瞬变电压的抑止和保护问题全面解析

中心议题：

• 瞬变电压的抑止和保护

解决方案：

• 浪涌保护设备
• 接地
• 瞬变电压的分层保护方法

瞬变电压浪涌是指所需的电压或信号发生暂时但通常幅度很大的变化。瞬变电压的变化幅度越大，用电设备受到干扰或破坏的可能性就越大。瞬变电压可以在任何导电材料中产生，因此它们不仅会影响与市电线路连接的设备，还会影响与电话线、以太网线、同轴电缆、串行通信电缆等连接的设备。本文全面介绍瞬变电压的抑止和保护问题。

浪涌保护设备

浪涌保护设备 (SPD) 可以削弱这些浪涌的幅度以保护设备免遭破坏。但是，SPD 没有必要将浪涌降低到零振幅。SPD 只是将瞬变电压降低到一个可以安全地传递到连接的电气负载的水平。这是因为在设备中电源的阈值可能发生变化，并且为保证所连接的设备能够连续运行而将电压削弱到零是不切实际的。因此，SPD 会将瞬变电压削弱到一个合理的水平，以符合保护设备的要求。一些更高端 SPD 还提供噪声过滤功能，以减少电源波形中由 EMI 引起的干扰，阻止其传递到所连接的设备。

简而言之，SPD 会阻止具有破坏性的瞬变电压浪涌电平到达所保护的设备。SPD 通过吸收过剩的电压、将其分流或者组合使用这两种手段，达到削弱浪涌电压的目的。图 1显示了飞向靶子的箭。靶子代表 SPD，而箭代表瞬变电压尖峰脉冲。当箭击中靶子时，它会被吸收并滞留在靶子中。然而，靶子的厚度将决定箭是否可以在没有穿到另一侧时停止。同样，在这种模式下，箭将不停地损坏靶子，将来靶子可能无法很好地阻止箭。现在，假设在靶子前面有一个金属盾牌。箭发出后，它会击中盾牌，无任何损害地弹飞到靶子的旁边。这就是大多数 SPD 的基本工作原理。SPD 吸收能量（并且根据它们的质地好坏，可以防止浪涌，但仍然会受到损坏），或者将电压分流到设备接地线中。在大多数情况下，SPD 会将吸收和分流瞬变电压浪涌的设备组合使用。

图1-吸收和反射瞬变电压

钳位是 SPD 用于限制瞬变电压的一项功能。钳位这一过程是由 SPD 内部组件将瞬变电压降低到所保护的相连用电设备可接受的较低电压电平。在经过 SPD 的瞬变电压浪涌削弱电路后，传递到相连用电设备的能量被称为“通过电压”。同样，对于大多数 SPD 来说，此过程都不会将瞬变电压降低到零伏，或者降低到连接的负载正常工作所需要的电平以下。过分地将瞬变电压削弱到所需电平以下会导致 SPD 本身承担不必要的负担。

金属氧化物变阻器（MOV — 压敏电阻）是 SPD 中最常使用的一个组件。MOV 是具有特殊半导体属性的非 线性电阻。在瞬变电压浪涌进入线路之前，MOV 将保持在非导电状态，允许电源正常通过。瞬变电压浪涌进入线路之后，MOV 开始导电，将过剩电压传到地。随着安培数的增加，钳位电压的值也会增加，这样保证传到设备的“通过电压”处于可接受的水平，直到瞬变电压浪涌平息为止。

MOV 通常与热敏保险丝结合使用，热敏保险丝位于电源线路和所保护的设备之间，在出现灾难性的瞬变电压浪涌时可以切断所连接设备的电源。如果瞬变电压非常大，持续时间很长，它可能会达到 MOV 的峰值工作电 压，此时 MOV 会处于完全导通状态。如果出现此故障，热量可能会导致热敏保险丝（通常靠近或连接到 MOV）断开电流，从而阻止向所保护的设备进一步供电。MOV 性能十分稳定，这也是在 SPD 中采用该部件 的原因。MOV 将始终允许通过相同的电压，在达到同一过剩电压水平时开始导通，这一特性将一直持续到自身的故障点。

SPD 不能解决所有的电源质量问题。它们无法解决由电力设备提供的AC 电源中的欠压（低电压）和过压（长期过电压）问题。它们同样无法降低由非线性负载（如计算机和荧光照明设施系统中的一些发动机和开关 式电源）产生的谐波问题。如果市电线路电压过低，可以使用 UPS 设备，临时使用电池供电，直到市电恢复为止。
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接地

接地是最大的电力环境问题之一，对于 SPD 尤为如此。 地是所有电源、信号或数据网络的必要元素。所有电压和信号电平都要以地为参考。大多数 SPD 还使用设备中的接地线，以分流瞬变电压产生的过剩电压。如果没有正确接地，这些 SPD 可能无法正常工作。

工厂设施中的接地连接只能连接到电力线路配电板上的单一连接点。这种与地面单点连接的方式可以避免由于疏忽而造成多个接地点。多个接地点会造成市电电压的差异，导致不希望的电流流向低压数据线。并对数据传输造成噪音干扰，虽然不会引起太大的损害，但也可能会形成瞬变电压浪涌，严重损坏设备传输线。图 2 显示了一个接地回路示例。每个设备独立接地（每个电源插座都参照不同的接地点）。如果设备通过某种形式的接地（也导电）数据线连接在一起，就会出现问题。在图2 中，计算机使用并行通信电缆连接到打印机。如果所使用设备接地点之间存在电势差（有电荷差异），那么电流可能会通过并行电缆从一个设备流到另一设备，以便中和电荷。这就是“接地回路”，会对设备造成严重损坏，因为设备在正常条件下只需很小的电力就 可以工作。虽然这个示例只显示了一处设施，但接地回路也可以在不同设施之间形成。

图2-接地回路

瞬变电压分层保护方法

使用 SPD 网络对瞬变电压进行分层防御是明智之举。第一层用于控制进入系统设施的高输入浪涌，如电线中 的瞬变电压。这可能是由于闪电引起的。然后，使用其他层控制内部电线和数据线中的瞬变电压。因为大多数瞬变电压浪涌都在建筑物内产生，所以了解和应用 SPD 对于改进任何工厂设施中的电源质量都是非常必要的。

这种分层保护方法是防止大多数瞬变电压问题的最有效手段。这种方式对于防止电线的瞬变电压问题非常重要，对于数据线也同样重要。对于输入数据线中的高瞬变电压，大多数大型设施都具有特定形式的首层防御措施。例如，很多家庭和工厂设施都使用陶瓷气体放电管或玻璃放电管 SPD（通常由电信公司提供）来帮助将 高容量浪涌降低到基本电话设备（如不需要辅助电源就可以工作的独立电话）的适宜水平。但是，这些第一层 SPD 允许通过的电压通常不能将电压削弱到安全级别，以避免损坏灵敏的用电设备，如计算机的 DSL 或拨号 调制解调器（或甚至是连接到这些调制解调器的计算机）等。对于连接到同轴电缆的其他灵敏用电设备，如音 频/视频设备或宽带电缆调制解调器设备等，效果也是一样。出于这个原因，应使用额外的 SPD 进一步削弱从第一层 SPD 传来的允许通过电压，保护单个设备。

通常只有在讨论电线干扰时才会提及瞬变电压浪涌。然而，由于有很大一部分瞬变电压是在系统设施内部的数 据线网络中产生的，因此有必要重视抑止数据线浪涌的需求。任何导线都是瞬变电压的潜在载体，在任何系统设施内都会存在许多可以产生感应耦合的因素。当今计算机运行所需的电力阈限越来越低，这意味着即使是非 常小的电力干扰，也要加以重视，以避免数据损失和损坏。通过首先降低外部和其他来源的高浪涌，然后在传到灵敏的用电设备之前进一步在内部削弱电力，分层保护方法可以理想地抑止浪涌。数据线浪涌抑制对于保护 灵敏设备免遭数据损坏非常必要，可以避免对低电压数据线造成破坏，还可以防止任何开放电路引入瞬变电压浪涌。