通信系統(tǒng)過電壓產(chǎn)生的原因與防護(hù)

又因uA=L0vta

由此可得

在架空傳輸線路中若假定為無損導(dǎo)線，則可認(rèn)為，雷電沖擊波（行波）在無損導(dǎo)線中的行進(jìn)速度與電磁波的傳播速度相同（即光速）。如果導(dǎo)線與地之間充填其它介質(zhì)，例如用絕緣紙、塑料或其它介質(zhì)充填的電纜等，則雷電沖擊波在導(dǎo)線上的傳播速度將降低。另外，實(shí)際的導(dǎo)線總有分布電阻和對(duì)地電容，當(dāng)發(fā)生過電壓時(shí)還會(huì)產(chǎn)生電暈而造成能量損耗，所以行波在傳播過程中必然會(huì)逐漸衰減和變形，波幅值和波陡度會(huì)逐漸減小。

由此，在架空線路的終端串接大電感或并聯(lián)電容器，可以拉平?jīng)_擊波的波頭，對(duì)防雷是有利的，但不解決根本問題。關(guān)鍵是降低沖擊波的幅值，把它抑制到規(guī)定的數(shù)值以下。

(2)感應(yīng)過電壓的防護(hù)

過電壓產(chǎn)生的同時(shí)往往伴隨著過電流的產(chǎn)生，因此在實(shí)施保護(hù)時(shí)要從限制過電壓和限制過電流兩方面考慮：即電壓限制和電流限制。

①電壓限制:從原理上講是應(yīng)用“非線性效應(yīng)”，使得在正常工作時(shí)在帶電導(dǎo)體和一個(gè)補(bǔ)償導(dǎo)體（通常是地）之間有一條開路的電路。保護(hù)元件起作用后，電荷散逸使得電壓衰減。在這個(gè)過程中可能短暫地產(chǎn)生強(qiáng)電流，電壓限制元件的放電能力必須調(diào)整到要釋放電流的值。

常見的幾種電壓限制元件及其工作特性如下：

S過電壓放電器/氣體放電管：過電壓放電器/氣體放電管是具有一定氣密的玻璃或陶瓷外殼，中間充滿穩(wěn)定的氣體，如氖或氬，并保持一定壓力。電極表面涂以發(fā)射劑以減少電子發(fā)射能。這些措施使得動(dòng)作電壓可以調(diào)整(一般是70伏到幾千伏)，而且可保持在一個(gè)確定的誤差范圍內(nèi)。

當(dāng)電壓升高至放電電壓Ua之前，GDT（氣體放電管）是一個(gè)絕緣體（電阻Riso>100MΩ）。當(dāng)電壓升高到大于放電電壓后，過電流大部分泄入大地，產(chǎn)生電弧放電，電壓會(huì)降低到幾乎與電流大小無關(guān)的電弧電壓（10V～25V）。當(dāng)電流下降到低于低限值時(shí)，放電器會(huì)熄滅電弧并恢復(fù)其原來的高電阻狀態(tài)。GDT通常是安裝在承受運(yùn)行電壓的線路支線上，因此就有放電器不能熄弧的風(fēng)險(xiǎn)。所以對(duì)熄弧性能有一定的要求。GDT的能量吸收能力與其它電壓限制裝置相比是非常高的。放電特性也受電壓上升速度的影響。

這種裝置的兩電極和三電極型應(yīng)用于電訊工業(yè)中。三電極型專門為成對(duì)線路設(shè)計(jì)，可以理解為帶一個(gè)公共電弧室的兩個(gè)組合電極的放電器。這種設(shè)計(jì)可確保在兩個(gè)室中同時(shí)產(chǎn)生電弧，因而當(dāng)兩條線中同時(shí)發(fā)生干擾時(shí)，可以獲得最優(yōu)的共模干擾抑制。

S變阻器/VDR：變阻器是陶瓷元件，其應(yīng)用越來越廣。例如，將氧化鋅（與其它添加劑一起）在一定條件下燒結(jié)，電阻就會(huì)受電壓的強(qiáng)烈影響。這個(gè)特性也是其名字（電壓變阻器）的由來。電壓變阻器（VDR）也叫變阻器。電流（I）隨著電壓（U）的上升而急劇上升。正式的關(guān)系由公式I=aKU表達(dá)，其中K是與幾何形狀有關(guān)的元件常數(shù)，a是一個(gè)非線性指數(shù)。

變阻器的典型特性是當(dāng)處于工作電壓時(shí)，壓敏電阻值極大；在雷電波侵入作用下，它的電阻值甚小，向大地泄放電流。由于電流過大，因此變阻器內(nèi)部發(fā)熱量很大。變阻器在遠(yuǎn)高于其額定電壓的情形下運(yùn)行一般只可能保持很短的一段時(shí)間。

S齊納二極管：雙向齊納二極管具有與變阻器類似的導(dǎo)電特性，對(duì)正向和反向電流在電流/電壓特性上有一個(gè)拐點(diǎn)。非線性指數(shù)比變阻器要高，使二極管的“開通”更為急劇，因而可以有效地規(guī)定限制電壓。

其結(jié)構(gòu)是兩個(gè)二極管反向串聯(lián)，可獲得對(duì)稱性。運(yùn)作于“反向”方式下的二極管PN結(jié)阻擋層一般可阻止電流經(jīng)過。當(dāng)電場強(qiáng)度超過一定水平時(shí)，電子就會(huì)脫離其晶格束縛（即齊納效應(yīng)），而已經(jīng)大大加速的帶電粒子會(huì)從晶格中推出更多的粒子（即雪崩效應(yīng)）。結(jié)果就是阻擋層的“突破”并產(chǎn)生電流。這個(gè)“突破”電壓稱為齊納電壓Uz，電壓穩(wěn)定效應(yīng)則是由于當(dāng)電壓大于Uz時(shí)，很大的電流變化只產(chǎn)生很小的電壓變化。齊納二極管的穩(wěn)壓效應(yīng)比變阻器要好。

齊納二極管的能量吸收比變阻器小，因?yàn)槠渥钃鯇颖茸冏杵鲗右〉枚?。因此齊納二極管的負(fù)荷承受能力要低得多，由此所出現(xiàn)的過熱情況可以部分地用壓制成形的金屬電極補(bǔ)償，電極可以散掉熱量，但也增加了體積。抑制二極管是一種特別的保護(hù)二極管，具有很短的反應(yīng)時(shí)間及很高的尖峰電流負(fù)荷承受能力。

S閘流二極管：由于放電電流中伴有很大的電壓降，變阻器和二極管必須吸收大量的能量。在保護(hù)設(shè)備起作用之后，容許把故障電壓降低到遠(yuǎn)低于保護(hù)電平的值，甚至低于運(yùn)行電壓，以便減少能量的轉(zhuǎn)換。這種特性類似于放電器的“火花放電”。

在半導(dǎo)體元件中，上述特性可以在閘流二極管中觀察到。閘流二極管開始會(huì)阻塞，直到達(dá)到放電電壓時(shí)，電壓下降至幾伏并產(chǎn)生放電電流。當(dāng)電流下降到最小值時(shí)，閘流二極管會(huì)重新阻塞，并恢復(fù)其原來的斷路狀態(tài)。與GDT一樣，在這種情況下，必須滿足干擾清除后會(huì)安全停止放電的要求。閘流二極管有單向和雙向元件。其特點(diǎn)是高尖峰電流和短反應(yīng)時(shí)間，因而特別適用于較高的保護(hù)電平（幾十伏到幾百伏）。

設(shè)計(jì)相同的齊納和閘流二極管其限制電壓與容許放電電流的關(guān)系取決于半導(dǎo)體。這些二極管的結(jié)構(gòu)和尺寸決定了能吸收的功率大小。隨著限制電壓的提高，齊納二極管的容許電流呈雙曲線下降，然而閘流二極管的容許電流幾乎是恒定的。其原因是，在閘流二極管放電以后，電壓降幾乎與電流大小無關(guān)。由此可見，在結(jié)構(gòu)體積相同的情況下，齊納二極管較適用于低的限制電壓，而閘流二極管則適用于高的限制電壓，其分界點(diǎn)是50V左右。

S熱敏電阻：以上所討論的元件其功能都是基于純電壓效應(yīng)。熱敏電阻在溫度升高時(shí)電阻會(huì)減少。與任何電阻一樣，電流所產(chǎn)生的電能損耗會(huì)使熱敏電阻升溫。升溫使電阻下降，電流升高。結(jié)果就形成了與穩(wěn)壓元件相似的電流/電壓關(guān)系。但是只有在反應(yīng)時(shí)間之后，這種效應(yīng)才會(huì)發(fā)生。所以保護(hù)作用受到元件熱慣性的影響。

②限流元件的電流限制特性有兩個(gè)功能：第一、當(dāng)超過電流限值時(shí)，無條件地切斷電路或者加以限制；第二、去耦與/或抑制短暫電壓/電流尖峰（大部分情況下與電壓限制元件一起使用）。

S電阻：電阻是去耦的最簡單方式，一般沒有斷路的功能。電壓尖峰所產(chǎn)生的短暫電流尖峰會(huì)在電阻上產(chǎn)生相應(yīng)的壓降，因而減少了干擾的影響。去耦元件常常與電壓限制元件一起用于電路中而作為串聯(lián)的電阻器。

在應(yīng)用中最大允許串聯(lián)電阻常常受到很大的限制（限制為幾歐）。一方面，要求在工作電流下的電壓降低；另一方面，要求在工作電流下保護(hù)電阻器不會(huì)過載，由于去耦效應(yīng)與電阻值成比例，所以使用電感器應(yīng)該有所幫助。

S保險(xiǎn)絲：保險(xiǎn)絲是傳統(tǒng)的電流限制元件，是由導(dǎo)電熔絲構(gòu)成，置于線路中受保護(hù)元件的前邊。熔絲具有一定的電阻，熔絲的溫度在一定電流下會(huì)上升（溫度取決于熱容量、輻射和散熱），直到熔絲熔化，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

S電感：電感（線圈）可對(duì)短暫尖峰具有很高的去耦效應(yīng)，而同時(shí)保持很低的直流電阻。但也有一個(gè)缺點(diǎn)：其阻抗隨頻率而變，因而嚴(yán)重?fù)p害保護(hù)元件的傳輸性能。

SPTC（正溫度系數(shù)）電阻器：通常是陶瓷元件，在正常溫度下呈現(xiàn)歐姆特性，因此像電阻器一樣是去耦元件。溫度升高時(shí)，初始電阻基本保持不變。當(dāng)超過一個(gè)特定的溫度后，電阻急劇上升（上升104倍～106倍），當(dāng)溫度再升高時(shí)，電阻的上升又變平緩。溫度上升可能由于外部加熱也可以由電流產(chǎn)生的內(nèi)部加熱。在內(nèi)部加熱方面，PTC電阻器與保險(xiǎn)絲相似，不同的是當(dāng)故障清除以后，PTC電阻器能自動(dòng)地接通線路。因此，這種元件可以提供過電流保護(hù)而不需要太多的維護(hù)。

4結(jié)語

以上僅就過電壓的產(chǎn)生和保護(hù)在原理上進(jìn)行了分析，在實(shí)際工作中過電壓的防護(hù)是一項(xiàng)重要的工作。防護(hù)措施的好壞直接影響設(shè)備的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益以及人身安全。根據(jù)不同的設(shè)備要采取不同的防護(hù)措施，對(duì)重要的設(shè)備要采取多項(xiàng)措施和多級(jí)保護(hù)，以確保防護(hù)措施的可靠性及安全性，盡量將過電壓產(chǎn)生的危害降低到最小。