浪涌（超出正常工作电压的瞬间过电压）

简介

浪涌电流是指电源接通瞬间或是在电路出现异常情况下产生的远大于稳态电流的峰值电流或过载电流。

在电子设计中，浪涌主要指的是电源（只是主要指电源）刚开通的那一瞬息产生的强力脉冲，由于电路本身的线性有可能高于电源本身的脉冲；或者由于电源或电路中其它部分受到本身或外来尖脉冲干扰叫做浪涌。它很可能使电路在浪涌的一瞬间烧坏，如PN结电容击穿，电阻烧断等等. 而浪涌保护就是利用线性元器件对高频（浪涌）的敏感设计的保护电路，简单而常用的是并联大小电容和串联电感。

产生原因

供电系统浪涌的来源分为外部（雷电原因）和内部（电气设备启停和故障等）。

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，破坏力超强，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。

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。

表现

浪涌普遍的存在于配电系统中，也就是说浪涌无处不在。浪涌在配电系统主要表现有：

— 电压波动

— 在正常工作情况下，机器设备会自动停止或启动

— 用电设备中有空调、压缩机、电梯、泵或电机

— 电脑控制系统经常出现无理由复位

— 电机经常要更换或重绕

— 电气设备由于故障、复位或电压问题而缩短使用寿命

特点

浪涌产生的时间非常短，大概在微微秒级。浪涌出现时，电压电流的幅值超过正常值的两倍以上。由于输入滤波电容迅速充电，所以该峰值电流远远大于稳态输入电流。电源应该限制AC开关、整流桥、保险丝、EMI滤波器件能承受的浪涌水平。反复开关环路，AC输入电压不应损坏电源或者导致保险丝烧断。

危害

造成浪涌（瞬变脉冲）的原因包括闪电、接地不良、感性负载切换、市电故障排除以及 静电放电（ESD），其结果可能会造成数据丢失（或损坏）甚至设备的损毁。而其中以闪电破坏性最强。闪电击中以及触点开关产生的瞬间放电或电弧放电引起的电涌，从现象上看有：

 飞弧：在被损的部件上留下明显的电弧痕迹；

 电晕：在绝缘体表面上，有明显的电蚀痕迹，被蚀部位绝缘下降；

 控制电路的IC等元件损坏；

 一般电子设备、家用电器的整流元件、稳压元件损坏；

 接地故障成设备带电（单相接地）：造成设备相间短路（电机相间短路）。

浪涌的危害主要分成两种：灾难性的危害和积累性的危害。

灾难性危害：

电机通常的绝缘电压为正常工作电压的 2 倍加 1000V 左右，故 220V 电机的绝缘电压一般为 1500V。电涌不断地冲击电机的绝缘层，导致绝缘层被击穿。

积累性危害：

浪涌的存在：

电压波动

在正常工作情况下，机器设备会自动停止或启动

用电设备中有空调、压缩机、电梯、泵或电机，电脑控制系统经常出现无理由复位

电机经常要更换或重绕

电气设备由于故障、复位或电压问题而缩短使用寿命

浪涌对设备的影响：

破坏

电压击穿半导体器件

破坏元器件金属化表层

破坏印刷电路板印刷线路或接触点

破坏三端双可控硅元件/晶闸管……

干扰

锁死、晶闸管或三端双向可控硅元件失控

数据文件部分破坏

数据处理程序出错

接收、传输数据的错误和失败

原因不明的故障……

过早老化

零部件提前老化、电器寿命大大缩短

输出音质、画面质量下降

保护

浪涌保护器，也叫防雷器，是一种为各种电子设备、仪器仪表、通讯线路提供安全防护的电子装置。当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。

放电间隙

（又称保护间隙）：

它一般由暴露在空气中的两根相隔一定间隙的金属棒组成，其中一根金属棒与所需保护设备的电源相线L1或零线（N）相连，另一根金属棒与接地线（PE）相连接，当瞬时过电压袭来时，间隙被击穿，把一部分过电压的电荷引入大地，避免了被保护设备上的电压升高。这种放电间隙的两金属棒之间的距离可按需要调整，结构较简单，其缺点是灭弧性能差。改进型的放电间隙为角型间隙，它的灭弧功能较前者为好，它是靠回路的电动力F作用以及热气流的上升作用而使电弧熄灭的。

气体放电管

它是由相互离开的一对冷阴板封装在充有一定的惰性气体（Ar）的玻璃管或陶瓷管内组成的。为了提高放电管的触发概率，在放电管内还有助触发剂。这种充气放电管有二极型的，也有三极型的，

气体放电管的技术参数主要有：直流放电电压Udc；冲击放电电压Up（一般情况下Up≈（2～3）Udc；工频而授电流In；冲击而授电流Ip；绝缘电阻R（>109Ω）；极间电容（1-5PF）

气体放电管可在直流和交流条件下使用，其所选用的直流放电电压Udc分别如下：在直流条件下使用：Udc≥1.8U0（U0为线路正常工作的直流电压）

在交流条件下使用：U dc≥1.44Un（Un为线路正常工作的交流电压有效值）

压敏电阻

它是以ZnO为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻，当作用在其两端的电压达到一定数值后，电阻对电压十分敏感。它的工作原理相当于多个半导体P-N的串并联。压敏电阻的特点是非线性特性好（I=CUα中的非线性系数α），通流容量大（～2KA/cm），常态泄漏电流小（10～10A），残压低（取决于压敏电阻的工作电压和通流容量），对瞬时过电压响应时间快（～10s），无续流。

压敏电阻的技术参数主要有：压敏电压（即开关电压）UN，参考电压Ulma；残压Ures；残压比K（K=Ures/UN）；最大通流容量Imax；泄漏电流；响应时间。

压敏电阻的使用条件有：压敏电压：UN≥[（√2×1.2）/0.7]Uo（Uo为工频电源额定电压）

最小参考电压：Ulma≥（1.8～2）Uac （直流条件下使用）

Ulma≥（2.2～2.5）Uac（在交流条件下使用，Uac为交流工作电压）

压敏电阻的最大参考电压应由被保护电子设备的耐受电压来确定，应使压敏电阻的残压低于被保护电子设备的而损电压水平，即（Ulma）max≤Ub/K，上式中K为残压比，Ub为被保护设备的而损电压。

抑制二极管

抑制二极管具有箝位限压功能，它是工作在反向击穿区，由于它具有箝位电压低和动作响应快的优点，特别适合用作多级保护电路中的最末几级保护元件。抑制二极管在击穿区内的伏安特性可用下式表示：I=CUα，上式中α为非线性系数，对于齐纳二极管α=7～9，在雪崩二极管α=5～7.

抑制二极管的技术参数主要有：

⑴额定击穿电压，它是指在指定反向击穿电流（常为lma）下的击穿电压，至于齐纳二极管额定击穿电压一般在2.9V～4.7V范围内，而雪崩二极管的额定击穿电压常在5.6V～200V范围内。

⑵最大箝位电压：它是指管子在通过规定波形的大电流时，其两端出现的最高电压。

⑶脉冲功率：它是指在规定的电流波形（如10/1000μs）下，管子两端的最大箝位电压与管子中电流等值之积。

⑷反向变位电压：它是指管子在反向泄漏区，其两端所能施加的最大电压，在此电压下管子不应击穿。此反向变位电压应明显高于被保护电子系统的最高运行电压峰值，也即不能在系统正常运行时处于弱导通状态。

⑸最大泄漏电流：它是指在反向变位电压作用下，管子中流过的最大反向电流。

⑹响应时间：10s

扼流线圈

扼流线圈是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个尺寸相同，匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，形成一个四端器件，要对于共模信号呈现出大电感具有抑制作用，而对于差模信号呈现出很小的漏电感几乎不起作用。扼流线圈使用在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号（如雷电干扰），而对线路正常传输的差模信号无影响。

扼流线圈在制作时应满足以下要求：

1）绕制在线圈磁芯上的导线要相互绝缘，以保证在瞬时过电压作用下线圈的匝间不发生击穿短路。

2）当线圈流过瞬时大电流时，磁芯不要出现饱和。

3）线圈中的磁芯应与线圈绝缘，以防止在瞬时过电压作用下两者之间发生击穿。

4）线圈应尽可能绕制单层，这样做可减小线圈的寄生电容，增强线圈对瞬时过电压的耐受能力。

1/4波长短路器

1/4波长短路器是根据雷电波的频谱分析和天馈线的驻波理论所制作的微波信号电涌保护器，这种保护器中的金属短路棒长度是根据工作信号频率（如900MHZ或1800MHZ）的1/4波长的大小来确定的。此并联的短路棒长度对于该工作信号频率来说，其阻抗无穷大，相当于开路，不影响该信号的传输，但对于雷电波来说，由于雷电能量主要分布在n+KHZ以下，此短路棒对于雷电波阻抗很小，相当于短路，雷电能量级被泄放入地。

由于1/4波长短路棒的直径一般为几毫米，因此耐冲击电流性能好，可达到30KA（8/20μs）以上，而且残压很小，此残压主要是由短路棒的自身电感所引起的，其不足之处是工频带较窄，带宽约为2%～20%左右，另一个缺点是不能对天馈设施加直流偏置，使某些应用受到限制。

浪涌保护器（也称防雷器）的分级防护

由于雷击的能量是非常巨大的，需要通过分级泄放的方法，将雷击能量逐步泄放到大地。第一级防雷器可以对于直接雷击电流进行泄放，或者当电源传输线路遭受直接雷击时传导的巨大能量进行泄放，对于有可能发生直接雷击的地方，必须进行CLASS—I的防雷。第二级防雷器是针对前级防雷器的残余电压以及区内感应雷击的防护设备，对于前级发生较大雷击能量吸收时，仍有一部分对设备或第三级防雷器而言是相当巨大的能量会传导过来，需要第二级防雷器进一步吸收。同时，经过第一级防雷器的传输线路也会感应雷击电磁脉冲辐射LEMP，当线路足够长感应雷的能量就变得足够大，需要第二级防雷器进一步对雷击能量实施泄放。第三级防雷器是对LEMP和通过第二级防雷器的残余雷击能量进行保护。

第一级保护

目的是防止浪涌电压直接从LPZ0区传导进入LPZ1区，将数万至数十万伏的浪涌电压限制到2500—3000V。

入户电力变压器低压侧安装的电源防雷器作为第一级保护时应为三相电压开关型电源防雷器，其雷电通流量不应低于60KA。该级电源防雷器应是连接在用户供电系统入口进线各相和大地之间的大容量电源防雷器。一般要求该级电源防雷器具备每相100KA以上的最大冲击容量，要求的限制电压小于1500V，称之为CLASS I级电源防雷器。这些电磁防雷器是专为承受雷电和感应雷击的大电流以及吸引高能量浪涌而设计的，可将大量的浪涌电流分流到大地。它们仅提供限制电压（冲击电流流过电源防雷器时，线路上出现的最大电压称为限制电压）为中等级别的保护，因为CLASS I级保护器主要是对大浪涌电流进行吸收，仅靠它们是不能完全保护供电系统内部的敏感用电设备的。

第一级电源防雷器可防范10/350μs、100KA的雷电波，达到IEC规定的最高防护标准。其技术参考为：雷电通流量大于或等于100KA（10/350μs）；残压值不大于2.5KV；响应时间小于或等于100ns。

第二级防护

目的是进一步将通过第一级防雷器的残余浪涌电压的值限制到1500—2000V，对LPZ1—LPZ2实施等电位连接。

分配电柜线路输出的电源防雷器作为第二级保护时应为限压型电源防雷器，其雷电流容量不应低于20KA，应安装在向重要或敏感用电设备供电的分路配电处。这些电源防雷器对于通过了用户供电入口处浪涌放电器的剩余浪涌能量进行更完善的吸收，对于瞬态过电压具有较好的抑制作用。该处使用的电源防雷器要求的最大冲击容量为每相45kA以上，要求的限制电压应小于1200V，称之为CLASS Ⅱ级电源防雷器。一般用户供电系统做到第二级保护就可以达到用电设备运行的要求了

第二级电源防雷器采用C类保护器进行相—中、相—地以及中—地的全模式保护，主要技术参数为：雷电通流容量大于或等于40KA（8/20μs）；残压峰值不大于1000V；响应时间不大于25ns。

第三级保护

目的是最终保护设备的手段，将残余浪涌电压的值降低到1000V以内，使浪涌的能量不致损坏设备。

在电子信息设备交流电源进线端安装的电源防雷器作为第三级保护时应为串联式限压型电源防雷器，其雷电通流容量不应低于10KA。

最后的防线可在用电设备内部电源部分采用一个内置式的电源防雷器，以达到完全消除微小的瞬态过电压的目的。该处使用的电源防雷器要求的最大冲击容量为每相20KA或更低一些，要求的限制电压应小于1000V。对于一些特别重要或特别敏感的电子设备具备第三级保护是必要的，同时也可以保护用电设备免受系统内部产生的瞬态过电压影响。

对于微波通信设备、移动机站通信设备及雷达设备等使用的整流电源，宜视其工作电压的保护需要分别选用工作电压适配的直流电源防雷器作为末级保护。

第四级及以上保护

根据被保护设备的耐压等级，假如两级防雷就可以做到限制电压低于设备的耐压水平，就只需要做两级保护，假如设备的耐压水平较低，可能需要四级甚至更多级的保护。第四级保护其雷电通流容量不应低于5KA。

工作原理分

⒈开关型：其工作原理是当没有瞬时过电压时呈现为高阻抗，但一旦响应雷电瞬时过电压时，其阻抗就突变为低值，允许雷电流通过。用作此类装置时器件有：放电间隙、气体放电管、闸流晶体管等。

⒉限压型：其工作原理是当没有瞬时过电压时为高阻扰，但随电涌电流和电压的增加其阻抗会不断减小，其电流电压特性为强烈非线性。用作此类装置的器件有：氧化锌、压敏电阻、抑制二极管、雪崩二极管等。

⒊分流型或扼流型

分流型：与被保护的设备并联，对雷电脉冲呈现为低阻抗，而对正常工作频率呈现为高阻抗。

扼流型：与被保护的设备串联，对雷电脉冲呈现为高阻抗，而对正常的工作频率呈现为低阻抗。

用作此类装置的器件有：扼流线圈、高通滤波器、低通滤波器、1/4波长短路器等。

按用途分

⑴电源保护器：交流电源保护器、直流电源保护器、开关电源保护器等。

交流电源防雷模块适用于配电室、配电柜、开关柜、交直流配电屏等系统的电源保护；建筑物内有室外输入的配电箱、建筑物层配电箱；电源型浪涌保护器用于低压（220/380VAC）工业电网和民用电网；在电力系统中，主要用于自动化机房、变电站主控制室电源屏内三相电源输入或输出端。适用于各种直流电源系统，如：直流配电屏；直流供电设备；直流配电箱；电子信息系统柜；二次电源设备的输出端。

⑵信号保护器：低频信号保护器、高频信号保护器、天馈保护器等。

网络信号防雷器适用范围 用于10/100Mbps SWITCH、HUB、ROUTER等网络设备的雷击和雷电电磁脉冲造成的感应过电压保护； ·网络机房网络交换机防护； ·网络机房服务器防护； ·网络机房其它带网络接口设备防护； ·24口集成防雷箱主要应用于综合网络柜、分交换机柜内多信号通道的集中防护 信号类电涌保护器　 　视频信号防雷器适用范围主要用于视频信号设备点对点的协击保护，可保护各种视频传输设备免受来自信号传输线的感应雷击和电涌电压带来的危害，对相同工作电压下的RF传输同样适用。集成式多口视频防雷箱主要应用于综合控制柜内硬盘录像机、视频切割器等控制设备的集中防护。

知名电涌（浪涌）保护器品牌

市面上比较常见的避雷器有：公牛电器抗电涌插座，中国大陆雷科星LKX浪涌保护器，美国ECS浪涌保护器，法国Soule浪涌保护器，英国ESP furse浪涌保护器，德国OBO浪涌保护器，DEHN浪涌保护器，美国PANAMAX浪涌保护器，INNOVATⅣE浪涌保护器，美国POLYPHASER浪涌保护器。