浪涌（Electrical surge），顧名思義就是瞬間出現(xiàn)超出穩(wěn)定值的峰值，它包括浪涌電壓和浪涌電流。浪涌也叫突波，顧名思義就是超出正常工作電壓的瞬間過電壓。本質(zhì)上講，浪涌是發(fā)生在僅僅幾百萬分之一秒時(shí)間內(nèi)的一種劇烈脈沖?？赡芤鹄擞康脑蛴校褐匦驮O(shè)備、短路、電源切換或大型發(fā)動(dòng)機(jī)。而含有浪涌阻絕裝置的產(chǎn)品可以有效地吸收突發(fā)的巨大能量，以保護(hù)連接設(shè)備免于受損。

　　浪涌電壓產(chǎn)生的原因

　　外部原因

　　雷電電涌過電壓雷擊引起的電涌危害最大，在雷擊放電時(shí)，以雷擊為中心1.5~2KM范圍內(nèi)，都可能產(chǎn)生危險(xiǎn)的過電壓。雷擊引起（外部）電涌的特點(diǎn)是單相脈沖型，能量巨大。外部電涌的電壓在幾微秒內(nèi)可從幾百伏快速升高至20000V，可以傳輸相當(dāng)長(zhǎng)的距離。按ANSI/IEEE C62.41-1991說明，瞬間電涌可高達(dá)20000V，瞬間電流可達(dá)10000A。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)外的電涌主要來自于雷電和其它系統(tǒng)的沖擊，大約占 20%。（1）感應(yīng)雷擊電涌過電壓：雷擊閃電產(chǎn)生的高速變化的電磁場(chǎng)，閃電輻射的電場(chǎng)作用于導(dǎo)體，感應(yīng)很高的過電壓，這類過電壓具有很陡的前沿并快速衰減。（2）直接雷擊電涌過電壓：直接落雷在電網(wǎng)上，由于瞬間能量巨大，破壞力極強(qiáng)，還沒有一種設(shè)備能對(duì)直接落雷進(jìn)行保護(hù)。（3）雷擊傳導(dǎo)電涌過電壓：由遠(yuǎn)處的架空線傳導(dǎo)而來，由于接于電力網(wǎng)的設(shè)備對(duì)過電壓有不同的抑制能力，因此傳導(dǎo)過電壓能量隨線路的延長(zhǎng)而減弱。（4）振蕩電涌過電壓：動(dòng)力線等效一個(gè)電感，并于大地及臨近金屬物體間存在分布電容，構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，在TT、TN供電系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障的瞬間，由于高頻率的成分出現(xiàn)諧振，在線路上產(chǎn)生很高過電壓，主要損壞二次儀表。直接雷擊是最嚴(yán)重的事件，尤其是如果雷擊擊中靠近用戶進(jìn)線口架空輸電線。在發(fā)生這些事件 時(shí)，架空輸電線電壓將上升到幾十萬伏特，通常引起絕緣閃絡(luò)。雷電電流在電力線上傳輸?shù)木嚯x為一公里或更遠(yuǎn)，在雷擊點(diǎn)附近的峰值電流可達(dá)100kA或以上。在用戶進(jìn)線口處低壓線路的電流每相可達(dá)到5kA到10kA。在雷電活動(dòng)頻繁的區(qū)域，電力設(shè)施每年可能有好幾次遭受雷電直擊事件引起嚴(yán)重雷電電流。而對(duì)于采 用地下電力電纜供電或在雷電活動(dòng)不頻繁的地區(qū)，上述事件是很少發(fā)生的。間接雷擊和內(nèi)部浪涌發(fā)生的概率較高，絕大部分的用電設(shè)備損壞與其有關(guān)。所以電源防浪涌的重點(diǎn)是對(duì)這部分浪涌能量的吸收和抑制。［2］

　　內(nèi)部原因

　　操作電涌過電壓內(nèi)部浪涌發(fā)生的原因同供電系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備啟停和供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的故障有關(guān)：在電力系統(tǒng)內(nèi)部，由于斷路器的操作、負(fù)荷的投入和切除或系統(tǒng)故障等系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)變化，而使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，從而引起的電力內(nèi)部電磁能量轉(zhuǎn)換或傳輸過渡過程，將在系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)過電壓。系統(tǒng)內(nèi)的電涌主要來自于系統(tǒng)內(nèi)部用電負(fù)荷的沖擊，大約占 80%。在電力系統(tǒng)引起的內(nèi)部過電壓的原因大致可分為：（1）電力大負(fù)荷的投入和切除；（2）感性負(fù)荷的投入和切除；（3）功率因素補(bǔ)償電容器的投入和切除（4）短路故障供電系統(tǒng)內(nèi)部由于大功率設(shè)備的啟停、線路故障、投切動(dòng)作和變頻設(shè)備的運(yùn)行等原因，都會(huì)帶來內(nèi)部浪涌，給用電設(shè)備帶來不利影響。特別是計(jì)算機(jī)、通訊等微電子設(shè)備帶來致命的沖擊。即便是沒有造成永久的設(shè)備損壞，但系統(tǒng)運(yùn)行的異常和停頓都會(huì)帶來很嚴(yán)重的后果。比如核電站、醫(yī)療系統(tǒng)、大型工廠自動(dòng)化系統(tǒng)、證券交易系統(tǒng)、電信局用交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)樞紐等。

　　浪涌電壓的種類及保護(hù)器件的選型

　　1、雷電過電壓與操作過電壓

　?。?）雷電是自然界發(fā)生的極為強(qiáng)烈的電磁暫態(tài)過程。主要通過兩個(gè)個(gè)渠道對(duì)電力自動(dòng)化設(shè)備產(chǎn)生影響。一是雷電直接擊中變電站或調(diào)度中心的避雷針、避雷線，產(chǎn)生的瞬變電磁場(chǎng)對(duì)周圍空間范圍的電子設(shè)備的電磁作用，對(duì)封閉的金屬回路產(chǎn)生壓電流，對(duì)開口的金屬回路產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于雷電電磁脈沖的作用十分強(qiáng)烈，感生的電壓可能很高。經(jīng)地線泄放入地的雷電流引起地網(wǎng)電壓升高，在接地系統(tǒng)中各接地點(diǎn)間產(chǎn)生很大的電壓差，它們都可能對(duì)自動(dòng)化設(shè)備造成干擾，輕則影響正常運(yùn)行，嚴(yán)重的則會(huì)引起設(shè)備損壞。二是雷電在線路上空的雷云之間放電，或?qū)€路附近的大地放電，都會(huì)使線路因電磁感應(yīng)產(chǎn)生雷電沖擊波或浪涌電壓，這種沖擊波會(huì)沿著線路入侵到與之相連拉電力自動(dòng)化設(shè)備，造成工作錯(cuò)誤或設(shè)備損壞。若雷電直接擊中線路時(shí)，產(chǎn)生的浪涌電壓更為強(qiáng)烈，危害更大。

　　（2）電力系統(tǒng)操作過電壓是指電力系統(tǒng)中的故障和操作導(dǎo)致暫態(tài)振蕩而產(chǎn)生的過渡過程過電壓。操作方式和故障形式的多樣性決定了操作過電壓的不同類別，主要有：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中的弧光接地過電壓，空載線路的合閘過電壓，空載線路、空載母線和電容器分閘時(shí)的開斷電容負(fù)載過電壓，空載變壓器、電抗器和電動(dòng)機(jī)分閘時(shí)的開斷電感負(fù)載過電壓等等。

　　2、差模干擾和共模干擾

　　根據(jù)浪涌電壓對(duì)設(shè)備干擾的作用方式不同，可分為差模干擾和共模干擾。

　?。?）差模干擾是出現(xiàn)于回路（如信號(hào)線或電源線的兩條線）中與正常信號(hào)電壓相串聯(lián)的干擾。差模干擾Edm出現(xiàn)在電路往返引線L1、L2之間，它與有用信號(hào)（源電動(dòng)勢(shì)）Es相串聯(lián)，在受端設(shè)備Z上疊加一干擾分量。在電力自動(dòng)化系統(tǒng)中，這種疊加在有用信號(hào)上的干擾分量可引起測(cè)量誤差或控制誤動(dòng)等不良好后果。

　?。?）共模干擾是出現(xiàn)于回路與規(guī)定參考點(diǎn)（通常是地或機(jī)殼）之間的電磁干擾。Ecm使整個(gè)電路對(duì)參考點(diǎn)的電位一起升高，共模干擾Ecm在電路中不直接形成與有用信號(hào)Es相串聯(lián)的干擾電壓，但較強(qiáng)的共模干擾有可能使電路對(duì)地絕緣承受較高的電壓而導(dǎo)致閃絡(luò)或擊穿，造成“反擊”事故。另外，由于往返引線阻抗不對(duì)稱，共模干擾可全部或部分轉(zhuǎn)化為差模干擾，需加以防范。

　　不管是差模干擾還是共模干擾，只要它們的干擾強(qiáng)度足夠大，不僅會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)更會(huì)直接損壞設(shè)備。由于它們對(duì)設(shè)備的作用方式不同，抗干擾的措施出有所不同。

　　3、浪涌電壓保護(hù)機(jī)理

　　浪涌電壓保護(hù)的基本要求是：在電路沒有干擾時(shí)，不影響設(shè)備的正常運(yùn)行；工作電路中一旦有浪電壓侵入時(shí)，將浪涌電壓抑制在設(shè)備可接受的閾值范圍內(nèi)，保證設(shè)備有受到浪涌干擾時(shí)的正常運(yùn)行，并且防止電路元器件和系統(tǒng)的損壞。從電路聯(lián)接關(guān)系的角度來看，保護(hù)的方式有兩種，一是將設(shè)備從受干擾的工作電路中斷開，二是給浪涌電壓提供泄放通道，最終使浪涌電壓不作用到被保護(hù)的設(shè)備上。由于保護(hù)器件在系統(tǒng)正常工作和浪涌干擾時(shí)所表現(xiàn)出的電氣性能完全不同，保護(hù)器件的伏安特性必須具有強(qiáng)烈的非線性特征。而對(duì)于一般的元器件，其電阻基本不隨運(yùn)行工況的改變而變化，其伏安特性表現(xiàn)出良好的線性特征。

　　有一類元件，當(dāng)其兩端電壓差在正常范圍內(nèi)時(shí)，電阻很大，幾乎沒有電流通過；一旦元件兩端電壓差增大到一定的門檻值時(shí)，電阻迅速減少，幾乎為零。利用這類元件可以做成并聯(lián)型浪涌保護(hù)器，從而保護(hù)了設(shè)備。實(shí)際上，浪涌侵入時(shí)保護(hù)器不可能完全呈短路狀態(tài)，兩端電壓也不可能達(dá)到零，只能達(dá)到一個(gè)較小的值，稱作箝位電壓，只要這個(gè)箝位電壓小于被保護(hù)設(shè)備的安全電壓，就能有效地保護(hù)設(shè)備。

　　另外有一類元件則具有相反的非線性特征，在正常工作電壓下，電阻幾乎完全為零，當(dāng)控制電壓（信號(hào)電壓或電源電壓）達(dá)到一定的門檻值時(shí)，元件馬上呈現(xiàn)出很大的電阻值，利用這類元件可以做成串聯(lián)型浪涌保護(hù)器。由于其呈現(xiàn)出高阻態(tài)，電路相當(dāng)于斷開，使被保護(hù)設(shè)備免遭浪涌電壓的侵入。

　　目前用于浪涌保護(hù)的器件有四種：

　?。?）二極管瞬變電壓抑制器（TVS），電流調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，工作電壓和箝位電低，響應(yīng)速度快，用于保護(hù)400V以下的低壓電路，能承受50~500A的浪涌電流，有串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種，是電路板保護(hù)和理想器件。

　?。?）金屬氧化物變阻器（壓敏電阻）， 響應(yīng)速度比TVS管慢，但通流量大于TVS管，可保護(hù)電壓低于20 kV的設(shè)備，常用于電源保護(hù)回路。

　?。?）氣體放電管或放電火花間隙，是一個(gè)充有惰性氣體的密封式火花間隙，當(dāng)兩端出現(xiàn)超過其保護(hù)電壓的干擾時(shí)，一小段延時(shí)后間隙被擊穿變?yōu)榈妥杩?，通流量大（?0Ka），保護(hù)電壓可達(dá)10kV，適合信號(hào)保護(hù)回路使用。

　?。?）固體放電管，是基于晶閘管原理和結(jié)構(gòu)的一種二端負(fù)阻器件，響應(yīng)速度快，無限重復(fù)，功耗小，起動(dòng)電壓為5~500V，瞬間沖擊電流可達(dá)50~3000A，適用于保護(hù)電子元器件。

　　這四類器件的性能各有優(yōu)缺點(diǎn)，通過配合使用才能達(dá)到最佳效果。

　　浪涌電壓的危害

　　浪涌電壓是電網(wǎng)上突發(fā)的瞬間電壓變化，時(shí)間很短，一般在幾十微秒，幅度可以達(dá)到數(shù)千伏。浪涌電壓是現(xiàn)代電網(wǎng)上最常見的電能質(zhì)量問題之一，對(duì)現(xiàn)代化的自動(dòng)控制設(shè)備和信息設(shè)備造成了嚴(yán)重的威脅。IBM公司研究了各種危害信息設(shè)備的因素，結(jié)果如圖1所示。

　　根據(jù)IBM公司的調(diào)查，數(shù)據(jù)系統(tǒng)的故障原因中，45.3%是由于電能質(zhì)量導(dǎo)致的，而其中浪涌電壓占到90%。因此，對(duì)于電子信息系統(tǒng)合自動(dòng)控制系統(tǒng)，解決了浪涌電壓防護(hù)的問題，數(shù)據(jù)系統(tǒng)的可靠性就會(huì)大大提高。

　　浪涌電壓的產(chǎn)生原因有兩個(gè)，一個(gè)是雷電，另一個(gè)是電網(wǎng)上的大型負(fù)荷接通或斷開（包括補(bǔ)償電容的投切）時(shí)產(chǎn)生的。其中，后者占到浪涌現(xiàn)象的80%以上，圖2是在某個(gè)工廠監(jiān)測(cè)到的電壓波形，可見浪涌電壓出現(xiàn)的頻度很高。

　　過去，人們對(duì)浪涌電壓的危害局限在雷電導(dǎo)致絕緣損壞的范圍內(nèi)，對(duì)于浪涌導(dǎo)致的系統(tǒng)誤動(dòng)作幾乎沒有概念。因?yàn)檫@種短暫的變化對(duì)傳統(tǒng)的電力負(fù)荷幾乎沒有任何影響。唯一的不良影響是，可能對(duì)負(fù)荷的電氣絕緣造成損傷。

　　現(xiàn)在，人們?cè)絹碓疥P(guān)注浪涌電壓對(duì)制造系統(tǒng)、信息系統(tǒng)造成的影響。這主要是因?yàn)椋F(xiàn)代工業(yè)的核心是自動(dòng)化，自動(dòng)化依靠計(jì)算機(jī)（常用就是plc，這是一種通用的工業(yè)計(jì)算機(jī)）來控制。計(jì)算機(jī)對(duì)于浪涌電壓十分敏感。浪涌電壓是導(dǎo)致計(jì)算機(jī)誤動(dòng)作、數(shù)據(jù)丟失的主要原因。

　　浪涌電壓也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)軟損傷，軟損傷就是計(jì)算機(jī)受到浪涌電壓作用后，可靠性降低，壽命縮短。浪涌電壓導(dǎo)致現(xiàn)代化制造系統(tǒng)出現(xiàn)的故障主要包括：

　　·存儲(chǔ)器內(nèi)數(shù)據(jù)丟失

　　·I/O接口電路復(fù)位，導(dǎo)致控制過程中斷

　　·線路板上的器件損壞

　　·預(yù)置的校準(zhǔn)值漂移

　　·程序跑飛、系統(tǒng)死鎖

　　·變頻器、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等的輸入整流模塊故障

　　·控制器發(fā)出錯(cuò)誤指令，導(dǎo)致系統(tǒng)誤動(dòng)作

　　浪涌電壓之所以會(huì)造成控制設(shè)備、信息設(shè)備的誤動(dòng)作甚至損壞，主要因?yàn)槔擞侩妷簳?huì)導(dǎo)致直流母線電壓升高。以變頻器為例，圖3（a）所示的是母線上的無功補(bǔ)償電容投切時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓，圖3（b）所示的是變頻器直流母線上出現(xiàn)的浪涌電壓，變頻器母線上的電壓變化，電壓超過了過壓報(bào)警線，變頻器會(huì)進(jìn)入過壓保護(hù)狀態(tài)。

　　類似于電容投切浪涌這種內(nèi)部電網(wǎng)上產(chǎn)生的浪涌電壓雖然十分頻繁，但是幅度較小，最大的危害是導(dǎo)致設(shè)備誤動(dòng)作，很少導(dǎo)致設(shè)備損壞。但是雷電導(dǎo)致的浪涌電壓，如圖3（c）所示，其幅度很高，可能會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備的硬件損壞。

　　浪涌防護(hù)是現(xiàn)代制造系統(tǒng)、信息系統(tǒng)中必須考慮的問題。

　　需要注意的是，浪涌保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)也發(fā)生了巨大的變化。傳統(tǒng)的浪涌保護(hù)措施，只要保護(hù)電氣設(shè)備的絕緣不被浪涌電壓損壞即可。而現(xiàn)代浪涌保護(hù)措施，要確?？刂葡到y(tǒng)、信息系統(tǒng)在浪涌電壓的條件下，不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作。最近，發(fā)生在高鐵上的重大事故，據(jù)說是因?yàn)樘鞖鈵毫樱瑢?dǎo)致信號(hào)系統(tǒng)出現(xiàn)誤動(dòng)作。這有可能是雷電導(dǎo)致的浪涌電壓使信號(hào)系統(tǒng)出現(xiàn)誤動(dòng)作。因此，在進(jìn)行現(xiàn)代化的自動(dòng)系統(tǒng)集成時(shí)，必須充分考慮浪涌電壓的防護(hù)。

　　能夠?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)提供可靠浪涌保護(hù)的設(shè)備叫做“正弦波跟蹤浪涌保護(hù)器”。使用這種設(shè)備，不僅能夠保護(hù)電氣設(shè)備的絕緣不被損壞，還能夠保證控制設(shè)備、信息設(shè)備的可靠工作。事實(shí)證明，在浪涌保護(hù)方面的投資會(huì)通過減少設(shè)備損壞、降低維護(hù)成本、延長(zhǎng)系統(tǒng)正常工作時(shí)間等途徑很快收回。從維護(hù)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行的角度，安裝浪涌保護(hù)器是十分必要的。