是对这部分浪涌能量的吸收和抑制。［2］

　　内部原因

　　操作电涌过电压内部浪涌发生的原因同供电系统内部的设备启停和供电网络运行的故障有关：在电力系统内部，由于断路器的操作、负荷的投入和切除或系统故障等系统内部的状态变化，而使系统参数发生变化，从而引起的电力内部电磁能量转换或传输过渡过程，将在系统内部出现过电压。系统内的电涌主要来自于系统内部用电负荷的冲击，大约占 80%。在电力系统引起的内部过电压的原因大致可分为：（1）电力大负荷的投入和切除；（2）感性负荷的投入和切除；（3）功率因素补偿电容器的投入和切除（4）短路故障供电系统内部由于大功率设备的启停、线路故障、投切动作和变频设备的运行等原因，都会带来内部浪涌，给用电设备带来不利影响。特别是计算机、通讯等微电子设备带来致命的冲击。即便是没有造成永久的设备损坏，但系统运行的异常和停顿都会带来很严重的后果。比如核电站、医疗系统、大型工厂自动化系统、证券交易系统、电信局用交换机、网络枢纽等。

　　浪涌电压的种类及保护器件的选型

　　1、雷电过电压与操作过电压

　　（1）雷电是自然界发生的极为强烈的电磁暂态过程。主要通过两个个渠道对电力自动化设备产生影响。一是雷电直接击中变电站或调度中心的避雷针、避雷线，产生的瞬变电磁场对周围空间范围的电子设备的电磁作用，对封闭的金属回路产生压电流，对开口的金属回路产生感应电动势。由于雷电电磁脉冲的作用十分强烈，感生的电压可能很高。经地线泄放入地的雷电流引起地网电压升高，在接地系统中各接地点间产生很大的电压差，它们都可能对自动化设备造成干扰，轻则影响正常运行，严重的则会引起设备损坏。二是雷电在线路上空的雷云之间放电，或对线路附近的大地放电，都会使线路因电磁感应产生雷电冲击波或浪涌电压，这种冲击波会沿着线路入侵到与之相连拉电力自动化设备，造成工作错误或设备损坏。若雷电直接击中线路时，产生的浪涌电压更为强烈，危害更大。

　　（2）电力系统操作过电压是指电力系统中的故障和操作导致暂态振荡而产生的过渡过程过电压。操作方式和故障形式的多样性决定了操作过电压的不同类别，主要有：中性点不接地系统中的弧光接地过电压，空载线路的合闸过电压，空载线路、空载母线和电容器分闸时的开断电容负载过电压，空载变压器、电抗器和电动机分闸时的开断电感负载过电压等等。

　　2、差模干扰和共模干扰

　　根据浪涌电压对设备干扰的作用方式不同，可分为差模干扰和共模干扰。

　　（1）差模干扰是出现于回路（如信号线或电源线的两条线）中与正常信号电压相串联的干扰。差模干扰Edm出现在电路往返引线L1、L2之间，它与有用信号（源电动势）Es相串联，在受端设备Z上叠加一干扰分量。在电力自动化系统中，这种叠加在有用信号上的干扰分量可引起测量误差或控制误动等不良好后果。

　　（2）共模干扰是出现于回路与规定参考点（通常是地或机壳）之间的电磁干扰。Ecm使整个电路对参考点的电位一起升高，共模干扰Ecm在电路中不直接形成与有用信号Es相串联的干扰电压，但较强的共模干扰有可能使电路对地绝缘承受较高的电压而导致闪络或击穿，造成“反击”事故。另外，由于往返引线阻抗不对称，共模干扰可全部或部分转化为差模干扰，需加以防范。

　　不管是差模干扰还是共模干扰，只要它们的干扰强度足够大，不仅会影响设备的正常运行，严重时更会直接损坏设备。由于它们对设备的作用方式不同，抗干扰的措施出有所不同。

　　3、浪涌电压保护机理

　　浪涌电压保护的基本要求是：在电路没有干扰时，不影响设备的正常运行；工作电路中一旦有浪电压侵入时，将浪涌电压抑制在设备可接受的阈值范围内，保证设备有受到浪涌干扰时的正常运行，并且防止电路元器件和系统的损坏。从电路联接关系的角度来看，保护的方式有两种，一是将设备从受干扰的工作电路中断开，二是给浪涌电压提供泄放通道，最终使浪涌电压不作用到被保护的设备上。由于保护器件在系统正常工作和浪涌干扰时所表现出的电气性能完全不同，保护器件的伏安特性必须具有强烈的非线性特征。而对于一般的元器件，其电阻基本不随运行工况的改变而变化，其伏安特性表现出良好的线性特征。

　　有一类元件，当其两端电压差在正常范围内时，电阻很大，几乎没有电流通过；一旦元件两端电压差增大到一定的门槛值时，电阻迅速减少，几乎为零。利用这类元件可以做成并联型浪涌保护器，从而保护了设备。实际上，浪涌侵入时保护器不可能完全呈短路状态，两端电压也不可能达到零，只能达到一个较小的值，称作箝位电压，只要这个箝位电压小于被保护设备的安全电压，就能有效地保护设备。

　　另外有一类元件则具有相反的非线性特征，在正常工作电压下，电阻几乎完全为零，当控制电压（信号电压或电源电压）达到一定的门槛值时，元件马上呈现出很大的电阻值，利用这类元件可以做成串联型浪涌保护器。由于其呈现出高阻态，电路相当于断开，使被保护设备免遭浪涌电压的侵入。

　　目前用于浪涌保护的器件有四种：

　　（1）二极管瞬变电压抑制器（TVS），电流调节能力强，工作电压和箝位电低，响应速度快，用于保护400V以下的低压电路，能承受50~500A的浪涌电流，有串联型和并联型两种，是电路板保护和理想器件。

　　（2）金属氧化物变阻器（压敏电阻）， 响应速度比TVS管慢，但通流量大于TVS管，可保护电压低于20 kV的设备，常用于电源保护回路。

　　（3）气体放电管或放电火花间隙，是一个充有惰性气体的密封式火花间隙，当两端出现超过其保护电压的干扰时，一小段延时后间隙被击穿变为低阻抗，通流量大（》20Ka），保护电压可达10kV，适合信号保护回路使用。

　　（4）固体放电管，是基于晶闸管原理和结构的一种二端负阻器件，响应速度快，无限重复，功耗小，起动电压为5~500V，瞬间冲击电流可达50~3000A，适用于保护电子元器件。

　　这四类器件的性能各有优缺点，通过配合使用才能达到最佳效果。

　　浪涌电压的危害

　　浪涌电压是电网上突发的瞬间电压变化，时间很短，一般在几十微秒，幅度可以达到数千伏。浪涌电压是现代电网上最常见的电能质量问题之一，对现代化的自动控制设备和信息设备造成了严重的威胁。IBM公司研究了各种危害信息设备的因素，结果如图1所示。

　　

　　根据IBM公司的调查，数据系统的故障原因中，45.3%是由于电能质量导致的，而其中浪涌电压占到90%。因此，对于电子信息系统合自动控制系统，解决了浪涌电压防护的问题，数据系统的可靠性就会大大提高。

　　浪涌电压的产生原因有两个，一个是雷电，另一个是电网上的大型负荷接通或断开（包括补偿电容的投切）时产生的。其中，后者占到浪涌现象的80%以上，图2是在某个工厂监测到的电压波形，可见浪涌电压出现的频度很高。

　　

　　过去，人们对浪涌电压的危害局限在雷电导致绝缘损坏的范围内，对于浪涌导致的系统误动作几乎没有概念。因为这种短暂的变化对传统的电力负荷几乎没有任何影响。唯一的不良影响是，可能对负荷的电气绝缘造成损伤。

　　现在，人们越来越关注浪涌电压对制造系统、信息系统造成的影响。这主要是因为，现代工业的核心是自动化，自动化依靠计算机（常用就是plc，这是一种通用的工业计算机）来控制。计算机对于浪涌电压十分敏感。浪涌电压是导致计算机误动作、数据丢失的主要原因。

　　浪涌电压也会导致计算机软损伤，软损伤就是计算机受到浪涌电压作用后，可靠性降低，寿命缩短。浪涌电压导致现代化制造系统出现的故障主要包括：

　　·存储器内数据丢失

　　·I/O接口电路复位，导致控制过程中断

　　·线路板上的器件损坏

　　·预置的校准值漂移

　　·程序跑飞、系统死锁

　　·变频器、直流电机驱动器等的输入整流模块故障

　　·控制器发出错误指令，导致系统误动作

　　浪涌电压之所以会造成控制设备、信息设备的误动作甚至损坏，主要因为浪涌电压会导致直流母线电压升高。以变频器为例，图3（a）所示的是母线上的无功补偿电容投切时产生的浪涌电压，图3（b）所示的是变频器直流母线上出现的浪涌电压，变频器母线上的电压变化，电压超过了过压报警线，变频器会进入过压保护状态。

　　

　　类似于电容投切浪涌这种内部电网上产生的浪涌电压虽然十分频繁，但是幅度较小，最大的危害是导致设备误动作，很少导致设备损坏。但是雷电导致的浪涌电压，如图3（c）所示，其幅度很高，可能会导致电子设备的硬件损坏。

　　浪涌防护是现代制造系统、信息系统中必须考虑的问题。

　　需要注意的是，浪涌保护的标准也发生了巨大的变化。传统的浪涌保护措施，只要保护电气设备的绝缘不被浪涌电压损坏即可。而现代浪涌保护措施，要确保控制系统、信息系统在浪涌电压的条件下，不会出现误动作。最近，发生在高铁上的重大事故，据说是因为天气恶劣，导致信号系统出现误动作。这有可能是雷电导致的浪涌电压使信号系统出现误动作。因此，在进行现代化的自动系统集成时，必须充分考虑浪涌电压的防护。

　　能够对自动控制系统和信息系统提供可靠浪涌保护的设备叫做“正弦波跟踪浪涌保护器”。使用这种设备，不仅能够保护电气设备的绝缘不被损坏，还能够保证控制设备、信息设备的可靠工作。事实证明，在浪涌保护方面的投资会通过减少设备损坏、降低维护成本、延长系统正常工作时间等途径很快收回。从维护系统的安全可靠运行的角度，安装浪涌保护器是十分必要的。