第五章避雷器保護第一節(jié)概述雷云對地放電時，強大的雷電流產(chǎn)生的高溫，能夠使金屬熔化，樹木、草堆引燃；當雷電擊中輸電線路、電源線時，引發(fā)停電事故；對現(xiàn)代建筑物內(nèi)部的電子設備而言，最常見的雷電危害不是由于直接雷擊引起的，而是由于雷擊發(fā)生時在電源和通訊線路中感應的電流浪涌引起的。一方面由于電子設備內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度集成化，設備耐壓、耐過電流的水平下降，對包括雷電感應和操作過電壓浪涌的承受能力下降，另一方面由于傳輸信號的路徑增多，系統(tǒng)較以前更容易。浪涌電壓可以以傳播和感應的形式竄入電子設備，遭受雷電波侵入。為了維護是電力、電氣和電子設備的安全可靠運行，需要在電力系統(tǒng)和電子信息系統(tǒng)中采取防雷保護措施，以抑制雷電過電壓，這些措施主要包括在電力系統(tǒng)中設置避雷器和在電子信息系統(tǒng)中設置電涌保護器件。在電力系統(tǒng)、雷擊輸電線路中使用的避雷器：

①保護間隙；②排氣式避雷器；③閥型避雷器；④氧化鋅避雷器。在電子信息系統(tǒng)中使用的電涌保護器件：

①氣體放電管；②壓敏電阻；③雪崩二極管；④擬制晶閘管等。

第二節(jié)避雷器的保護原理和性能原理：避雷器設置在與被保護設備對地并聯(lián)的位置，如圖7-1所示，各種避雷器均有一個共同的特性，即在高電壓作用下呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，而在低電壓作用下呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。在發(fā)生雷擊時，當雷電波過電壓沿線路傳輸?shù)奖芾灼靼惭b點后，由于這時作用于避雷器上的電壓很高，避雷器將動作，并呈低阻狀態(tài)，從而限制過電壓，同時將過電壓引起的大電流泄放入地，使與之并聯(lián)的設備免遭過電壓的損害。在雷電侵入波消失后，線路又恢復了正常傳輸?shù)墓ゎl電壓，這一工頻電壓相對雷電侵入波過電壓來說是低的，于是避雷器將轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，接近于開路，此時避雷器的存在將不會對線路上正常工頻電壓的傳輸產(chǎn)生響應。避雷器設備線路被保護設備雷電侵入波圖7-1避雷器的設置要求：

①有良好的伏秒特性，以易于實現(xiàn)合理的絕緣配合。②應有較強的絕緣強度自恢復能力，以利于快速切斷工頻續(xù)流，使電力系統(tǒng)得以繼續(xù)運行。電氣設備的沖擊絕緣強度都由伏秒特性（曲線）表示。避雷器與被保護電氣設備的伏秒特性之間應有合理的配合，才能發(fā)揮保護作用。

1—電氣設備的伏秒特性；2—避雷器的伏秒特性；3—電器設備上可能出現(xiàn)的最高工頻電壓圖7-2避雷器與電氣設備的伏秒特性配合

在雷電過電壓作用下，避雷器開始動作導通后，就形成了相導線對地的近似短路。由于雷電過電壓持續(xù)時間很短，當避雷器兩端的過電壓消失后，系統(tǒng)正常運行電壓又繼續(xù)作用在避雷器兩端，在這一正常運行電壓作用下，處于導通狀態(tài)的避雷器中繼續(xù)流過工頻接地電流，該電流稱為工頻續(xù)流。工頻續(xù)流的存在一方面使相導線對地的短路狀態(tài)繼續(xù)維持，系統(tǒng)無法恢復正常運行，另一方面也會使避雷器自身受到損壞。為此，避雷器應具備較強的絕緣強度自恢復能力，應能在雷電過電壓消失后工頻續(xù)流的第一次過零時自行切斷工頻續(xù)流，恢復系統(tǒng)的正常運行。

對電涌保護器件性能的基本要求雷電暫態(tài)電涌侵入電子設備的主要渠道是電子設備的電源線和信號線，在這兩種線路上需要同時設置電涌保護器件或保護器，以抑制過電壓，保護電子設備的安全。隨具體的應用場合不同，對保護器件的性能要求也有所差別，以下僅提出一些共性的要求。

①保護器件應具備良好的限壓箝位效果，在設計允許的最大雷電流沖擊下，保護器件應能將電涌過電壓箝位到設計限定的水平以下，那些用于保護器末級的保護器件殘壓應明顯低于被保護電子設備的耐受值。

②在最苛刻的情況下，即在抑制設計允許的最高雷電暫態(tài)電涌過電壓時，保護器件自身應能安全生存，不能被損壞，這就要求保護器件應具有足夠的通流容量。

③在承受雷電器暫態(tài)電涌過電壓時，保護器件應具有足夠快的動作響應速度，應能及早動作，對過電壓進行抑制，這一點對微電子設備來說是至關重要的。

④保護器件接入被保護系統(tǒng)后，它的存在對系統(tǒng)的正常運行的影響應很小，可以忽略不計，這就要求處在縱向并聯(lián)位置的保護器件應具有非常大的阻抗，而處在橫向串聯(lián)位置的保護器件應具有非常小的阻抗。多數(shù)縱向并聯(lián)保護器件自身通常都有寄生電容，這種寄生電容的大小往往會對所在系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生影響。如圖所示，當保護器件自身的寄生電容Cp較大時，保護器件所在縱向并聯(lián)支路的阻抗（1/ωCp）可能不會太大，沿工作線路傳輸來的正常工作電流i中會有一部分i1經(jīng)并聯(lián)寄生電容Cp支路分流，而進入被保護設備的正常工作電流僅為i2，由于寄生電容Cp的存在，使得i≠i2很明顯，Cp越大或工作頻率（ω）越高，如保護射頻電子設備，則i1也就越大，i2與i相比的失真程度也就越嚴重，因此必須盡可能地減小縱向并聯(lián)保護器件自身的寄生電容。保護器件寄生電容對正常運行的影響

⑤縱向并聯(lián)保護器件在接入系統(tǒng)時的連線和引頭線要盡量縮短，要盡量減小保護器件連接引線的寄生電感，以改善保護器件的保護效果。如圖所示，L0為保護器件引頭線的寄生電感，引頭線越長，則L0越大，在抑制雷電暫態(tài)電涌過電壓時，保護器件向其后面被保護設備提供的保護水平實際上為式中ur—保護器件的殘壓。由于雷電電涌產(chǎn)生的沖擊電流變化率di1/dt很大，如果L0不是太小，則就可能會明顯高于ur，這就有可能在保護器件動作限壓的情況下仍會向被保護設備提供難以耐受的電壓ue而導致設備損壞。保護器件引頭線對保護效果的影響

⑥在系統(tǒng)正常運行時，縱向并聯(lián)保護器件中的泄漏電流應非常小，以減緩保護器件自身的老化和性能衰退。因為正常運行時的泄漏電流是長期流過保護器件的，其數(shù)值過大將會逐漸損壞保護器件的保護性能，破壞其工作穩(wěn)定性。

第三節(jié)避雷器的結(jié)構(gòu)和特征

一、角形保護間隙

結(jié)構(gòu)和工作原理：常用的角形保護間隙如圖7-3所示。由主間隙1和輔助間隙2串聯(lián)而成。主間隙的兩個電極做成角形，在正常運行時，間隙對地是絕緣的，當承受雷電過電壓作用時，間隙擊穿，工作線路被接地，從而使得與間隙并聯(lián)的電氣設備得到保護。輔助間隙的設置是為了防止主間隙被外物（如小鳥）短路，以避免整個保護間隙誤動作。主間隙做成羊角形，主要是為了便于讓工頻續(xù)流電弧在其自身電磁力和熱氣流作用下被向上拉長而易于熄滅。圖7-3F—工頻續(xù)流電弧運動方向角形保護間隙

優(yōu)點：其結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，維護方便。

缺點：容易造成接地或短路故障，引起線路開關跳閘或熔斷器熔斷，造成停電事故。所以對于裝有保護間隙的線路上，一般要求裝設自動重合閘裝置或自重合熔斷器與其配合，以提高供電可靠牲。同時，保護間隙的滅弧能力差，難以有效地切斷工頻續(xù)流。

使用：在10kV以下電網(wǎng)中使用。

2、排氣式（管型）避雷器

結(jié)構(gòu)和工作原理：排氣式避雷器的原理結(jié)構(gòu)如下圖所示。它由兩個間隙串聯(lián)組成。而當雷電壓過電壓作用于避雷器兩端時，內(nèi)、外兩個間隙均被擊穿，使雷電流經(jīng)間隙入地，在雷電過電壓消失后，系統(tǒng)正常運行電壓將在間隙中繼續(xù)維持工頻續(xù)流電弧，電弧的高溫使產(chǎn)氣管內(nèi)的有機材料分解并產(chǎn)生大量氣體，使管內(nèi)氣壓升高，氣體在高氣壓作用下由環(huán)形電極的孔口急速噴出，從縱向強烈地吹動電弧通道，使工頻續(xù)流在第一次過零時熄滅。線路外部間隙內(nèi)部間隙產(chǎn)氣管棒形電極環(huán)行電極動作指示器接地膠木管圖7-4排氣式避雷器（也稱管型避雷器）排氣式避雷器的滅弧能力與工頻續(xù)流的大小有關。續(xù)流太大產(chǎn)氣過多，會使管子爆炸；續(xù)流過小產(chǎn)氣不足，則不能滅弧。為了保證管型避雷器可靠地工作，在選擇管型避雷器時，開斷續(xù)流的上限應不小于安裝處短路電流最大有效值(考慮非周期分量)；開斷續(xù)流的下限值不應大于安裝處短路電流的可能最小值（不考慮非周期分量），管型避雷器外部間隙的最小值為：6kV，8mm；8kV，10mm；10kV，15mm。

排氣式避雷器的主要缺點是：（1）伏秒特性太陡，而且分散性較大，難于和被保護電氣設備實現(xiàn)合理的絕緣配合；（2）放電間隙動作后工作導線直接接地，形成幅值很高的沖擊載波，危及變電器的絕緣；（3）運行維護也較麻煩。管型避雷器一般只用于線路上，在變配電所內(nèi)一般都采用閥型避雷器。

3、閥式避雷器

常用的閥型避雷器有以碳化硅和氧化鋅為主要原料的兩類，其中碳化硅閥型避雷器用得較早，而氧化鋅閥型避雷器為后起之秀，并有取代碳化硅閥型避雷器的傾向。由于歷史原因，仍有一些廠家生產(chǎn)碳化硅避雷器。另外由于它的電容量較小，故在某些通信系統(tǒng)中，為了減少插入損耗，也繼續(xù)采用碳化硅避雷器。1968年，日本松下電氣公司制成金屬氧化物浪涌吸收器。1972年，日本制成無間隙氧化鋅避雷器。由于它比碳化硅避雷器有更理想的伏安特性，因此，氧化鋅避雷器首先在中壓電力網(wǎng)使用，以后逐步用到高電壓和低電壓保護電網(wǎng)上。目前500kV的氧化鋅避雷器已得到普遍應用。在我國220／380V低壓電力系統(tǒng)和更低電壓的氧化鋅壓敏電阻器件是80年代后期才大批生產(chǎn)和應用的。因此，氧化鋅避雷器是目前最新型，技術上被認為最先進的閥型避雷器。閥式避雷器基本結(jié)構(gòu)與限壓機理

閥式避雷器是電力系統(tǒng)中較為常用的一種防雷裝置，它的基本元件為非線性閥片電阻和間隙，如圖7-5所示。當工作線路上沒有雷電過電壓作用時，間隙具有足夠的絕緣強度，不會被系統(tǒng)正常運行電壓擊穿，它將閥片電阻與工作線路隔開，閥片電阻上沒有電流流過。當工作線路上出現(xiàn)過電壓且過電壓值超過間隙的放電擊穿電壓時，間隙將首先擊穿，沖擊電流經(jīng)閥片電阻入地。閥片電阻具有非線性，其電阻值在大電流下變得很小，在傳導沖擊電流入地過程中閥片電阻上的電壓，即殘壓是不大的，這樣就可以低于被保護設備的耐受限度，使設備得到可靠保護。閥片電阻間隙線路圖7-5普通閥型避雷器

在雷電過電壓消失以后，由工作線路上正常運行電壓所產(chǎn)生的工頻續(xù)流繼續(xù)流過避雷器支路，因為此時的工頻續(xù)流相對于雷電過電壓作用時產(chǎn)生的沖擊電流來說已變得很小，非線性閥片電阻在工頻續(xù)流流過時將變大，于是工頻續(xù)流能夠被減小，可以在第一次過零時即被切斷，系統(tǒng)將恢復正常運行。在一般情況下，工頻續(xù)流能被限制到足夠小的數(shù)值，間隙在半個工頻周期內(nèi)就能滅弧，因此可在繼電保護裝置尚來不及動作時就恢復系統(tǒng)的正常運行。分為普通閥式避雷器、磁吹避雷器和氧化鋅3種閥式避雷器類型。

閥片：普通閥式避雷器的閥片電阻是由多個閥片串聯(lián)而成的，閥片是用碳化硅（SiC）細粒加結(jié)合劑（水玻璃）在（300-350）℃的低溫下燒制成的圓盤形狀電阻片，閥片的伏安特性呈現(xiàn)出非線性特征，可用下式表示：

上式中C—材料常數(shù)，與閥片材料和尺寸有關；—非線性指數(shù)，＜1。對于低溫燒制的閥片，≈0.2，越小，表示閥片伏安特性的非線性程度越高。

①普通閥式避雷器

圖7-6

閥片的伏安特性曲線

間隙：普通閥式避雷器中采用的間隙是由多個按統(tǒng)一規(guī)格制作的單間隙串聯(lián)而成的，其中每個單間隙的電極用黃銅沖成小圓盤形狀，間隙中間采用云母墊片隔開，如圖7-7所示，間隙的距離為（0.5-1）mm，在間隙中的電場接近于均勻場。黃銅電極云母墊圈單個火花間隙黃銅蓋板半環(huán)行分路電阻圖7-7（a）單間隙，（b）標準組件單元

在過電壓作用下，云母墊片與電極之間的空氣縫隙會發(fā)生電暈放電，為間隙中的放電提供光輻射預游離條件，從而能縮短間隙的放電擊穿時間，減小間隙放電的分散性，使其伏安特性比較平緩，沖擊系數(shù)（50%沖擊放電電壓與穩(wěn)態(tài)放電電壓之比）可降到1.1左右，有利于與電氣設備伏秒特性的配合。將四個單間隙串聯(lián)成標準組體單元，如圖7.7（b）所示，然后再將若干個標準組件單元串聯(lián)在一起，就構(gòu)成普通閥式避雷器所用的間隙整體。

圖7-8閥式避雷器外形及結(jié)構(gòu)圖

改進：為改善保護性能，除了用于低壓配電系統(tǒng)的閥式避雷器外,一般都在標準組件單元上并聯(lián)上一個均壓電阻，亦稱分路電阻，如上圖所示，相應的原理電路見圖7-9。

圖7-9

間隙上并聯(lián)分路電阻原理

②、磁吹避雷器為了進一步增強滅弧能力和提高通流容量，又發(fā)展了磁吹避雷器。磁吹避雷器的工作原理和結(jié)構(gòu)與普通閥式避雷器基本相同，其主要區(qū)別之處在于采用通流容量較大的高溫閥片電阻和滅弧能力較強的磁吹間隙。（1）高溫閥片電阻

（2）磁吹間隙圖7-10磁吹避雷器

③、氧化鋅避雷器

氧化鋅避雷器的基本結(jié)構(gòu)

氧化鋅避雷器采用的核心部件是氧化鋅壓敏電阻閥片，它以氧化鋅（ZnO）為主體，適當添加進BiO2、CoO3、Cr2O2、MnCO3、SbO3、SiO2、MgO等金屬氧化物成分，經(jīng)專門加工成細粒并混合攪拌均勻，再經(jīng)烘干、壓制成工作圓盤，在1000℃以上的高溫中燒制而成。典型氧化鋅壓敏電阻的顯微結(jié)構(gòu)包括氧化鋅主體、晶界層、尖晶石晶粒以及一些孔隙等部分，其示意圖見圖7-11（a），顯微照片（b）圖7-11氧化鋅壓敏電阻（a）（b）

（a）顯微結(jié)構(gòu)示意圖（b）顯微照片氧化鋅壓敏電阻優(yōu)異的非線性壓敏特性主要就是由晶界層決定的，當晶界層上的場強低時，只有少量電子靠熱激發(fā)才能通過晶界層的勢壘，所以此時的氧化鋅壓敏電阻呈現(xiàn)出高阻狀態(tài)。當晶界層上的場強增大到一定數(shù)值時，出現(xiàn)隧道效應，大量電子可以通過晶界層，電阻將驟然降低，氧化鋅壓敏電阻呈現(xiàn)出低阻導通狀態(tài)。一個氧化鋅壓敏電阻可以看成是由許多個微型PN結(jié)串聯(lián)而成，因此增加壓敏電阻的軸向長度等價于增加PN結(jié)的串聯(lián)個數(shù)，可以提高擊穿電壓，增大壓敏電阻本體的半徑就等價于增加PN結(jié)的并聯(lián)數(shù)目，從而可以提高通流容量。

伏安特性

氧化勻壓敏電阻在實際應用中最為重要的性能指標是其電壓與電流之間的非線性關系，即伏安特性，典型氧化鋅閥片的伏安特性如圖7-12所示，該特性可大致劃分為三個工作區(qū):即小電流區(qū)、限壓工作區(qū)和過載區(qū)。

圖7-12

氧化鋅壓敏電阻閥片伏安特性

在小電流區(qū)，閥片中電流很小，呈現(xiàn)出高阻狀態(tài)，在系統(tǒng)正常運行時，氧化鋅避雷器中的壓敏電阻閥片就工作于此區(qū)。在限壓工作區(qū)，閥片中流過的電流較大，特性曲線平坦，氧化鋅壓敏電阻閥片與碳化硅閥片的伏安特性伏安特性的比較，壓敏電阻發(fā)揮對過電壓的限壓作用在此區(qū)內(nèi)的非線性指數(shù)約為0.015-0.05。在過載區(qū)，閥片中流過的電流很大，特性曲線迅速上翹，電阻顯著增大，限壓功能惡化，閥片出現(xiàn)電流過載。

氧化鋅避雷器的工作原理

氧化鋅避雷器主要由氧化鋅(ZnO)壓敏電阻構(gòu)成。每一塊壓敏電阻從制成時起就有它的一定的開關電壓(壓敏電壓)，當加在壓敏電阻兩端的電壓低于該數(shù)值時，壓敏電阻呈現(xiàn)高阻值狀態(tài)；如果把它并聯(lián)在電路上，該閥片呈現(xiàn)斷路狀態(tài)；當加在壓敏電阻兩端的電壓高于壓敏電壓值時，壓敏電阻即被擊穿，呈現(xiàn)低阻值，甚至接近短路狀態(tài)。然而，壓敏電阻這種被擊穿狀態(tài)是可以恢復的。即當高于壓敏電壓的電壓被撤銷以后，它又恢復高阻狀態(tài)。當電力線被雷擊時，雷電波的高電壓使壓敏電阻擊穿，雷電流通過壓敏電阻流入大地，使電力線上的雷電壓被箝制在安全范圍內(nèi)。當雷電波過后，壓敏電阻恢復高阻狀態(tài)，電力線恢復正常輸電。氧化鋅避雷器也可用于其他低電壓的通信電線上。把氧化鋅避雷器接在三相交流電源的兩條相線之間時，當雷電波在兩條相線通過時，只要兩條相線間的電位差大于它的壓敏電壓，避雷器即導通，使兩線間的電壓箝制在壓敏電壓值附近，保證兩相線間不發(fā)生過高的電壓浪涌。把避雷器接在兩相線(傳輸線)之間稱為橫向避雷；接在相線與地(傳輸線與地)之間的連接法，叫做縱向避雷。

氧化鋅避雷器的主要技術參數(shù)

氧化鋅避雷器的技術要求是多方面的，其主要電氣技術參數(shù)有下面幾種：

①、壓敏電壓(即開關電壓U1mA)當溫度為20℃時，一般認為在壓敏電阻器上有1mA直流流過的時候，相應加在該壓敏電阻器兩端的電壓叫做該壓敏電阻器的壓敏電壓。壓敏電壓可用壓敏電阻測試儀測量。當壓敏電阻通過1mA以下電流時，工程上認為避雷器末開通。

在非雷擊情況下，接在電網(wǎng)上的避雷器應該只有幾μA電流通過，避雷器處于不導通狀態(tài)。所以實際電網(wǎng)的峰值電壓應比壓敏電壓要低，習慣上取電網(wǎng)峰值電壓為壓敏電壓的0.7。由于壓敏元件的標稱電壓數(shù)值允許有±10％的誤差，電網(wǎng)電壓與標稱系統(tǒng)電壓也允許±10％的誤差，交流電峰值電壓為有效值的倍，因此，避雷器壓敏元件的壓敏電壓應按如下公式計算：式中：VN避雷器壓敏電壓值，V；VNH電網(wǎng)額定電壓(有效值)，V。因為壓敏元件沒有這一電壓等級，只好選擇偏高一些，故選擇560V或600V的標稱值的壓敏器件。選低了容易發(fā)生自爆，選高了會使殘壓升高，影響用電器安全。目前，各廠家選擇閥片時采用的壓敏電壓值不一樣，有些照搬國外資料選用470V。甚至更低的電壓，這是不符合我國目前電網(wǎng)和有關技術的實際情況，建議各防雷檢測部門應對其產(chǎn)品實測鑒定。例如：220V交流電源應選擇避雷器的壓敏電壓標稱值是：

用在各種不同電壓的地方也可以按上面介紹的方法計算選擇避雷閥片。直流電源不存在有效值與峰值的互換計算問題，所以選用在直流電源的壓敏元件的壓敏電壓值可按下式計算：

②、殘壓

所謂殘壓是指雷電波通過避雷器時避雷器兩端最高瞬時電壓。它與所通過的雷電波峰值電流和波形有關。上面講過避雷器猶如一個電壓限幅器，它的輸入端上的雷電壓峰值雖然有上萬V，甚至幾萬V，但經(jīng)過避雷器就被大大地削減，削減后的峰值電壓就是殘壓。同樣一塊氧化鋅壓敏電阻器，用不同波形的沖擊電流和不同沖擊電壓峰值測到的殘壓都不同。按照GBl1032—89規(guī)定，對用于220V電壓和10kA等級的閥片，必須采用8／20μs仿雷電波沖擊，沖擊電流的峰值為1.5kA時，殘壓不大于1.3kV為合格。因為殘壓是直接加在用電器兩端的瞬間最高電壓，與用電器的安全有直接關系。殘壓比的定義是：按照我國有關規(guī)范規(guī)定，10kA通流容量的氧化鋅避雷閥片，滿通流容量時用8／20μs仿雷電流波沖擊，殘壓比應＜3。按此計算10kA／620V的閥片在8／20μs仿雷電波沖擊時，它的殘壓值應該是：殘壓≤壓敏電壓×3＝620×3＝1860(V)實際上，各廠家的產(chǎn)品的殘壓比相差較遠，同一廠家生產(chǎn)的不同型號產(chǎn)品的殘壓比相差也很遠，所以，使用單位有必要給予復檢。引入殘壓比的概念，使所有電壓等級的壓敏電阻片，對殘壓有一個統(tǒng)一的衡量標準。

③、通流容量

避雷器的通流容量是指避雷器允許通過雷電波最大峰值電流量。如果，低壓避雷器是防感應雷為目的，其通流容量一般為3～5kA就可以了。如考慮到閥片老化和偶然會遇到直擊雷直接擊中室外的金屬導線，使閃電的高電壓以脈沖波的形式沿導線侵入襲擊時，可采用10kA的通流容量，這是合理的。尤其是用在野外的架空線路上還應選得更大些。

D、漏電流將合適的避雷器接到電源上，在正常情況下，應該是沒有電流通過的，但是，實際上除空氣間隙外，各種避雷器接到規(guī)定等級的。電網(wǎng)上總有μA數(shù)量級的電流通過，這電流稱為漏電流。通過兩種伏安特性比較，可以看出，將避雷器接到電源上，在正常情況下，在系統(tǒng)正常運行相電壓下，碳化硅閥片電流達（200-400）A，而氧化鋅閥片則為（10-50）μA，可近似認為等于零，這也是氧化鋅避雷器可以不用串聯(lián)間隙而成為無間隙與無續(xù)流避雷器的原因。圖7-13

氧化鋅壓敏電阻閥片與碳化硅閥片的伏安特性伏安特性的比較

對于220V電網(wǎng)上10kA通流容量的氧化鋅避雷器閥片按國家規(guī)定，漏電流不得大于30μA，且漏電流越小越好。漏電流的害處在于流過高電阻值的氧化鋅閥片時，會發(fā)出一定熱量，當漏電流大到一定程度后，閥片發(fā)生的熱量大于散熱量，閥片溫度就升高，使閥片漏電流進一步加大，有此惡性循環(huán)是導至閥片爆炸的直接原因。目前，各廠家生產(chǎn)的220V電網(wǎng)用的10kA的閥片漏電流實際上只有幾μA，甚至有些做到零點幾μA。但應特別注意，更重要的是漏電流必須穩(wěn)定，不允許工作一段時間后漏電流自動升高。當閥片接入電網(wǎng)后，漏電流自動爬升者應予淘汰。寧愿要初始漏電流稍大一些的閥片，也不要漏電流自動爬升的閥片。因為漏電流自動爬升，有可能升到不允許的范圍，相反初始漏電流雖然稍大些，但它穩(wěn)定，而且在安全范圍以內(nèi)，反而沒有問題。

⑤、響應時間

所謂響應時間是指避雷器兩端加上的電壓等于壓敏電壓時，由于閥片內(nèi)的齊納效應和雪崩效應需要延遲一段時間后，閥片才能完全導通，這段延長的時間叫做響應時間或時間響應。氧化鋅避雷器時間響應≤50ns(即10-9s)，比碳化硅避雷器和氣隙避雷器都短。圖給出了一個無引頭壓敏電阻器件在抑制暫態(tài)電涌過電壓時的響應波形，其中波形1為無壓敏電阻時的原始電涌過壓波形，波形2為被試壓敏電阻器件的箝位電壓波形，壓敏電阻動作箝位的響應時間是很短的，僅為幾個納秒。其在8/20μs沖擊電流下波形通流量可以做到幾十個千安。

無引頭壓敏電阻器件的電壓響應波形同一電壓等級的避雷器，用相同形狀的仿雷電波沖擊，在沖擊電流峰值相同的情況下，響應時間越短的避雷器的殘壓越低，也就是說避雷效果越好，避雷器的品質(zhì)越高。一般不直接測量避雷器的響應時間，而是根據(jù)用一定形狀的仿雷電沖擊波來沖擊后所得到的殘壓來推算出來的。由于有氧化鋅閥片串連，又避免單純氣隙放電管產(chǎn)生的續(xù)流現(xiàn)象，使避雷效果和電網(wǎng)正常運作得到改善。串連間隙避雷器的缺點是響應時間等于氣隙響應時間與氧化鋅閥片響應時間之和，即響應時間比氣隙響應時間稍長了些。⑥、續(xù)流氧化鋅避雷器是以微粒狀的金屬氧化鋅晶體為基體，在其間充填氧化鉍和其他摻雜物，這種非線性電阻有很好的伏安特性，在工頻電壓下呈現(xiàn)極大的電阻，因此工頻續(xù)流很小，不需間隙熄滅由工頻續(xù)流所產(chǎn)生的電弧。對于有晶體器件和集成電路的儀器設備，除了使用以上講過的避雷器外，有時還要求有多級保護，在電路板上再加上一級保護。習慣上把安裝在電源輸入處或信號傳輸線輸入端最前面的避雷器稱為前級避雷或稱第一級避雷。在前置級后面設置的避雷裝置分別稱為第二級、第三級……。它們的作用是把前置級避雷器泄漏進來的殘余雷電壓、雷電流進一步泄放，使其殘壓進一步降低。現(xiàn)代電子設備注往都采用多級防雷保護，以確保設備安全和運行準確。半導體避雷器件往往都是放在最后幾級。最后一級保護又叫末級保護。

壓敏電阻除了與放電管串聯(lián)使用外，有時為了提高通流容量，也考慮將多個壓敏電阻（型號參數(shù)相同）并聯(lián)使用，如圖所示。這種并聯(lián)使用方式的優(yōu)點是其中一個或幾個壓敏電阻器件損壞后，其余的仍能保揮保護作用，能比僅使用單個器件具有更高的保護可靠性。但是，多個器件寄生電容之和，將顯著增大，這對所在系統(tǒng)的正常運行影響作用會增強。多個壓敏電阻并聯(lián)

總的來講，氧化鋅避雷器在過電壓作用時電阻很小，殘壓很低，而在系統(tǒng)正常運行電壓作用時電阻很高，實際上接近于開路，因此不必用類似于碳化硅避雷器那樣采用間隙來隔離正常運行電壓，可以將氧化鋅壓敏電阻直接接到電網(wǎng)上運行也不致被燒壞。

氧化鋅避雷器比氣體放電管和碳化硅等避雷器有以下優(yōu)點：A、開關電壓范圍寬(6V～1.5kV)；B、反應速度快(ns級)；C、通流容量大(2kA／cm2)；D、無續(xù)流；E、壽命長。

氧化鋅避雷器存在的問題和處理

①由于氧化鋅閥片中有百分之幾存在漏電流不穩(wěn)定，以至接入電網(wǎng)一段時間后發(fā)生自動爆炸。所以有些廠家在氧化鋅閥片與電網(wǎng)之間串聯(lián)一個空氣間隙，使氧化鋅閥片在非雷擊時有空氣間隙與電網(wǎng)隔開，避免漏電流引起自爆由于有氧化鋅閥片串連，又避免單純氣隙放電管產(chǎn)生的續(xù)流現(xiàn)象，使避雷效果和電網(wǎng)正常運作得到改善。但是，串連間隙避雷器的缺點是響應時間等于氣隙響應時間與氧化鋅閥片響應時間之和，即響應時間比氣隙響應時間稍長了些。使用時要注意參數(shù)的選擇。②、氧化鋅避雷器，理論推證在正常工作條件下，它的壽命應該有30～50年，由于生產(chǎn)工藝等原因，各壓敏電阻生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品普遍存在同一批產(chǎn)品技術參數(shù)存在差異，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。

③、壓敏電阻避雷器的極間電容較大，在高頻、超高額、甚高頻電路中，往往因極間電容太大而在使用時受到限制。此外，壓敏電阻器的殘壓往往是壓敏電壓的3倍左右，對晶體器件電路還嫌太高。

壓敏電阻在保護性能上的主要缺點是其自身的寄生電容較大，一般為幾百到幾千個微微法，當壓敏電阻被用于保護高頻電子設備時，這樣高的寄生電容將會使所在系統(tǒng)的正常運行受到影響，因此壓敏電阻難以直接在高頻電子設備的保護中得到應用。為了彌補這不足之處，可以將壓敏電阻與放電管串聯(lián)起來使用，如圖所示，在這一串聯(lián)支路中，壓敏電阻的寄生電容較大，但放電管的極間電容很小，兩者串聯(lián)后整個支路的總電容將減小，可以減小到幾個微微法，這種串聯(lián)支路有些類似于閥式避雷器。壓敏電阻與放電管串聯(lián)

④、氧化鋅避雷器經(jīng)受雷擊后，閥片一般都會老化，當閥片測到的壓敏電壓值降低至原來的90％以下時，該閥片應視為損壞，必須更換。在使用新產(chǎn)品時，除了要作必要的測試外，裝上電網(wǎng)后，還應作定期檢測。尤其是在裝上電網(wǎng)后的第一個雷暴季節(jié)，必須重復檢測一次。在檢測中，當發(fā)現(xiàn)閥片漏電流超過20μA時，建議更換。當漏電流比上一次測試增加兩倍以上，絕對值雖然不超過10μA，也應該更換。當連續(xù)兩次復測漏電流(每次間隔一周以上)，均爬升者，不管數(shù)值是多少，一般都應更換。這些測試應使用同一部壓敏電阻測試儀測量(壓敏電阻測試儀也可以測量漏電流)，故有條件的防雷檢測所，都應配備該儀器，以便對廠家產(chǎn)品進行復檢和對用戶避雷器進行年檢。

4、氣體放電管

結(jié)構(gòu)

氣體放電管的工作原理是氣體放電機制。按放電管所含電極來分，放電管可分為二極、三極和五極放電管等，簡單的二極放電管結(jié)構(gòu)如圖7-14（a）所示，管子用陶瓷作為封裝體，管內(nèi)充有電氣性能穩(wěn)定的氣體。當管子兩個電極之間的電場強度超過管內(nèi)氣體的擊穿場強時，兩極之間將擊穿導通，導通后的放電管兩端電壓將維持在間隙擊穿電弧的弧道所決定的殘壓水平，這一殘壓一般很低，可使得與放電管并聯(lián)的電子設備得到保護。圖7-14

（a）還給出了二極放電管的電路符號。

圖7-14二極管和三極放電管示意圖

工作原理

放電管的作用是限制線路的過電壓，當如圖7-15在線路終端接放電管PT，一旦終端兩條導線間出現(xiàn)超過放電管點火電壓時，放電管便立即點火放電，從原來的開始狀態(tài)變成近乎短路的狀態(tài)，幾kV的線間電壓即降剩幾十V。假若把放電管接在導線與大地之間，如圖7-15中的PX1、PX2，則線路的過電壓同樣受到抑制，雷電流將經(jīng)放電管入大地。放電管的點火放電特性，尤如在線路上接入了電子開關。線路上的過電壓沖擊直接控制著這種開關的通、斷，從而起到限制過電壓的作用，見圖7-16。圖7.15終端采用放電管保護圖7-16放電管的開關等效

技術參數(shù)表征放電管的主要參數(shù)有：靜態(tài)放電電壓、沖擊放電電壓、輝光和弧光壓降、熄弧電壓、維持電流、熄弧時間、工頻耐流能力、沖擊耐流能力、極間絕緣電阻、極間電容等。靜態(tài)放電電壓：指放電管在直流電情況下開始放電的電壓值，如常見的RL—350玻璃放電管，其靜態(tài)放電電壓便是350V。放電管放電電壓的高低，在電極形狀確定之后，決定于極間距離與管內(nèi)氣體壓力的乘積，管內(nèi)氣壓一旦改變，管的放電電壓也隨之改變。靜態(tài)放電電壓一般是由廠家給出的，用戶也可根據(jù)特殊需要提出要求。

沖擊放電電壓：指在沖擊電壓作用下，放電管點火導通時，管兩極之間的電壓值。我們知道，放電管的擊穿，是靠管內(nèi)存在能引起電子雪崩的點火電子。擊穿過程，由產(chǎn)生點火電子開始。

從電極加壓至產(chǎn)生點火電子的時間，叫做統(tǒng)計時延。從電子雪崩到擊穿放電管的間隙，同樣也需要一定的時間，稱為形成時延。統(tǒng)計時延和形成時延相加在一起，便是放電管的擊穿時延，也叫響應時間。沖擊電壓與靜態(tài)電壓的區(qū)別，在于沖擊電壓源的電壓幅值是隨時間作迅速變化的，在達到靜態(tài)擊穿電壓時開始蘊釀?chuàng)舸?，?jīng)過擊穿時延，真正擊穿時沖擊電壓已升至更高的值，所以放電管擊穿導通時的電極間電壓，比靜態(tài)放電電壓高很多。

放電管的伏秒特性曲線：沖擊放電電壓和放電時間關系，即伏秒特性曲線如圖7-17，描述U-t的平均特性。是通過固定一種沖擊波陡度，測試出樣品放電電壓平均值和放電時延平均值，得到坐標上的一點，然后繼續(xù)改變不同的幾種陡度，把相應的點也測試出來，再連接所有測試點而得到的。圖中陰影區(qū)代表了占95％的測試的范圍，表示出管子擊穿電壓和放電時延的分散性。陰影范圍愈窄，說明放電管放電愈穩(wěn)定，保護性能也愈好。圖7-17放電管伏秒特性

對于某一沖擊波陡度能否滿足保護要求，可從圖7-18給出的伏秒特性曲線分析，保護元件與被保護設備的伏秒曲線相交于C點時，被保護物部分伏秒特性位于保護元件伏秒特性下方，即在C點左面一段特性范圍內(nèi)被保護物將失去保護且無法預先知道。從保護角度是不允許的。圖7-18伏秒特性的相交

從曲線的平直程度，可以判斷放電管特性是否優(yōu)良。因為放電管點火時延愈小，放電電壓愈低。表明放電管愈易擊穿，沖擊放電電壓也愈接近靜態(tài)放電電壓，所以伏秒特性就顯得平直些。其次，從原理上說，設備如要受放電管保護，放電管就應在設備絕緣尚未擊穿之前先行放電。換句話說，在圖7-17中，無論什么情況，由被保護物絕緣擊穿電壓和擊穿時延確定的所有坐標點都應位于放電管伏秒特性的上方。伏秒特性越平坦、放電電壓越穩(wěn)定的放電管，將有利于簡化保護措施，降低成本，使保護系統(tǒng)發(fā)揮最大的保護效果。經(jīng)研究，放電管的金屬電極用料、表面及形狀、管內(nèi)充入的氣體類別、管內(nèi)氣體的壓力、電極間隙等，都會成為影響放電管伏秒持性的平直度及放電分散性的因素。可以這樣說，提高放電管質(zhì)量的一項主要工作，就在于如何根據(jù)這些因素，設法在管子里面，造出一個易于生成點火電子的環(huán)境來，為此，有的工廠在管內(nèi)加入少量放射性元素，以便達到目的。ITU—T的K.12建議中所推薦的放電管沖擊放電電壓值見表7.1，表中給出相應的靜態(tài)放電電壓值供參考比較。直流放電電壓／V沖擊放電電壓／V標稱最小最大100V／μs1000V／μs230180300700900250／1200450700900250／2200300700900300255345700900350／126560010001100350／22906009001000表7.1K.12建議中推薦的放電電壓值

輝光和弧光壓降：是反映放電管導通放電期間特性的參數(shù)。放電管放電期間，依放電電流大小，有輝光放電和弧光放電的區(qū)別。輝光放電和弧光放電沒有嚴格的界限。放電電流較小時，例如10mA左右，放電管處于輝光放電階段，此時的管壓降為輝光壓降，像RL—350放電管，其值約為200V左右。倘若放電電流大至1A以上，則為弧光放電階段，此時的管壓降稱為弧光壓降，約30～60V。弧光放電時，放電電流即使有很大變化，但管端電壓幾乎維持不變。

殘壓：是指沖擊放電放電管兩端的峰值電壓。由于采用不同波形進行沖擊，測得的殘壓值是不同的。由于它是直接加在被保護物上的電壓，所以是保護技術上的一個重要參數(shù)。

維持電流：是指放電管維持導通狀態(tài)必需的最小電流。當小于這電流時管子即熄弧。圖7-19示出上述幾種電壓值之間的關系。橫坐標I為流經(jīng)管子的電流，縱坐標U為管端電壓。因為圖中的曲線，表示了放電管通過的電流和其端電壓之間的關系，故也稱作伏安特性曲線。圖中U0為管的直流放電電壓，A～B段為輝光壓降，B～C段為弧光壓降。

圖7-19放電管伏安特性

熄弧時間：是指沖擊過后，放電管恢復到正常絕緣所需要的時間，其值愈小愈好。目前的管子，按CCITT推薦的試驗方法，要求短至0.15s。太長的時間會影響通信，是不允許的。

工頻耐流能力：是管子工作能力的表征。代表在一定時間內(nèi)，管子所能通過的最大工頻電流值。對一定的管子，如通過電流時間愈長，則它們所能耐受的電流愈小。RL—350玻璃放電管，工頻耐流能力約為5A、5s。只有約80%的直流型熔絲低于這一指標。因此，當熔絲位于放電管線路側(cè)時，對于工頻來說，只能做到熔絲基本上保護了放電管。陶瓷放電管耐流能力則高得多，約30A、3s。

沖擊耐流能力：表明放電管耐受脈沖電流的能力，視沖擊波持續(xù)的時間長短的不同而不同，但總體而言，放電管耐受脈沖電流的能力比工頻耐受電流的能力大得多。通常先規(guī)定一標準波形及電流，用不發(fā)生損壞或失效所能耐受的脈沖電流次數(shù)來表示。當脈沖電流波超過其耐沖擊能力時，可能會使放電管的引線熔斷、玻璃或陶瓷管爆裂或裂開漏氣，致使放電電壓明顯增高。對于20／40μs波，RL—350玻璃放電管的一次耐沖擊能力最大可達到近3kA，但也有不少管子因電極引出線處壓傷或接觸電阻較大，只要lkA多或近2kA的沖擊電流(均為20／40μs)，就可造成管子斷線失效。陶瓷放電管在同樣波形沖擊下，耐沖擊能力可達20kA以上。

據(jù)南非資料介紹用在架空裸線路上的放電管，如果線路位于雷電活動強烈的地區(qū)，若欲讓放電管能連續(xù)多年有可靠的動作，放電管本身必須同時經(jīng)受表7.2規(guī)定的各種沖擊而不會損壞。接于架空裸線和架空電纜終端的避雷元件，如能耐受一次20kA的沖擊電流(波形為5／100μs)，則除了發(fā)生終端雷電直擊外，其他情況均能夠承受。

沖擊次數(shù)電流峰值／A波形／μs850005／1002010005／1005005010／1000表7.2放電管耐沖擊試驗標準

極間絕緣電阻和極間電容：均是為使保護器不致引起電路損耗和反射太大而提出的指標。極間絕緣電阻一般要求在1000MΩ以上，極間電容一般在20pF以下，目前的陶瓷放電管的極間電容實際上只有3～5pF左右，甚至更小。保護性能評價

保護性能上的缺陷由于放電管自身的結(jié)構(gòu)及其工作機制，使得它在雷電暫態(tài)電涌過電壓防護應用中會存在一些缺陷，這些缺陷往往會直接或間接地影響到放電管的保護可靠性及其自身安全。歸納起來，這此缺陷主要表現(xiàn)為以下幾點：

①放電分散性放電管是依靠氣體放電機制來進行電涌過電壓抑制的，氣體的放電時，電極加壓至產(chǎn)生點火電子，電子雪崩到擊穿放電管的間隙是放電管的擊穿時延。

如圖所示，如果di/dt較小，在過電壓值達到放電管的直流放電電壓ufdc后，放電管要經(jīng)過幾個微秒才能放電。若di/dt較大，在過電壓值達到放電管的直流放電電壓ufdc后，放電管要經(jīng)過數(shù)個納秒才能放電。從暫態(tài)過電壓達到放電管的ufdc到實際放電之間存在著一段時延?，相應的電壓增量可表示為：

則放電管的實際放電電壓應為：uf=ufdc+?U

t?ufdcufU?U圖7-20放電管的時延脈沖

對于上升陡度大的過電壓波來說，放電管的延遲?雖小，但由于di/dt的數(shù)值很大，電壓增量?U以及實際放電電壓uf都會很大，uf有可能達到幾倍的ufdc值，在ufdc與uf之間出現(xiàn)的短持續(xù)時延脈沖能在放電管動作前傳輸?shù)奖槐Ｗo電子設備上，被保護電子設備對此常常不能耐受而受到其損害。

放電管的放電擊穿不僅有較大的時延，而這種時延本身也存在著較大的分散性。對于同一型號參數(shù)的管子，這種差異所造成的一個不良后果就是在抑制共模電涌過電壓時，會將共模過電壓轉(zhuǎn)化為差模過電壓。

如圖（a）所示，兩只型號參數(shù)完全相同的管子GT1和GT2設置于平衡線路上，當共模電涌過電壓沿A、B兩條線傳輸?shù)椒烹姽馨惭b點處時，由于放電時延的分散性，GT1和GT2的放電擊穿不會同步進行，如圖（b）所示。設GT1首先在t1時刻擊穿，而GT2要到t2時刻才擊穿，這樣在t1―t2之間就會產(chǎn)生一個差模過電壓脈沖，見圖（b）中的陰影部分，該差模過電壓脈沖作用于被保護設備的兩線端之間，損壞設備。圖7-21共模過電壓轉(zhuǎn)化為差模過電壓（a）（b）兩只管子的放電時延分散性越大，脈寬t1―t2間隔就越長，相應的差模脈沖的危害性也就越嚴重。減小脈寬t1―t2間隔的一種辦法就是采用一只三極放電管GT來取代原先的兩只二極放電管，如圖所示。由于處在同一三極放電管管體內(nèi)的兩個間隙之間的放(b)電時延很小，脈寬t1―t2間隔可以被限制到很短，圖中放電管將共模過電壓轉(zhuǎn)化為差模過電壓因此差模脈沖的危害性被大大削弱。圖7-22三極放電管保護電路

在三個電極中，有一個電極通常用于接地，另外兩上電極分別與該接地電極組成兩個放電間隙。當雷電暫態(tài)電涌過電壓同時作用于這兩個間隙（如共模電涌過電壓）時，由于氣體放電的隨機性，其中一個間隙中引起碰撞電離，促使該間隙盡快放電擊穿，這樣就可以大大減小兩個間隙之間的放電同步分散性。

②續(xù)流放電管的續(xù)流是一個必須注意的問題，從伏安特性圖上看，管子的滅弧電流要比開始起弧的電流小，所以它的滅弧是比較困難的，在抑制電涌過電壓結(jié)束后的正常運行電壓作用下，很容易產(chǎn)生續(xù)流，續(xù)流可以穩(wěn)定在電弧區(qū)，這將使管子無法轉(zhuǎn)變到開路狀態(tài)，被保護設備不能恢復正常工作，管子自身會因過熱而損壞。續(xù)流也可能穩(wěn)定在輝光放電區(qū)，在這種情況下，管子將長期處于弱導通狀態(tài)，一方面會影響所在系統(tǒng)的正常運行，同時管子自身的保護性能也會不斷變壞，最終導致?lián)p壞。

一般來說，當放電管用于電子設備的信號線保護時，由于信號電壓很低，不會產(chǎn)生續(xù)流。但是，當放電管用于電子設備的電源線保護時，因為電源電壓相對較高，容易在管子中引起續(xù)流，因此需要配備續(xù)流切斷措施，目前比較常用的一種做法就是放電管與壓敏電阻合用。

③動作截波干擾放電管在電涌過電壓作用下放電擊穿，由開斷轉(zhuǎn)變?yōu)閷?，在這一狀態(tài)翻轉(zhuǎn)過程中，放電管會產(chǎn)生嚴重的截波，如下圖左所示，并同時會伴隨著波頭陡度（di/dt）很大的沖擊電流產(chǎn)生，這種電流將會在放電管周圍產(chǎn)生暫態(tài)空間磁場，對附近的電子元件和集成電路產(chǎn)生頗為嚴重的電磁干擾，在導體回路中感應出電涌過電壓，這種電磁干擾對于電子設備的安全可靠運行來說是十分有害的。t?U截波

放電管產(chǎn)生的截波

抑制放電管動作截波所產(chǎn)生電磁干擾的方法包括屏蔽、減小耦合和采用濾波等，其中減小耦合的一種有效方式是將放電管的截波電流方向與電子電路板垂直放置，如圖所示。圖7-23放電管與電子電路板垂直放置

保護性能優(yōu)勢

放電管在不導通狀態(tài)下，其極間的絕緣電阻非常大，約為數(shù)千兆歐，管子中幾乎沒有電流，因此不導通的放電管存在不會對所在系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生影響。另外，放電管的極間（寄生）電容非常小，約為（1-5）pF，并在很寬的頻率范圍內(nèi)保持不變，這是放電管的一個顯著優(yōu)點。放電管極間的寄生電容很小，則管子對所在系統(tǒng)正常工作信號的畸變作用也就很小，這一點對高頻電子設備的保護是非常必要的，它克服了工作頻率高所引起的保護元件畸變系統(tǒng)正常工作信號的嚴重問題，使得放電管在高頻電子設備的防雷保護中得到了廣泛的應用，并具有其它保護器件所無法替代的性能。

5、半導體避雷器件

穩(wěn)壓二極管、開關二極管：是比較早被用作電子電路末級保護的元件。穩(wěn)壓二極管能夠保護其他晶體管，是靠它的伏秒特性起箝位作用，如圖7-24。當管子承受反向電壓，即位于0～Uz之間的時候，管子呈高電阻、管子中流過很小的電流。當反向電壓超過Uz的時候，流經(jīng)管子的電流迅速增加，進入低電阻導通狀態(tài)，從高電阻狀態(tài)到低電阻狀態(tài)的延時只有μs數(shù)量級，管子一旦導通后，外加電壓只要不使管子擊穿，電流不大于最大電流，管子兩端電壓就大體上保持在Uz附近，這樣殘余的雷電電壓就被箝制在Uz附近，當高電壓脈沖過后，二極管又恢復高阻狀態(tài)。圖7-24半導體二極管伏安持性如果兩只穩(wěn)壓二極管的陰極按圖7-25作相反極性串聯(lián)相接，就成為雙陽極管，這時可以正負對稱箝位，也可作為兩極性過電壓限幅。

圖7-25穩(wěn)壓二極管的串聯(lián)運用

穩(wěn)壓二極管的反向擊穿是在強電場作用下，PN結(jié)共價鍵的共價電子被首先拉出成為載流電子(齊納作用)和電子在電場中加速到足夠高速，撞擊到其他原子時，把它的價電子撞出原子核控制范圍以外，成為自由電子，這些自由電子再撞擊其他原子，產(chǎn)生更多自由電子，而形成電流通道，這樣的過程叫做“雪崩”。穩(wěn)壓二極管的擊穿一般都包含齊納過程和雪崩過程。4V以下的穩(wěn)壓二極管以齊納為主，7V以上的穩(wěn)壓二極管以雪崩為主，5V～8V之間的二極管通常同時具有齊納和雪崩擊穿過程。由于穩(wěn)壓二極管齊納過程和雪崩過程的響應動作快的明顯優(yōu)點，并且它的伏秒特性亦較為穩(wěn)定，而且管子的溫度系數(shù)極?。ɡ绻鑴偨Y(jié)穩(wěn)壓二極管的溫度系數(shù)每10℃為1％；并且管子損壞又多呈短路狀態(tài)，能及時發(fā)現(xiàn)。），在瞬態(tài)過電壓的保護應用中，穩(wěn)壓二極管特別適合于用作多級保護電路中的最末幾級保護元件。

6、高通濾波器由電工理論可知，電路上的阻抗由電阻、電感、電容三種形式元件組成，其中電阻值與頻率無關，電容器的容抗與頻率成反比：

電感器的感抗與電源頻率成正比：

其中ω為電源角頻率，單位為弧度／秒；f 為電源頻率，單位為Hz。

由于雷電波是一個近似雙指數(shù)函數(shù)的波，它的頻譜較廣，但是它的絕大部分能量分布在幾十kHz以下，最大頻率在1000Hz以內(nèi)。而通信采用的頻率比較高，如我國無線電電視中心頻率為52.5MHz～954MHz，由于雷電波與通信頻率相差很遠，所以，可以利用電抗與頻率相關的特點，把信號與雷電波分離的辦法，使雷電波引入大地而基本上不損耗信號，保護設備安全。

如圖7-26所示，對于一個高頻信號進入用電器前加一個電感和電容（LC網(wǎng)絡），由于信號是高頻，很易通過電容器C進入用電器，而雷電波的頻率分布在較低頻段上，通過較小電容的電容器會產(chǎn)生很大壓降；相反，由于信號頻率比較高，在電感L上的壓降較大，不易通過，而雷電在頻譜內(nèi)的頻率較低，易于通過。于是，雷電流便從電感器流入大地，保護了通信設備。只要L和C的數(shù)值選得合理，在一定范圍內(nèi)，這種方法是可取的。圖7-26LC雷電流分流避雷電路

以圖7-26為例，假定取C＝300pF,L＝5μH。以無線電視信號的頻率為52.5MHz計算，對于電視信號，電容的容抗為：由雷電波的頻譜可知，≤15kHz的頻率的能量積累占總能量95％以上。現(xiàn)雷電波以15kHz的頻率計算，對雷電波的電抗為：由此可見，雷電波的電抗為信號電抗的4000倍。由上面的計算可知雷電波通過電容C要受到4×104Ω的電抗阻礙，而信號只有l(wèi)0Ω的電抗阻礙，相反，電感器對于信號電抗：XL=2πfL=2π×52.5×106×5×10-6≈1650（Ω）對于雷電波電抗：XL=2πfL=2π×1.5×103×5×10-6≈0.5（Ω）雷電波受到的電抗只是信號阻抗的大約1／3000。由此可見，經(jīng)過這樣的LC網(wǎng)絡后，雷電波將被分流入地，而信號損失很小。LC分流法的優(yōu)點是成本低、可靠性高，但是它始終存在著一定的插入損耗和駐波問題，對于頻率較高的頻道和有分布電感、分布電容問題而信號較弱的共用天線網(wǎng)絡，可能會使屏幕的清晰度受到輕微的影響。第四節(jié)電涌保護器（SPD）的使用

電的普遍使用促進了防雷產(chǎn)品的發(fā)展，當高壓輸電網(wǎng)為千家萬戶提供動力和照明時，雷電也大量危害高壓輸變電設備。高壓線架設高、距離長、穿越地形復雜，容易被雷擊中。避雷針的保護范圍不足以保護上千公里的輸電線，因此避雷線作為保護高壓線的新型接閃器就應運而生。在高壓線獲得保護后，與高壓線連接的發(fā)、配電設備仍然被過電壓損壞，人們發(fā)現(xiàn)這是由于“感應雷”在作怪。雷電在高壓線上感應起電涌，并沿導線傳播到與之相連的發(fā)、配電設備，當這些設備的耐壓較低時就會被感應雷損壞，為抑制導線中的電涌，人們發(fā)明了線路避雷器。

早期的線路避雷器是開放的空氣間隙。空氣的擊穿電壓很高，約500kV/m，而當其被高電壓擊穿后就只有幾十伏的低壓了。利用空氣的這一特性人們設計出了早期的線路避雷器，將一根導線的一端連在輸電線上，另一根導線的一端接地，兩根導線的另一端相隔一定距離構(gòu)成空氣間隙的兩個電極，間隙距離確定了避雷器的擊穿電壓，擊穿電壓應略高于輸電線的工作電壓，這樣當電路正常工作時，空氣間隙相當于開路，不會影響線路的正常工作。當過電壓侵入時，空氣間隙被擊穿，過電壓被箝位到很低的水平，過電流也通過空氣間隙泄放入地，實現(xiàn)了避雷器對線路的保護。開放間隙有太多的缺點，如擊穿電壓受環(huán)境影響大；空氣放電會氧化電極；空氣電弧形成后，需經(jīng)過多個交流周期才能熄弧，這就可能造成避雷器故障或線路故障。

以后研制出的氣體放電管、管式避雷器、磁吹避雷器在很大程度上克服了這些毛病，但他們?nèi)匀皇墙⒃跉怏w放電的原理上。氣體放電型避雷器的固有缺點：沖擊擊穿電壓高；放電時延較長（微秒級）；殘壓波形陡峭（dV/dt較大）。這些缺點決定了氣體放電型避雷器對敏感電氣設備的保護能力不強。半導體技術的發(fā)展為我們提供了防雷新材料，比如穩(wěn)壓管，其伏安特性是符合線路防雷要求的，只是其通過雷電流的能力弱，使得普通的穩(wěn)壓管不能直接用作避雷器。早期的半導體避雷器是以碳化硅材料做成的閥式避雷器，它具有與穩(wěn)壓管相似的伏安特性，但通過雷電流的能力很強。不過很快人們又發(fā)現(xiàn)了金屬氧化物半導體變阻器（MOV），其伏安特性更好，并具有響應時間快、通流容量大等許多優(yōu)點。因此，目前普遍采用MOV線路避雷器。隨著通信的發(fā)展，又產(chǎn)生了許多用于通信線路的避雷器，由于受通信線路傳輸參數(shù)的約束，這一類避雷器要考慮電容和電感等影響傳輸參數(shù)的指標。但其防雷原理與MOV基本一致。按照GB50057-94對電涌保護器（浪涌保護器）（Surgeprotectivedevice,SPD）的定義：目的在于限制瞬態(tài)過電壓和分走電涌電流的器件。它至少含有一非線性元件。過電壓（overvoltage）:峰值大于正常運行下最大穩(wěn)態(tài)電壓的相應峰值的任何電壓。過電壓又分為短時過電壓（temporaryovervoltage）（工頻過電壓）和瞬態(tài)過電壓（transientovervoltage）（投切過電壓）。SPD常常與避雷器相混淆，國家標準已頒布避雷器的內(nèi)容和專門的檢測單位，它們主要應用于高壓系統(tǒng)。一、SPD的分類

1、按使用非線性元件的特性分類①、電壓開關型SPD（VoltageswitchingtypeSPD）：無浪涌出現(xiàn)時，SPD呈高阻狀態(tài)；當沖擊電壓達到一定值時(即達到火花放電電壓)，SPD的電阻突然下降變?yōu)榈椭?。常用的非線性元件有放電間隙，氣體放電管、開關型SPD（閘流管）和三端雙向可控硅元件作為這類SPD的組件。有時稱這類SPD為“短路開關型”或“克羅巴型”SPD。開關型SPD具有大通流容量(標稱通流電流和最大通流電流)的特點，特別適用于易遭受直接雷擊部位的雷電過電壓保護。(即LPZ0A—直擊雷非防護區(qū))，有時可稱雷擊電流放電器。②、電壓限制型SPD（Voltagelimiting