压敏电阻范文

导语：如何才能写好一篇压敏电阻，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：　压敏电阻；电路设计；过压防护器件

中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）1110142－02

压敏电阻器（VDR），简称压敏电阻，是一种电压敏感元件，其特点是在该元件上的外加电压增加到某一临界值（压敏电压值）时，其阻值将急剧减小。压敏电阻器的电阻体材料是半导体，所以它是半导体电阻器的一个品种。现在大量使用的“氧化锌”（ZnO）压敏电阻器，它的主体材料有二价元素（Zn）和六价元素氧（O）所构成。所以从材料的角度来看，氧化锌压敏电阻器是一种“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体”。

文字符号：“RV”或“R”

结构——根据半导体材料的非线性特性制成的。

1　压敏电阻的特性及关键参数

1.1　压敏电阻的特性

压敏电阻器的电压与电流不遵守欧姆定律，而成特殊的非线性关系。当两端所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻器的电阻值接近无穷大，内部几乎无电流流过；当两端所加电压略高于标称额定电压值时，压敏电阻器将迅速击穿导通，并由高阻状态变为低阻状态，工作电流也急剧增大；当两端所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻器又恢复为高阻状态；当两端所加电压超过最大限制电压值时，压敏电阻器将完全击穿损坏，无法再自行恢复。

1.2　压敏电阻的关键参数

1.2.1　压敏电压

压敏电压即击穿电压或阈值电压。一般认为是在温度为20度时，在压敏电阻上有1mA电流流过的时候，相应加在该压敏电阻器两端的电压值。压敏电压是压敏电阻I－U曲线拐点上的非线性起始电压，是决定压敏电阻额定电压的非线性电压。为了保证电路在正常的工作范围内，压敏电阻正常工作，压敏电压值必须大于被保护电路的最大额定工作电压。

1.2.2　最大限制电压

最大限制电压是指压敏电阻器两端所能承受的最高电压值。通俗的解释是：当浪涌电压超过压敏电压时，在压敏电阻两端测得的最高峰值电压，也叫最大钳位电压。为了良好的保证被保护电路不受损害，在选择压敏电阻时，压敏电阻的最大限制电压，一定要小于电路额定最大工作电压（采用多级防护时，可另行考虑）。

1.2.3　通流容量

通流容量也称通流量，是指在规定的条件（以规定的时间间隔和次数，施加标准的冲击电流）下，允许通过压敏电阻器上的最大脉冲（峰值）电流值。

通常产品给出的通流量是按产品标准给定的波形、冲击次数和间隙时间进行脉冲试验时产品所能承受的最大电流值。而产品所能承受的冲击数是波形、幅值和间隙时间的函数，当电流波形幅值降低50％时冲击次数可增加一倍，所以在实际应用中，压敏电阻所吸收的浪涌电流应大于产品的最大通流量。

压敏电阻所吸收的浪涌电流幅值应小于手册中给出的产品最大通流量。然而从保护效果出发，要求所选用的通流量大一些好。在许多情况下，实际发生的通流量是很难精确计算的，则选用2－20kA的产品。如手头产品的通流量不能满足使用要求时，可将几只单个的压敏电阻并联使用，并联后的压敏电压不变，其通流量为各单只压敏电阻数值之和。要求并联的压敏电阻伏安特性尽量相同，否则易引起分流不均匀而损坏压敏电阻。

1.2.4　电压比

电压比是指压敏电阻器的电流为1mA时产生的电压值与压敏电阻器的电流为0.1mA时产生的电压值之比。

1.2.5　残压比

流过压敏电阻器的电流为某一值时，在它两端所产生的电压称为这一电流值为残压。残压比则的残压与标称电压之比。

1.2.6　漏电流

漏电流也称等待电流，是指压敏电阻器在规定的温度和最大直流电压下，流过压敏电阻器的电流。漏电流越小越好。对于漏电流特别应强调的是必须稳定，不允许在工作中自动升高，一旦发现漏电流自动升高，就应立即淘汰，因为漏电流的不稳定是加速防雷器老化和防雷器爆炸的直接原因。因此在选择漏电流这一参数时，不能一味地追求越小越好，只要是在电网允许值范围内，选择漏电流值相对稍大一些的防雷器，反而较稳定。

2　压敏电阻在电路设计中的典型应用

压敏电阻被广泛应用于电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等。以下是压敏电阻电路应用中的几个典型实例。

2.1　电路输入过压保护

大气过电压由于雷击引起，大多数属于感应性过电压，雷击对输电线路放电产生的过电压，这种过电压的电压值很高，可达100～10000V，造成的危害极大。因此对于必须对电气设备采取措施防止大气过电压。可以采用压敏电阻器。一般采用与设备并联。如果电气设备要求残压很低时，可以采用多级防护。

2.2　防止操作过电压防护电路

操作过电压是电路工作状态突然变化时，电磁能量急剧转化，快速释放时产生的一种过电压，防止这种过电压可以用压敏电阻器保护各种电源设备、电机等。图2为压敏电阻防止操作过电压的一个例子。

2.3　半导体器件的过压保护

为了防止半导体器件工作时由于某些原因产生过电压时被烧毁，常用压敏电阻加以保护，图3所示电路中，在晶体管发射极和集电极之间，或者在变压器的一次连接压敏电阻，能有效地保护过电压对晶体管的损伤。在正常状态下，压敏电阻呈高阻态，只有很想的漏电流，而当承受过电压时，压敏电阻迅速变成低阻状态，过电压能量以放电电流的形式被压敏电阻吸收，浪涌电压消失以后，当电路或元件承受正常电压时，压敏电阻又恢复到高阻状体。对于二极管和晶闸管来说，一般将压敏电阻和这些半导体元件并联或者于电源并联，而且应满足两个要求：一是重复动作的方向电压要大与压敏电阻的残压，二是非重复动作的反向电压也要大于压敏电阻的残压。

2.4　接触器、继电器防护器

当切断含有接触器，继电器等感性负载的的电路时，其过电压可以超过电源电压的数倍，过电压造成接点间电弧和火花放电，烧损触头，缩短设备寿命。由于压敏电阻在高电位的分流作用，从而保护了触点。压敏电阻和线圈并联时，触点间的过电压等于电源电压与压敏电阻残压之和，压敏电阻吸收的能量为线圈存储的能量，压敏电阻与触点串联时，触点的过电压等于压敏电阻的残压，压敏电阻吸收的能量为线圈存储能量的1.2倍。

3　压敏电阻应用注意事项

1）压敏电阻的响应时间为ns级，比空气放电管快，比TVS管稍慢一些，一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求。

2）压敏电阻的结电容一般在几百到几千pF的数量级范围，很多情况下不宜直接应用在高频信号线路的保护中，应用在交流电路的保护中时，因为其结电容较大会增加漏电流，在设计防护电路时需要充分考虑。压敏电阻的通流容量比TVS管大，但比气体放电管小。

3）压敏电压的参数选择。一般地说，压敏电阻器常常与被保护器件或装置并联使用，在正常情况下，压敏电阻器两端的直流或交流电压应低于标称电压，即使在电源波动情况最坏时，也不应高于额定值中选择的最大连续工作电压，该最大连续工作电压值所对应的标称电压值即为选用值。对于过压保护方面的应用，压敏电压值应大于实际电路的电压值，一般应使用下式进行选择：

式中：a为电路电压波动系数，一般取1.23；v为电路直流工作电压（交流时为有效值）；b为压敏电压误差，一般取0.85（实际取值参照产品数据手册）；c为元件的老化系数，一般取0.9。

这样计算得到的V（1mA）实际数值是最大直流工作电压的1.5－2倍，在正弦交流状态下还要考虑峰值，因此计算结果应扩大 倍。信号线1.2-1.5倍。

4）必须保证在电压波动最大时，连续工作电压也不会超过最大允许值，否则将缩短压敏电阻的使用寿命。

5）在电源线与大地间使用压敏电阻时，有时由于接地不良而使线与地之间电压上升，所以通常采用在线与线间大地使用场合采用更高标称电压的压敏电阻器。

6）最大限制电压。选用的压敏电阻的残压最大允许电压一定要小于被保护物电路的最大承受电压耐压水平Vo，否则便达不到可靠的保护目的，通常冲击电流Ip值较大。

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关键词：会计管理 发展 应用

在企业经济管理系统中，会计是其中一项重要的工作内容。一般来说，会计主要以货币为基本计量单位，通过对经济信息的搜集与处理，从而对企事业的资金与经济进行价值核算与全方位的指导管理，以促进企事业的经济效益为根本。

一、会计管理在企业中的发展

众所周知，我国的会计管理工作开始得很早，但是对该领域的研究却很晚。进入上世纪80年代后，随着改革开放我国各项事业飞速发展，会计管理的研究工作在20多年的时间内，取得了长足的发展，　在会计管理的理论方面和会计管理的时间方面都取得了很多成就。进入新世纪以来，世界范围内的经济大格局发生了深刻的改变，经济大环境也发生了改变，全球范围内竞争变得更加激烈，再加上知识经济时代的全面到来，计算机技术、实时通信技术等高新技术不断地被应用到现代企业的经营中来，促使当前企业会计管理工作发生了深刻的改变，作业成本法、　全面质量控制法等先进的会计管理方法不断被应用到企业中来，这也促成了我国企业在会计管理工作上的转变和改革。

（一）财务会计管理工作在企业管理工作中处于中心地位

会计管理工作在企业的发展中十分重要，影响着企业的经济，所以对企业经济的预测十分有帮助。在当前，企业会计管理工作处于企业管理工作的中心部分。现代企业管理工作中，财务会计管理工作越来越成为企业的基本经济管理工作，众多企业在生产经营和发展的过程中，不断提高自身的市场竞争力和现代化管理水平，　这也导致现代企业在资金管理上的难度越来越大。　再加上当前企业自负盈亏、自主管理，企业财务会计管理工作越来越成为当前企业管理工作的重要部分，处于中心地位。

（二）财务会计管理工作在企业资金管理中的重要地位

财务会计管理工作的水平将很大程度上影响企业资金的正常运转，维系着企业的发展和生存，但是很多企业在财务会计管理方面工作不力，经常出现资金链短缺的现象，阻碍了企业的正常发展。　财务会计管理工作在当前企业中起着越来越重要的作用，　做好财务会计管理工作，能够加强对企业的财务管理，降低企业的生产成本和费用，从而帮助企业实现经济效益的提高。

（三）财务会计管理工作中对网络化管理的要求越来越高

当前，随着各种现代科学技术的发展，网络技术被广泛应用到众多的行业之中，企业会计管理领域也不例外。在网络化管理工作中，要使用当前最新的网络化技术协调好企业财务管理工作和其他工作，　使现实企业资金合理化流动，帮助企业实现效率管理，科学管理。

二、会计管理在现代企业中的应用

（一）促进企业组建

现代企业会计管理的一个主要目的就是要促进企业的顺利组建。由于现代企业制度不同于企业的其他组织形式，因此，　无论是国外还是国内，政府管理部门都对现代企业的设立和组建作出了严格的规定和条件限制。因此，　只有具备了要求，　并经有关主管部门的审查批准后，　企业的组建和设立才能完成。在企业的组建过程中，　会计主要是对出资者的资产予以评估，　得出评估和验资报告，　并编制盈利报告，　目的是吸引潜在的投资者投资入股，　达到法定资本最低限额。总之，在这个阶段，要通过提供这样的会计信息，沟通企业与投资者、潜在投资者的关系，　为企业建立提供条件。

（二）促进企业有效运行

企业一经成立，就要进行经营。在经营阶段，现代企业会计管理的重要目的就是促进企业的有效运行，　即促进企业求发展、求效益。为保证企业的正常经营、不断发展和高经济效益，　企业内外必须协调配合，　采取行之有效的措施，　方可奏效。加强会计管理工作，　是达到此目的的有力措施之一，　甚至可以说是至关重要的一环。在现代企业中，会计通过自身的管理活动，　不仅直接作用于其发展和效益，　而且运用其特殊的程序和方法，　定期或不定期地提供企业特定时期经营情况和结果的各种大量有价值的信息，　从而既可满足企业内部经营管理的需要，　保证企业经营者作出正确的决策，　同时又可以满足企业外部有关各方了解其经营过程和成果的需要。这样，　通过会计信息反馈于企业内外，　使双方形成一种合力，共同作用于企业的经营过程，　促进其高效运行。

（三）促使企业妥善解体

企业在运行终止时，　就处于解散阶段。现代企业会计管理在这个阶段的具体目标是促使企业妥善解体。虽然会计的基本假定含有持续经营这一条，但企业从建立、运行到解散是一个不可否认的过程。这也符合客观事物的发展规律。就现代企业而言，　其解一、ZnO压敏电阻接入位置分析

使用Zno压敏电阻对中性点箱位三电平高压变频器进行外部过电压保护需要考虑Zno压敏电阻接入系统中的位置，这不但要分析外部过电压发生时，ZnO压敏电阻是否能准确及时地动作，还要分析ZnO压敏电阻动作后，是否能有效限制过电压。

从保护整个高压变频器系统考虑，ZnO压敏电阻应该接于输入24脉波整流桥之前和输出滤波器之后，如上图中位置1和位置2所示；从限制直流母线过电压考虑，Zno压敏电阻应该接于直流电容与直流环节之间和逆变部分输入之前，如上图中位置3和位置4所示；从限制逆变部分相间过电压考虑，Zno压敏电阻应该接于逆变部分与输出滤波之间，如上图中位置5所示。下面对这5个接入位置进行详细的分析。

当ZnO压敏电阻接于位置1时，它能很好地限制高压变频器输入发生的过电压。

但是，它的残压将使直流电容两端电压上升，同时由于直流电容电压的上升，将使直流母线电流增大，电流变化率也相应增大，直流环节限流电感感应电压增大。如果限流电感感应电压与直流电容电压正向叠加，则可能会导致逆变部分输入过电压。因此，当ZnO压敏电阻接于位置1时，它不能对高压变频器进行有效的过电压保护。

当ZnO压敏电阻接于位置2时，它能很好地限制高压变频器输出发生的过电压。但是，它的残压将使系统电流增大，电流变化率也相应增大，导致输出滤波电感感应电压增大。如果输出滤波电感感应电压与ZnO压敏电阻残压正向叠加后，再通过逆变部分IGCT反并联二极管整流对直流环节箱位电容充电，则可能会导致逆变部分输入过电压。因此，当ZnO压敏电阻接于位置2时，它不能对高压变频器进行有效的过电压保护。

当ZnO压敏电阻接线位置3时，它能很好地限制直流电容两端的电压。但是，如果ZnO压敏电阻处于工作状态，直流电容两端电压上升为ZnO压敏电阻的残压，将使直流母线电流增大，电流变化率也相应增大，直流环节限流电感感应电压增大。如果限流电感感应电压与直流电容电压正向叠加，则可能会导致逆变部分输入过电压。

因此，当ZnO压敏电阻接于位置3时，它不能对高压变频器进行有效的过电压保护。当ZnO压敏电阻接于位置4时，不管是发生输入过电压还是输出过电压，它都能直接对逆变部分输入电压进行抑制，只要设计的Zno压敏电阻工作时的残压低于逆变部分耐压，就能对逆变部分进行有效的过电压保护。因此，当ZnO压敏电阻接于位置4时，它能对高压变频器进行有效的过电压保护。

当ZnO压敏电阻接于位置5时，它能有效地限制高压变频器输出发生故障时引起的相间过电压情况。比如高压变频器输出AB两相发生相间短路，由于短路两相电流突然变化，电流变化率很大，从而输出滤波电感感应电压增大，可能会导致AB两相相间过电压，而处于位置4的ZnO压敏电阻只能保护逆变部分输入过电压，而不能保护逆变部分相间过电压，因此，有必要在位置5接入ZnO压敏电阻对逆变部分相间过电压进行保护。

综上分析，将合理设计的ZnO压敏电阻接于逆变部分输入和输出才能有效地进行外部过电压保护。

二、接线形式分析

下面详细分析ZnO压敏电阻接于位置4和位置5的接线形式。当ZnO压敏电阻接于位置4时，有以下两种接法：一是直流正、负母线分别接一只Zno压敏电阻接地；二是一只Zno压敏电阻直接接于直流正负母线之间，与逆变部分并联。对于第一种接法，ZnO压敏电阻两端参考电压为直流正母线对地电压或直流负母线对地电压。由于中性点箱位三电平高压变频器直流环节本身没有接地点，其中性点电压不为零，只要保证逆变部分输入直流正、负母线间的电压在一个确定的范围内就能使高压变频器正常工作。但是，如果因为控制策略等原因造成的中性点漂移可能会使直流正母线对地电压或直流负母线对地电压高于ZnO压敏电阻标称电压，而直流正、负母线间的电压又可能处于正常工作范围，这就会导致ZnO压敏电阻误动作。

此外，这种接法虽然可以保证大电流不会对逆变部分造成危害，但是可能会引起较大的负载电动机共模电压，危害电动机安全；同时，高压变频器系统相对于电网而言处于对地放电状态，相当于接地短路，工作不正常。对于第二种接法，ZnO压敏电阻两端参考电压为直流正负母线间电压，能直流反应逆变部分输入过电压情况，有利（下转180页）　（上接183页）于电压保护。当过电压达到Zno压敏电阻标称电压时，ZnO压敏电阻开始工作，大电流通过Zno压敏电阻直接从一条直流母线流向另一条直流母线，不会对负载电动机造成影响，也不会对逆变部分造成影响，整个高压变频器系统相对于电网而言没有发生故障，只是负载发生了变化。因此，当ZnO压敏电阻接于位置4时，采用一只ZnO压敏电阻直接接于直流正负母线之间的形式能实现高压变频器过电压保护的目的，同时也不会对高压变频器正常工作和负载电动机带来不良影响。

当ZnO压敏电阻接于位置5时，Zno压敏电阻是对逆变部分输出三相交流方波电压或者由于故障导致的三相正弦电压进行过电压保护，主要有以下三种接法：一是三只zno压敏电阻三相星形连接；二是四只ZnO压敏电阻三相四线制星形连接；三是三只ZnO压敏电阻三相三角形连接。

对于三相星形接法，任意两只ZnO压敏电阻所承受的电压为逆变部分输出线电压。为了达到良好的过电压保护效果，要求三只ZnO压敏电阻各项性能参数完全相同。

当某两相之间发生过电压情况时，要求这两相之间串联的两只ZnO压敏电阻能同时进入工作状态并且具有相同大小的残压。然而，对于ZnO压敏电阻而言，很难保证串联的ZnO压敏电阻动作之后的残压值是相同的，增加了Zno压敏电阻设计制造难度，不易实际应用。

对于三相四线制星形接法，它与三相星形接法的不同在于多了一只从公共点接地的Zno压敏电阻。为了达到良好的过电压保护效果，它同样要求四只Zno压敏电阻的性能参数完全相同。当某两相发生故障而造成与该两相相连的ZnO压敏电阻工作时，公共点的电压值会因为这两只ZnO压敏电阻的工作而发生变化，这可能导致三种情况：一是接地ZnO压敏电阻由于公共点电压提升到标称电压而进入工作状态，扩大事故影响；二是正常相因为公共点电压提升而出现过电压情况，造成正常相Zno压敏电阻也进入工作状态，扩大事故影响；三是如果正常相随后也出现过电压情况，由于公共点电压的提升，与它们连接的ZnO压敏电阻两端电压未达到标称电压而导致Zno压敏电阻没有及时动作，而造成被保护设备过电压损坏。因此，三相四线制星形接法不能对高压变频器进行有效的过电压保护。

对于三相三角形接法，每只Zno压敏电阻独自承受逆变部分输出线电压，它们之间没有相互影响，三只ZnO压敏电阻各项性能参数要求基本相同。只要合理设计ZnO压敏电阻的性能参数，就能达到对高压变频器进行过电压保护的目的。

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关键词：电涌保护器响应时间冲击电流防雷保护

一、前言

电涌保护器(SPD)是抑制由雷电、电气系统操作或静电等所产生的冲击电压，保护电子信息技术产品必不可少的器件。随着各种电子信息技术产品越来越多地渗入到社会和家庭生活的各个领域，SPD的使用范围日益扩大，市场需求量日益增长。

总的来说，电子信息技术产品的过电压保护还是一个新的技术领域，两相关于SPD的国际标准IEC61643-1和IEC61643-21发表才几年，有关SPD应用中的许多问题还存在着争议，本文就其中的4个问题提出笔者个人的看法，以期引起讨论。它们是：SPD的响应时间，多级SPD的动作顺序，不同波形冲击电流的等效变换以及SPD的残压与冲击电流峰值的关系。最后对SPD应用中各个电压之间的相互关系作了说明。

二、SPD的响应时间

不少人错误地认为，响应时间是衡量SPD保护性能的一个重要指标，制造厂也在其技术资料中列明了这一参数，但许多制造厂并不知道它的确切含义，也未进行过测量。一个流行的观点是，在响应时间内，SPD对入侵的冲击无抑制作用，冲击电压是"原样透过"SPD而作用在下级的设备上。这不符合SPD的是工作情况，是错误的。

SPD中对冲击过电压起抑制作用的非线性元件，按其工作机理可区分为"限压型"（如压敏电阻器、稳压二极管）和"开关型"（如气体放电管、可控硅）。

氧化锌压敏电阻器是一种化合物半导体器件，其中的电流对于加在它上面的电压的响应本质上是很快的。

那么，以前的技术资料中所说的用压敏电阻构成的SPD响应时间r≤25ns是怎么回事呢？

这是技术标准IEEEC62.33-1982[2]中定义的响应时间，它是一个用来表征"过冲"特性的物理量，与通常意义上的响应时间是完全不同的另外一个概念。为了说明这一点。

IEEEC62.3(6.3)电压过冲（UOS）。在冲击电流波前很陡、数值又很大时，测量带引线压敏电阻的限制电压的结果表明，它大于以8/20标准波时的限制电压。这种电压增量UOS称作"过冲"。尽管压敏电阻材料本身对陡冲击的响应时间有所不同，但差别不大。造成过冲的主要原因是在器件的载流引线周围建立起了磁场，该此磁场在器件引线和被保护线路之间的环路中，或者在引线与模拟被保护线路的测量电路之间的环路感应出电压。

在典型的使用情况下，一定的引线长度是不可避免的，这种附加电压将加在压敏电阻器后面的被保护线路上，所以在冲击波波前很陡而数值又很大的条件下测量限制电压时，必须认识到电压过冲对于引线长度和环路耦合的依赖关系，而不能把过冲作为器件内在的特性来看待。

近几年来发表的国际电工委员会关于SPD的技术标准IEC61643-1和IEC6163-21都没有引入响应时间这一参数：IEEE技术标准C62.62-2000[]更明确指出，波前响应的技术要求对SPD的典型应用而言是没有必要的，可能引起技术要求上的误导，因此如无特别要求，不规定该技术要求，也不进行试验、测量、计算或其他认证。这是因为：

（1）对于冲击保护这一目的而言，在规定条件下测得的限制电压，才是十分重要的特性。

（2）SPD对波前的响应特性不仅与SPD的内部电抗以及对冲击电压起限制作用的非线性元件的导电机理有关，还与侵入冲击波的上升速率和冲击源阻抗有关，连接线的长短和接线方式也有重要影响。

笔者认为，对于电源保护用SPD，以下三项技术指标是重要的：①限制电压（保护电平）；②通流能力（冲击电流稳定性）；③3连续工作电压寿命。

三、多级SPD的动作顺序

当单级SPD不能将入侵的冲击过电压抑制到规定保护电平以下时，就要采用含有二级、三级或更多级非线性抑制元件的SPD。

非线性元件Rv2和Rv2都是压敏电阻，实用中RV1也可以使气体放电管，Rv2也可以是稳压管或浪涌抑制二极管（TVS管）。两极之间的隔离元件Zs可以是电感Ls或电阻Rs，若RV1和RV2的导通电压分别是Un1和Un2，所选用的元件总是Un2>Un1。

有人认为，当入侵冲击波加在X-E端子上时，总是第一级RV1先导铜，然后才是第二级。实际上，第一级或第二级先导通都是可能的，这取决于以下因素：

(1)入侵冲击波的波形，主要是电流波前的声速（di/dt）；

(2)非线性元件Rv1和RV2的导通电压Un1和Un2的相对大小；

(3)隔离阻抗Zs的性质是电阻还是电感，以及它们的大小。

当Zs为电阻Rs时，多数情况是第二级先导通。第二级导通后，当冲击电流I上升到iRs＋Un2≥Un1是第一级才导通。第一级导通后，由于在大电流下第一级的等效阻抗比Rs加第二级的等效阻抗之和小得多。因而大部分冲击电流经第一级泄放，而经第二级泄放的电流则要小得多。若第一级为气体放电管，它导通后的残压通常低于第二级的导通电压Un2，于是第二级截止，剩余冲击电流全部经第一级气体放电管泄放。

若Zs为电感Ls，且侵入电流一开始的上升速度相当快，条件Ls(di/dt)＋Un2>Un1得到满足,则第一级先导通。若第一级导通时的限制电压为Uc1(1),则以后随着入侵冲击电流升速(di/dt)的下降，当条件UC1(1)≥Ls(di/dt)＋Un2得到满足时，第二级才导通。第二级导通后，将输出端Y的电压，抑制在一个较低的电平上。

四、不同波形冲击电流的等效变换

SPD的冲击电流试验会碰到诸如8/20、10/350、10/1000或2ms等不同波形，那么从对于SPD的破坏作用等效的角度看，如何进行不同波形冲击电流的峰值换算，有人主张按电荷量相等的原则进行换算。按照这一原则，只要将两种不同波形的电流波对时间积分，求得总的电荷量，令两个电荷量相等，就可得到两种波的电流峰值之间的比例关系了。这种变换方法与泄放冲击电流的元件没有一点关系，显然是不切合实际的。还有人主张按能量相等的原则进行换算。按照这一原则，不仅要知道两个电流波形，还要知道当这两个电流波流入电压抑制元件时，该元件两端限制电压的波形，然后将各个时刻对应的电流值和电压值相乘而得出功率波，再将功率波对时间积分得出能量，令两个能量值相等，就可得到两个电流峰值之间的比例关系了。这种变换方法考虑到了具体的非线性元件，但没有考虑冲击电流的热效应和电流值很大时的电动力效应。实际上就氧化锌压敏电阻而言，它能承受的8/20冲击电流的能量比承受2ms时的能量大。该图表明了厚度为1.3mm的早期压敏电阻样品能承受的冲击电流能量随电极面积的变化。可见，能量相等的原则至少对压敏电阻是不适用的。

对氧化锌压敏电阻在大电流下破坏机理的研究得出了下述结果[4]；在大电流作用下，压敏电阻的破坏模式有两种，当大冲击电流的时间宽度不大于50μs时（例如4/10和8/20波），电阻体开裂；当电流值较小而时间宽度大于100μs时（例如10/350、10/1000和2ms波），电阻体穿孔。两种不同破坏模式可以这样解释：时间很短的大电流在电阻体内产生的热量来不及向周围传导，是个绝热过程，加上电阻体的不均匀使电流的分布不均匀，这样电阻体不同部位之间的温差很大，形成很大的热应力而使电阻体开裂。当冲击电流的作用时间较长时，电阻体不均匀造成的电流集中，使电阻体材料熔化而形成穿孔。

使用压敏电阻体破坏的电流密度J(A·cm-2)与冲击电流波的时间宽度r（μs）之间的关系，在双对数坐标中大体为一条斜率为负值的直线，因而可用下面的方程式来表达：

logJ=C－Klogr

式中，C和K是与具体器件相关的两个常数，可以根据实验资料推算出来，于是就可以计算出这种产品能够承受的不同波形冲击电流的峰值了。

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关键词：煤矿；供电；电源；浪涌；过电压

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.13.042

1 浪涌过电压形成的原因

1.1 大气浪涌过电压

大气浪涌过电压是自然界大气中的雷云对地面附近的物体或电气设备直接放电，通过电力系统侵入而形成浪涌电压。它分为直击雷浪涌电压和感应雷浪涌电压。直击雷浪涌电压可达数百万伏，电流可达十多万安，危害巨大；感应雷浪涌电压幅值也非常大。

1.2 内部浪涌过电压

内部浪涌过电压是在电力系统运行过程中，由于开关控制设备的操作或短路等引起系统的某些参数发生变化，使电力系统发生突变，在供电系统上或某些设备上出现瞬间过电压。内部浪涌过电压一般为额定电压的2.5～4倍。内部浪涌过电压根据产生的原因可分为操作浪涌过电压、谐振过电压和电弧接地浪涌过电压等。开关设备切断电路的电感负载时，会在电感电路中出现感应电动势；切断空载的线路或并联的电容器组时，若断路器熄弧能力差，可引起电感、电容电路的振荡，产生过电压。

2 防止浪涌过电压应采取的措施

煤矿供电防止浪涌过电压的措施有二个方面，一是对落雷引起的大气浪涌过电压的侵入防护和煤矿供电系统内部过电压的防护。对大气浪涌过电压侵入的防护是通过设置完善的避雷系统，如在矿井供电入口处装设避雷器。消除内部浪涌过电压的方法是在电路中设置阻容吸收和并联接入压敏电阻器等。

2.1 大气浪涌过电压防治措施

大气浪涌过电压的防止措施一个根本原则，是把雷电发生时瞬间聚集的能量通过大地这个良好的导体释放掉。可以通过安设良好的避雷网及在线路端安装避雷器，从建筑物规划设计及内部布局时就开始考虑：

①尽可能增加建筑物外部的下导电金属体使雷电电流有更多的分流途径；②外置设备如天线、空调等尽量置于避雷网450角内的保护区；

③ 接地时接地点应尽量集中，如电源线、电话线、水管等应与避雷网接入同一“地”；④ 室内布线应注意屏蔽，特别是数据线，这样可以尽可能减少瞬间过电压的影响。

2.2 内部浪涌过电压的防治措施

2.2.1 阻容（RC）吸收电路

主要利用电容器C两端电压不能突变的原理，使过电压被消除，把过电压的陡度和幅值降低在设备允许的电压范围内；电阻器R的作用是一方面在过电压出现时进行限流，另一方面也是限制电容器C与电路中的电感可能产生的较高的振荡电压，从而保护电气设备。阻容（RC）吸收电路一般并接入低压开关的负荷侧。

为了保证安全保护器件的电压电平按下式确定：

Um≤Up≤Ush

式中：Um--供电线路正常工作的最大电压，V；

Up-保护器件的电压保护电平，V；

Ush-被保护电气设备能承受的冲击耐压，V。

2.2.2 压敏电阻的保护

压敏电阻器是利用该半导体元件的压敏特性，当电压较低时，电阻较大，通过压敏电阻器的电流为漏电流；电压升高一定值时，电阻减小，通过压敏电阻口碑 电流大幅度，抑制压敏电阻器两端的电压。当电压恢复正常后电阻器也恢复高阻状态，电路又恢复正常的工作状态。现在大量使用的是氧化锌压敏电阻器。它的电压范围有几伏至几千伏，通流量大小从几安到上百千安不等。压敏电阻器一般是一端接高压开关上的隔离开关之后断路器之前，另一端与接地良好端联接，若出现过电压，压敏电阻器将有效地发挥作用，它将电路产生的过电压削减在2.6倍的额定电压内。过电压保护器件都采用星形按法接入电路，所以保护电路中电容和压敏电阻器的耐压为相电压，按产生过电压时它们的相电压的2～4倍计，确定保护器件的持续运行电压（额定电压）Uc可按额定电压2倍选择。

3 解决措施

3.1 矿井地面部分

安装浪涌保护器。浪涌保护器 （Surge protection Device）是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，过去常称为“避雷器”或“过电压保护器”，英文简写为 SPD。电涌保护器的作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入大地，保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。

在正常情况下，电涌保护器外于极高的电阻状态，漏流几乎为零，保证电源系统正常供电。当电源系统出现浪涌过电压时，电涌保护器立即在纳秒级的时间内迅速导通，将该过电压的幅值限止在设备的安全工作范围内。同时把该过电压的能量释放掉。随后，保护器又迅速的变为高阻状态，因而不影响电源系统的正常供电。

3.2 井下部分

由于矿井井下供电系统中性线不接地，电源在入井处已经加强了防范线路过电压的措施，并且井下的高压供电的保护装置也具有防止过电压的措施，只是低压供电容易产生内部过电压。要解决此类问题，在设备问题选型时，就要考虑电源的安全性。选用适应电压范围宽且具有过电压保护功能的设备。井下设备防过电压常用措施有：

①选用设计安装有压敏限幅型元件的设备，它可以限制浪涌过电压，对井下耐冲击电压水平较高的电气设备的防护效果比较好。②加强对低压O备的防护，煤矿设备内部的二次侧负载与电源间都串入隔离变压器，除提供安全电压外，还可以隔绝高频尖峰干扰，保证次级电压电位的变动小。③引用吸收法，设备用吸波器件将浪涌尖峰干扰电压吸收掉，减少对电网线路的影响。煤矿井下大功率控制设备内都安装有吸波器件装置，对真空接触器产生的过电压有较好的抑制作用。④加强设备的绝缘。如手持式的设备在把手上加一层绝缘套，以形成双重保护防止过电压产生对人体的危害。

4 结束语

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随着信息科学技术的发展，以大规模集成电路为核心的通信设备广泛应用，与分立元器件设备相比较，体积小，功耗小，运行速度快，故障率低，便于维护管理。但工作电压低，绝缘强度低，承受过电压能力弱，属于低电平、微电流系列的电子设备。当受到电网过电压或雷电干扰时，往往给电子通讯设备带来较大的损坏。据有关资料统计，过电压对电子通信设备造成的故障损坏占到总事故的30％～40％。因此加强通信设备的过电压防护，降低设备故障率，就成为通信维修工作的重中之重。

通信电源防止过电压

可靠的电源是通信设备安全运行的基础，没有一个良好的电源系统，通信设备的安全运行就无从谈起。首先要消除雷电干扰引起的过电压对通信电源的影响．在机房配电屏或整流器的输入端、三相对地加装金属氧化物避雷器(主要材料为氧化锌压敏电阻器)。直流电源的正极在电源设备侧和通信设备侧均接地，负极在电源机房侧和通信机房侧接压敏电阻。压敏电阻器具有吸能本领大，限制电压低，响应速度快等特点，如不出现重大雷电事故，压敏电阻可重复使用。金属氧化物避雷器是切断雷电干扰过电压侵入通信设备电源的主要措施，其次使用的通信稳压电源设备，机内应有分级防雷保护措施。

通信线路防止过电压

各种通信设备的入口和出口，必须通过通信电缆与用户发生联系，为方便配线，应设置保安配线柜(架)。有的公司、厂没有安装带有保安单元配线柜，用一个分线箱就进行出线、入线的汇接，极易造成通信设备的损坏。电力通信的特点是容量小，可靠性高，通信电缆沿电力杆路架设，强电、强电磁场干扰的概率大。尤其是在住宅区，通信音频电缆和电话线沿电力杆路与照明线同杆架设，交叉处绝缘层损坏，导致强电侵入。吊挂通信电缆的钢绞线，由于城区地形复杂、各种照明线、广告灯箱线交错，容易引起强电侵入或干扰。雷电干扰或10kV、35kV线路故障、产生电流突变时，就会产生瞬变强电磁场，造成对通信线路的强电磁感应过电压。某公司就发生过程控电话交换机大面积烧坏、停运的故障，因此，通信电缆进入机房必须接入保安配线柜。保安配线柜应装有抑制电缆线对横向纵向、纵向对过电压、过电流的限幅装置。

压敏电阻或固体(气体)放电管与正温度系数热敏电阻(PTC)，构成响应速度快，抑制过电压能力强，通流量大的保安单元。当部分通信线路遭受到雷电干扰或与电力线接触时，固体(气体)放电管放电(或压敏电阻限幅)将高压入地，使危险电压降低到安全范围。如线路遭受幅值在350mA以上电流时，PTC的阻值会迅速增加，使线路呈现高阻(断开)状态，回路电流幅度减小，保护了室内通信设备。

防止静电引起的过电压

静电是由物质或人体活动的动能转换而来的，静电电量很小，但电位很高，静电能量累积到一定程度就足以干扰和损坏通信设备。静电引起的过电压，主要通过静电对设备器件或集成电路放电，或引起地电位变化。设备发生的一些不明原因的故障与此有关，造成的设备故障随机性强，不易发现处理。

通信设备的接地

通信设备的接地，一般分为两类：保护人员和设备不受损害的A类是保护接地。保障设备安全运行的B类是工作接地，通信设备的接地，能起到分流、均压、屏蔽等作用。是为各种干扰过电压、过电流的泄放，提供一个通路，是各种过电压、过电流保护的基础，因此要引起足够的重视。规程规定：通信局(站)的接地方式，应按联合接地的原理设计，即常说的单点接地方式。其优点一是容易获得较小的接地电阻，二是可以避免因接地之间的电位差产生干扰影响，三是起到屏蔽作用。

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关键词：电能表；计量故障；原因；控制策略

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.03.182

现代科技的进步，推动了电能表设计水平的提高，然而，其实际运行中依然会出现各种计量问题，必须加大对电能表计量维护力度，找到计量故障产生的原因，采取科学有效措施来防范故障问题，维护电能表的正常运转，确保其计量功能得以有效发挥。

1 电能表计量故障发生原因

1.1 用电容量过大

用户用电量超出常规范围，使电能表无法承受，最终走向毁坏。此现象多发生在偏远落后山区，其所采用电能表量程过小，或者非法分子自做手脚，导致电能表计量能力失常，由于缺少科学用电知识，随意运用超大功率电气设备，导致电能表超负荷工作，超出其正常的计量范围，从而引发其中的继电器触点变形、烧毁等问题，导致计量故障。

1.2 电能表材料质量低下

电能表自身材质、质量如果达不到合格标准，也容易造成内部元件的损毁，计量失常问题。电能表中最为脆弱的设备为：电解电容器，因为其运行易受其所处环境温度的影响，温度达到零下6度时，电解电容器的正负极板将无法有效集聚电荷，影响电压正常形成，造成极板间电压急剧下降，从而引发电表中的电压也失常，从而影响计量芯片的常规计量，进而引发了计量故障。

1.3 不科学的设计

电能表是一个高精度、高技术的电能计量设备，其由多种元件、设备结构而成，任何一个元件如果未能常规科学地设计，都可能导致计量失误。例如：最为关键的计量芯片，其参数匹配设计，芯片选型等都可能影响计量芯片计量功能的发挥。

1.4 恶劣环境的影响

经过长期的科学实践证明，恶劣的外界环境会对电能表计量带来一些影响。特别是当电能表所处环境温度过低时，会导致计量失准，温度问题是一个原因，其他因素还包括恶劣的自然条件，例如：雷电袭击、雾霾空气污染等，恶劣的自然环境会加剧电能表的腐蚀和破坏，影响其精准计量。

1.5 人为破坏问题

人为破坏是另一大主要问题，不法分子为了减少电费支出，想法设法在电能表上做手脚，通过破坏电能表内部构造、改变计量等方式，引发人为破坏问题，进而导致了严重的电能计量故障。

2 电能表常见的计量故障与解决对策

2.1 故障现象

电能表未出现正常的脉冲信号，计量功能暂停，导致原本应该计量的电能无故消失。导致这一故障问题的原因关键在于计量芯片，其可能存在破损问题。

当前多数采用电子式单相电能表，其计量功能的发挥在很大程度上取决于计量芯片。由于计量芯片质量低下、不科学的设计、损坏问题等所导致的计量失准、电量消失等问题已成关键，实际的电能表工作过程中，由于受到内外因素的干扰，例如：雷击因素、风力因素等，也会对计量带来一定威胁，在计量芯片设计参数不合理状态下，会加剧故障的发生。目前，我国电能表中所采用集成芯片，具有测量精准、科学等优势，芯片内含两路模数转换器，这种集成芯片通常对静电放电相对敏感，在电气设备出现大规模的静电放电问题时，芯片内部器件很容易受损。对此可以看出，必须加大对芯片参数的设计与调整，同时加大防静电力度，维护器件功能。

解决对策：科学优选芯片的参数匹配，优化设计，实现参数匹配，才能从根本上保护电能表安全，防范外力袭击。这其中最为关键的是电源电路中压敏电阻的配备。实际的电子电路，受到外界雷击时，如果其中出现过电压，则将加剧电路腐化速度，影响电路正常运转，导致计量失误、失准等问题。可以将压敏电阻设置于电源电路，以此控制电路过电压问题，维护整个电能表系统的安全，然而其中的弱点体现为：当流经压敏电阻中的电流过大，超出其自身可以吸收的界限时，则可能出现压敏电阻击穿短路等问题，从而带来故障，甚至导致压敏电阻自身的熔断故障，对此则要重点优选压敏电阻，具体体现为：（1）所选压敏电阻，其峰值电流必须达到一定指标，在8000A以上，保证其安全运行、低成本投入；（2）电子元件。实际装配过程中，控制压敏电阻两侧引脚长度，因为通常情况下，引脚和电源进相端之间的距离越小，压敏电阻自身抵御过电压的能力也会增强。这是由于如果导线过长，就会出现过大的杂散电感，导致巨规模的电流在电感中产生超大的压降，导致压敏电阻限制电压也对应提高，丧失了其保护功能；（3）科学安排压敏电阻引线，使其尽量拉开同信号线之间的距离，其方向要垂直于信号线，而绝非平行，这样才能预防浪涌电流的袭击；（4）科学布线线路板。实际的线路板设计过程中，一方面需要照顾到计量芯片的功能，分析其对电磁辐射的承受力，另一方面也要照顾到其模拟信号的功能。电能表中的计量芯片承担较为繁重的任务，需要进行数据的全盘转换，同时，也要有效处理信息，必须加大科学布线力度，重点围绕特殊敏感地带实施隔离处理，发挥对芯片的安全保护功能。对此具体可以采取以下方法：把模拟电源、数字电源二者的回路有效分离，从而控制此回路的阻抗。计量芯片同敏感线路必须被安全有效地隔离开来，防止噪音或电磁的干扰。实际布线过程中，必须把模拟接地回路、数字接地回路二者分离开来，在二者间设置铁氧体，为了达到抵御电磁干扰，应该把模拟接地隔离开来。

这一过程中重点要做好铁氧体的选型，为了抵御电磁干扰，可以把分流器同铁氧体串联起来，这是由于铁氧体自身具有一定的阻塞功能，能够有效抑制静电电流，控制其上升速度，铁氧体能够有效吸收来自于雷电的高频能量，滞留住这些能量，防止其干扰其他电器元件，发挥保护功能。

2.2 故障二：电能表非正常显示，导致电量损失

现阶段，供电企业多采用电子式电能表，采用液晶显示屏来呈现电量值，实际使用过程中，常出现显示屏不显示问题，意味着电能表故障出现，会影响电量的正常计量。

故障原因：可能是计量芯片故障，该故障还可能来自于电源电路、CPU装置。

防范策略：（1）电源电路故障防范方法：加大对电能表内部元件的优选力度，优选安全稳定、性能优质、易于长期使用的电解电容；（2）CPU故障防范：安装看门狗电路，防范中央处理器的程序滞阻问题，一旦出现此问题，则将出现一个信号，其负责让CPU复位，以此来激活CPU，使其再次进入初始化状态，高速运行。或者想法设法优化CPU抵御电磁干扰性能，具体的策略：优化接地模式，对电源线、电气元件、设备等实施科学地安装、设计、布局。

2.3 故障三：电子表通讯失常

实际的接口编程或抄表操作无法正常进行，因为看不到正常显示的数据。

引发此故障的原因为：中央处理器芯片自身遭到损坏，通讯接口芯片也受到一定程度的破损。

防范策略：（1）把握好电能表配置环境，重点关注其中的光线度，明确其是否会影响红外光的接收，特殊情况下除去电能表所处环境中的光源，保持环境整洁，减少灰尘对接口的不良干扰；（2）优选芯片型号，通常RS485为首选，而且其要同数字电路部分进行光电隔离，加大对RS485输出端口的选择力度，具体把握以下几点：第一，RS485输出端口同强电端子之间要保证一定的耐压承担能力，达到4kV的标准；第二，A端子与B端子二者中间可以承受一定的电压，最大标准达到380V。

2.4 故障四：电子表出现严重的误差，超越了正常范围，电能表计量速度失常，该故障相对常见

故障原因：元件连接出现质量问题，例如：锰铜间焊接不牢，引发电流采样值失真。电压调整回路，其采样电阻发生了焊接断裂等问题。

解决对策：（1）加强输入变换电路的电阻型号选择。必须达到一定的精度、功率温度系数必须合格，保证其性能的长时间、安全发挥；（2）严格生产加工监管，重点锁定装配环节，控制电路插脚等部位出现虚焊、断焊、短路等现象；（3）提高晶振元件的质量，检查其精度合格与否，延长其使用周期，维持其功能的安全、稳定，确保其功能长期发挥；（4）加大温度管理，控制好温度的不良影响，为晶振器件创造一个良好的温度环境，确保它们功能的稳定发挥，同时，也要注意躲避强光照射，反正运转环境温度过高。

此外，必须想方设法提高电能表自身的抗干扰性能，这样才能真正控制故障的出现，具体方法就是加强数据保护，优选高质量的电能表元件，提高各项元件的质量，延长其使用周期，确保电费能够被有效地回收，同时，要定期做好电能表巡检工作，确保其计量功能的有效发挥。

3 总结

电能表计量故障问题会影响电能表正常计量功能的发挥，必须加大对电能表的管理，从其设计到元件的选配再到装配都必须按照科学的规则展开，优化电能表，发挥其使用功能，提高其计量质量，才能维持供电系统抄核收工作的正常开展，维护供电企业经济效益。

参考文献：

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随着电子设备对电源系统要求的日益提高，研究廉价的具有监视、管理供电电源功能的开关电源愈来愈显得必要。本文在综合考虑电源各种技术性能和对自身的安全要求以及开关电源性能的基础上，设计出了一种新型实用的带有过电压检测和保护装置的智能化电源。它具有以下几个特点：

（1）实际了对过电压的检测，并能记录每次过电压的瞬时值和峰值，可启动备用电源供电，实现对电子电路的保护作用。

（2）具有抗冲击能力强、使用寿命长、带液晶屏数字监视的特点，同时通过RS485通信接口与管理计算机通讯能实现“透明”电源的工作和保护等功能。

（3）能实时显示输出电压、电流的大小，过电压的次数、大小以及必要的参数设置信息。

（4）通过接口与后台或远端PC机实现数据传送。

智能化电源的核心由显示板、CPU板、通信板、备用电源板、过电压检测板、键盘、通信转接板组成。装置的关键是实现电压的峰值检测，尤其是过电压的检测。本文提出了一种基于单片机的过电压检测和峰值电压检测方法，实验证明它满足了对检测的快速性和精确性的要求。

2系统硬件设计

系统硬件框架如图1所示。在正常的情况下，220V的交流输入电压经过整流、滤波、DC/DC变换、稳压电路后可得到一个稳定的输出电压，基本上是一个开关电源；当有过电压时，过电压信号经过过电压检测电路检测和峰值电压保持电路保持，控制电源回路，断开正常工作的交流电路，同时通过计算机启动备用电源工作，以及完成对过电压的瞬时值和峰值的测量。

2.1过电压检测电路

过电压对于电源来说是一个非常有害的信号，雷电等引起的瞬时高电压如果不加遏制，直接由电源引入RTU（远程终端设备）则会影响其电源模块的正常工作，使各功能模块的工作电压升高而工作不正常，严重时会损坏模块，烧坏元器件（IC）。典型过电压形成的冲击电压脉冲如图2所示。

过电压保护的基本原理是在瞬态过程电压发生的时侯（微称或纳秒级），通过过电压检测电路对这个信号进行检测。过电压检测电路中主要的元件是压敏电阻。压敏电阻相当于很多串并联在一起的双向抑制二极管。电压超过箝位电压时，压敏电阻导通；电压低于箝位电压时，压敏电阻截止。这就是压敏电阻的电压箝位作用。压敏电阻工作极为迅速，响应时间在纳秒级。

过电压检测电路原理图如图3所示。当有过电压信号产生时，压敏电阻被击穿，呈现低阻值甚至接近短路状态，这样在电流互感器的原级产生一个大电流，通过线圈互感作用在副级产生一个小电流，再通过精密电阻把电流信号转变为电压信号；这个信号输入到电压比较器LM393后，电压比较器LM393输出高电平，经过非门A输出的控制脉冲1控制电源回路，断开开关电源电路，启动备用电源。控制脉冲2送到单片机的中断中，单片机控制回咱启动A/D转换，采样过电压的瞬时值。

2.2峰值电压采样保持电路

峰值电压采样保持电路如图4所示。峰值电压采样保持电路由一片采样保持器芯片LF398和一块电压比较器LM311构成。LF398的输出电压和输入电压通过LM311进行比较，当Vi>V0时，LM311输出高电平，送到LF398的逻辑控制端8脚，使LF398处于采样状态；当Vi达到峰值而下降时，Vi<V0，电压比较器LM311输出低电平，LF398的逻辑控制端置低电平，使LF398处于保持状态。由于LM311采用集电极开路输出，故需接上拉电阻。由过电压检测电路输出端送来的脉冲控制电路开关的导通，没有过电时采样电容放电，否则采样电路一直跟踪峰值的变化。

2.3单片机控制回路

单片机控制回路如图5所示。它的主要功能是完成对过电压的瞬时值和峰值的检测、过电压次数的检测、电源输出电压和电流的检测，并通过键盘的操作显示出各个检测值的大小；同时通过485接口和上位机实现通讯，在有过电压的时候通过控制回路启动备用电源，实现对电源本身的保护。

3软件设计

系统软件主要由主程序、键盘扫描子程序、显示子程序和通信子程序等组成。图6是主程序流程图。

主程序由初始化、看门狗置位、键盘扫描子程序、中断子程序组成。主程序主要进行分配内存单元、设置串行口等器件的工作方式和参数，为系统正常工作创造条件。在主程序运行的过程中，通过按键可以显示检测的各个量的值；同时在系统过电压和干扰信号产生时，液晶显示屏会显示提示信息，使电源实现“透明”，便于电源的管理。在本系统中，键盘采用的是由P1口组成的3×3行列矩阵式键盘。由于键盘程序的技术已经相当成熟，所以具体过程不做介绍。

图5

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关键词：同步发电机；尖峰过电压；保护方法；抑制器

中图分类号：TM331 文献标识码：A

1 可控硅换相在励磁系统交直流侧出现尖峰过电压的机理及危害在静止可控硅励磁系统中，励磁电源输出的大小由可控硅的导通角控制，在可控硅换相关断过程中，由电路中激发起电磁能量的互相转换和传递，其交流和直流侧产生了尖峰过电压。

对于换相尖峰电压引起的励磁故障，由于过电压时间短（仅几微秒），能量不集中，一般对绝缘形成不了直接击穿，多为闪络放电，形成非金属击穿，事故后绝缘能恢复，故障点不易查找。对于可控硅微秒级上升前沿的尖峰电压来说，通过变压器高低压线圈的匝间杂散电容耦合也可产生感应过电压或反射波叠加过电压。在脉冲变压器的一侧是可控硅几千伏的高压电位，另一侧是十几伏的低压电子线路，稍有一点电位扰动，就会从高压侧传到低压侧，引起电子线路的紊乱。这种在高低压悬殊的连接点、隔离点产生的感应过电压也是非可控硅电源没有的，所以励磁故障多从脉冲变处产生、发展。对不动声色这种过电压曾经发现脉冲变发生击穿，引起多次误强励和失磁故障。但更多的是故障发生后找不到脉冲变的击穿点。

对于尖峰过电压问题必须引起充分的重视，对已运行的机组，可加强尖峰过电压的吸收，并对薄弱的局部加强绝缘，但最终应该用新的可靠的技术来解决问题。

目前东北电网公司白山发电厂采用的新型HK-LYB-2000型励磁系统大能容尖峰过电压抑制器对尖峰过电压的抑制效果明显，投运几年来情况良好，为白山发电机组的安全运行，提供了可靠的保障。

2 HK-LYB-2000型大能容过电压抑制器的组成：

2.1 装置主要由高能容氧化锌压敏电阻和进口无感电阻、进口高耐压电容经过详细计算组合而成的综合保护组合于一体的励磁系统交直流侧过电压保护。

2.2 装置配有特种熔断器用来防止保护回路因老化击穿造成的短路。

3 HK-LYB-2000大能容过电压抑制器接线示意图（见图1）

4 HK-LYB-2000大能容过电压抑制器的技术结论及主要优点

此装置保护器件少，电阻发热量小。一方面通过压敏电阻降低过电压的幅值，同时由特殊阻容保护降低过电压的陡度。

按照这种方式整定的过电压保护，可以保护励磁变及可控硅不至于因电压过高造成绝缘损坏。压敏电阻过电压保护，无法吸收可控硅换相过电压的尖峰毛刺，不能降低过电压的前沿陡度，必须采用组容吸收装置加以限制。

采用高能氧化锌压敏电阻及特殊阻容保护相配合可以保护励磁变及可控硅不至于因电压过高造成绝缘损坏，同时利用电容稳压和充电特性，吸收励磁阳极过电压尖峰毛刺，避免设备绝缘因尖峰电压遭受软击穿。

该装置体积小、造价低、使用寿命长、免维护运行等性能指标大大优于普通过压保护。具有接线简单、成本低、故障率低、易于实现、经济实用之特点。

5 HK-LYB-2000大能容过电压抑制器在电白山电厂应用效果对比试验

白山电厂一期1-3F机，二期4-5F机，丰满电厂11-12F机，都安装了HK-LYB-2000大能容过电压抑制器。

5.1 试验接线图（见图2）：

图2

5.2 试验步骤：

5.2.1 未投入HK-LYB-2000型大能容尖峰过电压抑制器交流阳极侧电压波形图（空载额定）见图3

阳极电压有效值：159.8×5.78＝923.6V

阳极电压尖峰值：U=0.8×200×5.78＝924.8V

5.2.2 投入HK-LYB-2000型大能容尖峰过电压抑制器交流侧电压波形图（空载额定）

阳极电压有效值：159.8×5.78＝923.6V

阳极电压尖峰值：U=0.4×100×5.78＝231.2V

投入HK-LYB-2000型大能容尖峰过电压抑制器后阳极交流侧尖峰过电压下降:

(924.8V－231.2V)÷924.8V×100%＝ 75%

5.2.3 未投入HK-LYB-2000型大能容尖峰过电压抑制器直流侧电压尖峰值：

U=13×（500÷5）＝1300V（未用分压电阻）

5.2.4 投入HK-LYB-2000大能容过电压抑制器

直流侧电压尖峰值：U=2×（500÷5）＝200V（未用分压电阻）

投入HK-LYB-2000大能容过电压抑制器后直流侧尖峰下降:

(1300V－200V)÷1300V×100%＝84.6%

5.3 试验结论

HK-LYB-2000大能容过电压抑制器是目前为止对励磁系统交流过电压及尖峰过电压吸收效果最好、安全系数最高的尖峰过电压保护设备，并且适用于各种类型和容量的机组。

可以预见，该装置将为我国采用静止式可控硅自并励励磁系统设备的安全提供最有效可靠的保障。

参考文献

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关键字：电涌保护器防雷信息系统

Abstract: this paper briefly introduces the surge protector of the principle and the application of it in information system, how to the surge protector to information routes for the protection, also listed some items needing attention.

Key word: surge protector lightning protection information system

中图分类号：TN948.61 文献标识码：A文章编号：

一、信息系统防雷概述

随着社会的发展，网络化的应用已经深入到方方面面，在网络带给人们便利的同时，由于自身的脆弱性时常遭受雷击等过电压造成的损坏，对于敏感部门如证券银行如果发生网络遭受雷击损坏将会带来巨大的经济损失和社会责任压力，因此对于网络信息系统采取必要的雷电防护措施十分必要。对于电子信息设备而言，危害主要来自于由雷电引起的雷电电磁脉冲的耦合能量。

二、电涌保护器(Surge Protection Device)

电涌保护器是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，电涌保护器的作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。

2.1、SPD的分类：

按使用非线性元件的特性可分为以下三类：

（1）电压开关型（Voltage switching type SPD）：无浪涌出现时，SPD呈高阻状态；当冲击电压达到一定值时，SPD电阻突然下降为低值。常用的非线性元件有放电间隙，气体放电管、开关型SPD。开关型SPD具有大通流容量的特点，适用于易遭受直接累计部位的雷电过电压保护（即LPZ0A 区）。

（2）电压限压型SPD（Voltage limiting type SPD）：当没有浪涌出现时，SPD呈高阻状态；随着冲击电流及电压的逐步提高，SPD的电阻持续下降。常用的非线性元件有压敏电阻，瞬态抑制二极管。一般用于IEC所规定的直击雷防护区（LPZ0B）、第一屏蔽防护区（LPZ1）、第二屏蔽防护区（LPZ2）的雷电过电压保护。

（3）组合型SPD（Combination type SPD）：由电压开关型元件和限压型元件混合使用，随着施加的冲击电压特性不同，SPD有时会呈现开关型SPD特征，有时会呈现限压型SPD特征，有时同时呈现两种特征。

2.2、SPD的基本元器件：

（1）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。

（2）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的玻璃管或陶瓷管内组成的。它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)

（3）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，通流容量大，常态泄漏电流小，残压低，对瞬时过电压响应时间快，无续流。

（4）瞬态抑制二极管：

瞬态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。

三、信号线路系统的防护

3.1 过电压的产生

网络通讯系统中出现过电压的主要原因是雷击和开关操作及电源系统影响,而雷击引起的过电压又可分为:直击雷过电压、雷电感应过电压和雷电入侵过电压波。

（1）直击雷过电压雷电直接击中地面上的物体(如建筑物、设备、传输导线等) ,通过它泄放雷电流时所产生的电压降称为直击雷过电压. 直击雷过电压低则几十万伏,高则几千万伏,所带来的危害往往是灾难性的,可能造成建筑物损坏,机毁人亡,甚至引起火灾。

（2）雷电感应过电压雷击大地或地面上物体时,由雷电电磁脉冲的电磁感应或静电感应电荷的扩散消失在导体上产生的电压称为感应雷过电压. 当传输信号线路上出现感应雷过电压波时,与线路相连的设备有可能被损坏。

（3）雷电入侵电压波电力传输线和各种信号传输线上出现的直击雷过电压或感应雷过电压都以行波的方式向机房传播. 此外,雷击时接地装置上的高电位通过接地线引入机房.

3.2 防护措施

（1）进、出建筑物的信号传输线缆,应选用有金属屏蔽层的电缆,并应埋地敷设,在各雷电防护区交界处,电缆金属屏蔽层应做等电位连接. 各种电子信息设备机房的信号电缆内芯线相应端口,应安装适配的信号SPD ,SPD 的接地端及电缆内芯的空线对应接地。

（2）信号系统采用屏蔽电缆时,电缆金属外护层应做接地. 电缆内芯的相应端口应该安装与信号系统参数适配的信号SPD ,SPD 的接地端及电缆内芯的空线对应做接地. 楼宇、工作机房的信号线缆应做结构化布线,在主机房或终端机房应设置符合规范规定的信号线路配线架、分线盒、终端用户盒。

（3）信号线路SPD 接地端应与设备机房(或电子信息设备处) 内的局部等电位接地网络相连接。

（4）信号线路SPD 应连接在被保护设备的信号端口上. SPD 输出端与被保护设备的端口相连. SPD 也可以安装在机柜内,固定在设备机架上或附近支撑物上。

四、信号SPD选用注意事项

4.1 分布电容

信号SPD 不管其内部元件是使用气体放电管还是半导体放电管或压敏电阻, 在信号线路与地线之间都或多或少存在着分布电容。对于高频信号来说,这个分布电容成为旁路电容, 高频信号会通过这个旁路电容旁路到地, 造成高频信号的损失。在各种元件中, 气体放电管的分布电容最小, 半导体放电管次之, 压敏电阻最大。

4.2 带宽

信号线的种类很多, 传输速率各不相同。不同的传输速率对信号带宽的要求不同, 速率越高,要求的带宽也越宽。另外, 不同的信号载波频率对电路的带宽也有不同的要求。通常, 低频信号要求电路的幅频特性是低通, 中频信号一般是带通, 而高频信号则要求是高通或带通。SPD 的带宽既要满足传输速率对信号带宽的要求, 又要满足载波频率对电路带宽的要求。如果SPD的带宽不足, 会使得部分信号无法传输。

4.3 阻抗匹配

阻抗匹配也是影响信号传输的一个因素。如果SPD 的阻抗与线路不匹配, 就会在线路上产生反射波, 形成驻波, 造成信号功率的衰减。这一点对同轴电缆尤为重要。

4.4 工作电压

传输信号的种类很多, 有模拟信号、数字信号,有控制信号、数据信号, 有音频信号、视频信号, 有低频信号、高频信号等。信号电压不同, 对SPD 的标称导通电压有不同的要求。如果SPD 的标称导通电压过低, 会使SPD频繁导通, 影响信号的通过, 也使SPD 容易损坏; 而标称导通电压过高, 又可能会使得雷电过电压进入被保护设备, 起不到应有的防雷作用。

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关键词：电能计量表计;终端产品;运行可靠性

中图分类号：TM933.4 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）03-0114-01

用电信息采集以及监测系统中的核心设备就是电能计量表计以及终端，该设备有测量瞬时值、计量电能、电能质量监测、需求量的计量和统计、记录事件并主动上传、本地通信、远程通信、下行通信以及控制负荷等一系列功能，所得到的数据信息用于电力用户以及供电单位之间进行电能计量并结算，方便用电管理。本文对电能计量表计以及终端产品常见故障进行了仔细分析，并提出了一些改进措施及可靠性设计方案。

1 电能计量表计及终端常见故障分析

1.1 电源故障

失效的情况，如图1所示，源及主板损坏、烧表，电能计量表计及终端B、C两相PT出现了烧坏，电源上的电容以及芯片烧炸，从外面采购的开关电源模块发生了烧坏，限幅二极管以及贴片电感烧毁严重，计量电路板全部烧坏，终端电源中的限流电阻其表面被烧黑，但是压敏电阻却未损坏。

1.1.1 失效原因分析

经过初步的分析认为电压高、能量大、过压烧表等都是雷击造成的。不管是哪个电路发生了烧毁都会出现能量泄放回路，这就会对回路中的所有器件造成不同程度的损伤。对返回的故障表进行分析可知，高压窜入存在2个回路，分别为表内PT以及电源模块，计量板和PT全部被损坏，但是电源模块却只有部分被损坏，由此可以推断高压从表内PT窜入的概率比较大。

PT出现损坏但是PT串联电阻没有出现损坏的原因分析：PT受到铁损和铜损的影响，而铜损又受到电流的影响，发热量随着电流的增大而增大，铁损又被称为涡流损耗，和磁感应强度以及电源频率有关。雷电的磁感应强度非常大，所以PT发生烧损不但和电流存在关系，还受铁损的影响，但是电阻发热只受到电流的影响，这就是为什么只有PT出现损坏而PT串联电阻没有出现损坏的原因。

贴片电感在烧断的时候造成非常高的过压，而过压使得逻辑板上的电容和芯片出现损坏;原因在于终端内PT的初级以及次级线圈比都为1：1，并且线圈匝数非常多，一旦次级突然开路，则会出现非常高的反冲过压，另外初级输入电压又很高，最终使得反冲过压过高，逻辑板上那些烧坏的芯片和电容可以证明过压的存在。

1.1.2 改进措施

由于雷电过压造成的破坏是不可避免的，在安装调试终端的时候，必须做好相应的防雷手段，确保变压器接地可靠，装设性能优良的防雷器;另外终端在线和线中间应该装设压敏电阻，建议降低终端内PT的变比。

1.2 远程通信故障

通讯模块出现故障也较常见，如CDMA终端中出现了模块损坏，部分终端在更换损坏模块正常运行一段时间之后模块又被损坏。

1.2.1 失效分析

引起模块损坏最重要的因素在于模块终端在不停拨号，使得模块内部在不停地复位。终端在处理过程中，一个拨号周期由很多环节组成：通讯模块的初始化，交换联通数据信息，获得IP地址。这其中的任何一个环节出现失败，都是使得通讯模块复位。

1.2.2 改进措施

①使用容量更大的路由器，容量应该超过终端数的25%，另外也可以提升验证服务器的工作效率，强化相关配置使其能够处理大量终端并且发放认证，提升验证路由器的工作性能;②现场终端使用dormant形式，如果没有通讯的时候物理链路进行释放;③对终端通讯处理流程进行优化，尽力确保模块的安全，在最大限度上延长模块的使用周期。

2 电能计量表计及终端可靠性设计

2.1 抵抗雷击设计

为确保电能计量表计及终端的安全，必须采取一定的防雷保护措施。电源部分可以使用压敏电阻、限流电阻。抵抗雷击设计，如图2所示，可以看出压敏电阻可以对电源浪涌起到非常好的保护效果;由于浪涌造成的大电流热敏电阻可以起到一定的保护作用;2路RS485用到的电源和主电源之间完全被隔离，这样就确保了在主电源回路中产生的浪涌不会对RS485回路造成任何影响。

2.2 数据冗余设计

在规划电能存储的EEPROM资源的时候必须要留出3倍冗余数据空间，在4个完全不相干的EEPROM区域中写入电能数据。为了使得数据的安全性得到保障，以提升在错误操作下相关数据信息留存的机率，应该尽可能的分散分布冗余数据存储空间。在使用这些数据信息时，认真检查各组数据，防止发生程序跑飞时的时候将各组备份数据同时写入。

2.3 抵抗冲击电流设计

电能计量表计及终端在正常运行的过程经常会出现短路故障，一旦发生断裂故障在瞬间便会引起几千安的冲击电流，现阶段在现场已经装设了断路器跳闸保护装置，然后断路器存在20 ms的时间延迟，就在这20 ms的时间内，冲击电流就很有可能将表计及终端破坏。为了避免这种情况的出现，首先需要做的就是提升采样电阻的功率值，另外就是对其采取一定的保护措施，如图3所示，R113、R101以及R102都是0805封装，表内CT一次侧出现过流的时候不会对其造成影响;表内CT的初级线圈横截面积非常大，这样在过大电流的时候可以保护CT不被损坏。

3 结 语

本文探讨了提升电能计量表计及终端可靠性设计的措施，对电能计量表计及终端经常发生的故障进行了分析，然后在此基础山提出了一些实用性的解决措施。相信在采取上述措施之后产品的可靠性可以得到一定的提升。

参考文献：

[1] 卢晗.浅议电能计量装置可靠性运行的管理[J].技术与市场，2012，（10）.