防雷器的設(shè)計(jì)原理： 針對(duì)現(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)了各種各樣的防雷器，質(zhì)量參差不齊，有一些甚至聞所未問(如：不用接地的避雷器，到現(xiàn)在為止，都弄不明白它的工作原理），因此，通過介
防雷器的設(shè)計(jì)原理：
針對(duì)現(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)了各種各樣的防雷器，質(zhì)量參差不齊，有一些甚至聞所未問(如：不用接地的避雷器，到現(xiàn)在為止，都弄不明白它的工作原理），因此，通過介紹避雷器的工作原理及組成，對(duì)客戶甄別真假、優(yōu)劣，有所幫助。
防雷器元件從響應(yīng)特性看，有軟硬兩種。屬于硬響應(yīng)特性的放電元件有火花間隙（基于斬弧技術(shù)的角型火花隙和同軸放電火花隙）和氣體放電管，屬于軟響應(yīng)特性的放電元件有金屬氧化物壓敏電阻和瞬態(tài)抑制二極管。這些元件的區(qū)別在于放電能力、響應(yīng)特性和殘壓，避雷器就是利用它們不同的優(yōu)缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，組合成各種避雷器，保護(hù)電路。
火花間隙
1、放電間隙：原理是兩個(gè)如牛角現(xiàn)狀的電極，距離很短，用絕緣材料分開，當(dāng)兩個(gè)電極間的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到擊穿強(qiáng)度時(shí)，電極之間形成電流通路。當(dāng)雷電波來到的時(shí)候首先在間隙處擊穿，使間隙的空氣電離，形成短路，雷電流通過間隙流入大地，而此時(shí)間隙兩端的電壓很低，從而達(dá)到保護(hù)線路的目的。電場(chǎng)強(qiáng)度低于擊穿間隙時(shí)，放電間隙型避雷器又恢復(fù)絕緣狀態(tài)。常用于高壓線路的避雷防護(hù)中。在低壓系統(tǒng)，常用于電源的前級(jí)保護(hù)。
火花間隙（Arc chopping)型避雷器產(chǎn)品的優(yōu)劣，在于制成電極的材料、間隙距離及絕緣材料。
優(yōu)點(diǎn)：具有很強(qiáng)放電能力、通流量大，10/350μs脈沖波形能夠疏導(dǎo)50KA的脈沖電流，用于8/20μs脈沖電流，可以大于100KA,很高的絕緣電阻以及很小的寄生電容，漏電流小。對(duì)正常工作的設(shè)備不會(huì)帶來任何有害影響。
缺點(diǎn)：殘壓高（2.5~3.5KV），反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)（≦100ns），動(dòng)作電壓精度較低，有工頻續(xù)流，因此在保護(hù)電路中應(yīng)串聯(lián)一個(gè)熔斷器，使得工頻續(xù)流迅速被切斷。
注：由于兩只放電管分別裝在一個(gè)回路的兩根導(dǎo)線上，有時(shí)會(huì)不同時(shí)放電，使兩導(dǎo)線之間出現(xiàn)電位差，為了使兩根導(dǎo)線上的放電管能接近統(tǒng)一時(shí)間放電，減少兩線之間的電位差，又研制了三級(jí)放電管?？梢钥醋魇怯蓛芍欢?jí)放電管合并在一起構(gòu)成的。三級(jí)放電管中間的一級(jí)作為公共地線，另兩級(jí)分別接在回路的兩條導(dǎo)線上。
2、氣體放電管（Gas discharge tube,GDT）：是一種陶瓷或玻璃封裝，管內(nèi)再充以一定壓力的惰性氣體（如氬氣），開關(guān)型的保護(hù)元件，有二電極和三電極兩種結(jié)構(gòu)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到擊穿惰性氣體強(qiáng)度時(shí)，就引起間隙放電，從而限制極間的電壓。8/20μs脈沖電流能夠疏導(dǎo)10KA。放電電壓不穩(wěn)定，當(dāng)電壓大于12V、電流電壓100mA時(shí)，會(huì)產(chǎn)生后續(xù)電流。通常用于測(cè)量、控制、調(diào)節(jié)技術(shù)電路和電子數(shù)據(jù)處理傳輸電路中。
壓敏電阻
金屬氧化物壓敏電阻（Metal oxide varistor,MOV)
以氧化鋅為主要成分的金屬氧化物半導(dǎo)體非線性電阻，當(dāng)加在電阻兩端的電壓小于壓敏電壓時(shí)，壓敏電阻呈高阻狀態(tài)，如果并聯(lián)在電路上，該閥片呈斷路狀態(tài)；當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓大于壓敏電壓時(shí)，壓敏電阻就會(huì)擊穿，呈現(xiàn)低阻值，甚至接近短路狀態(tài)。壓敏電阻這種被擊穿狀態(tài)是可以恢復(fù)的，當(dāng)高于壓敏電壓的電壓被撤銷以后，它又恢復(fù)高阻狀態(tài)。當(dāng)電力線被雷擊時(shí)，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，使電力線上的類電壓被鉗制在安全范圍內(nèi)。
氧化鋅壓敏電阻避雷器，現(xiàn)在市場(chǎng)上流通很多，中國(guó)在20世紀(jì)80年代末才大批生產(chǎn)，被認(rèn)為目前最新型、技術(shù)最先進(jìn)，會(huì)做專題詳細(xì)介紹。現(xiàn)在中國(guó)的輸電線路的避雷器，都采用氧化鋅避雷器。
優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)電壓范圍寬：6V~1.5KV，反應(yīng)速度快（25ns），殘壓低（可以達(dá)到終端設(shè)備的安全工作電壓），通流量大（2KA/cm2），無續(xù)流，壽命長(zhǎng)。
缺點(diǎn)：容易老化，動(dòng)作幾次后，漏電流會(huì)增大，從而導(dǎo)致壓敏電阻過熱，最終導(dǎo)致老化失效。
電容較大，許多情況下不在高頻、超高頻系統(tǒng)中使用。該電容又與導(dǎo)線電容構(gòu)成一個(gè)低通。該低通會(huì)造成信號(hào)的嚴(yán)重衰減。但在頻率低于30KHZ時(shí)，這種衰減可以忽略。
二極管
瞬態(tài)抑制式二極管（Transient voltage suppressor,TVS):
1、二極放電管：有兩種形式：一是齊納型（為單向雪崩擊穿），二是雙向的硅壓敏電阻。性能類似開關(guān)二極管等。在規(guī)定的反向電壓作用下，兩端電壓大于門限電壓時(shí)，其工作阻抗能立即降至很低的水平以允許大電流通過，并將兩端電壓鉗制在很低的水平，從而有效地保護(hù)末端電子產(chǎn)品中的精密元件避免損壞。雙向TVS可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈動(dòng)功率，并把電壓鉗制在預(yù)定水平。適用于交流電路。
優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)作時(shí)間極快，達(dá)到皮秒級(jí)。限制電壓低，擊穿電壓低，應(yīng)用于各種電子領(lǐng)域。
缺點(diǎn)：電流負(fù)荷量小，電容相當(dāng)高，一般在20pF以下，現(xiàn)在的陶瓷放電管能夠做到3~5pF。
電子信息系統(tǒng)所需的浪涌保護(hù)系統(tǒng)一般采用兩級(jí)或三級(jí)組成。采用氣體放電管、壓敏電阻和抑制二極管，并利用各種浪涌抑制器的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)可靠保護(hù)。氣體放電管一般放在線路輸入端作為一級(jí)浪涌保護(hù)器件，承受大的浪涌電流，屬于泄流型器件。二級(jí)保護(hù)器件采用壓敏電阻，可在極短時(shí)間內(nèi)（ns）將浪涌電壓限制在較低的水平。對(duì)于高度靈敏的電子電路，可采用抑制二極管作為三級(jí)保護(hù)。在更短的時(shí)間內(nèi)將浪涌電壓限制在末端電子設(shè)備的絕緣水平以內(nèi)。如圖，當(dāng)雷電等浪涌到來時(shí)，抑制二極管首先導(dǎo)通，把瞬間過電壓精確地控制在一定的水平，如果浪涌電流較大，則壓敏電阻啟動(dòng)并泄放一定的浪涌電流，這時(shí)壓敏電阻兩端的電壓會(huì)有所升高，直至推動(dòng)前級(jí)氣體放電管放電，把大電流泄放到地。當(dāng)三種器件在線路中的距離較遠(yuǎn)時(shí)，導(dǎo)通順序會(huì)從氣體放電管開始，依次導(dǎo)通。
避雷器的工作，是從反應(yīng)時(shí)間最快、設(shè)備的最末端開始的，然后逐級(jí)往前端啟動(dòng)的。單純用氣體放電管保護(hù)后端的設(shè)備會(huì)出現(xiàn)下列問題：導(dǎo)通時(shí)間過長(zhǎng),殘壓過大，有可能超過后端設(shè)備的耐壓水平。放電后，會(huì)產(chǎn)生工頻續(xù)流。為避免上述問題，采用另外一種電路（圖三）。為了解決產(chǎn)生工頻續(xù)流的問題，同時(shí)也避免壓敏電阻因漏電流過大而發(fā)熱自爆或老化，我們?cè)跉怏w放電管上串聯(lián)一個(gè)壓敏電阻，這樣就可避免產(chǎn)生工頻續(xù)流，又可以防止壓敏電阻因漏電流而自爆、老化。但新的問題又產(chǎn)生了，這樣避雷器的動(dòng)作時(shí)間為氣體放電管的導(dǎo)通時(shí)間和壓敏電阻導(dǎo)通時(shí)間的總和。假設(shè)氣體放電管的導(dǎo)通時(shí)間為100ns，壓敏電阻的導(dǎo)通時(shí)間為25ns，則它們總的反應(yīng)時(shí)間為125ns。為了減小反應(yīng)時(shí)間，在電路中并入一個(gè)壓敏電阻，這樣可使總的反應(yīng)時(shí)間為25ns。當(dāng)過電壓出現(xiàn)時(shí)，抑制二極管作為動(dòng)作最快的元件首先動(dòng)作，線路設(shè)計(jì)為，在抑制二極管可能毀壞之前，放電電流即隨著幅值的上升轉(zhuǎn)換到前置的放電路徑上，即充氣式放電路上。
Us+△u≥Ug
Us：抑制二極管上的電壓
△u：去耦感應(yīng)線圈上的電壓
Ug：氣體放電管的動(dòng)作電壓
如果放電電流小于該值，則充氣放電管不動(dòng)作。采用這種線路不僅可以在低保護(hù)水平的條件下利用放電器動(dòng)作迅速的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可以達(dá)到很高的放電電容。這樣就可以消除抑制二極管過載一級(jí)熔斷器在出現(xiàn)電源續(xù)流時(shí)頻繁切斷電路的缺點(diǎn)。
頻率較高的線路也可以采用歐姆式電阻作為去耦元件，與低電容橋接線路共同使用。
2、三極放電管：在兩根的導(dǎo)線上，安裝兩個(gè)二極放電管，會(huì)出現(xiàn)電位差，因此就有三極放電管，多了一極做公共接地，可以減少時(shí)間差(0.15~0.2μs），由此產(chǎn)生的橫向雷電壓幅值。
市場(chǎng)上普通電源避雷器器件一般采用壓敏電阻，用于一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)電源。這種組合方式在距離大于5米時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間從第一級(jí)開始逐級(jí)向后導(dǎo)通。若第一級(jí)采用氣體放電管，二級(jí)和三級(jí)采用壓敏電阻，則必須滿足第一級(jí)與第二級(jí)滿足大于十米的距離，第二級(jí)與第三級(jí)滿足大于5米的距離,這樣才能保證前一級(jí)先動(dòng)作。否則可能導(dǎo)致第一級(jí)不動(dòng)作的現(xiàn)象，而二級(jí)和三級(jí)避雷器又沒有那么大的通流量，導(dǎo)致避雷器無法切實(shí)保護(hù)設(shè)備。這點(diǎn)在工程設(shè)計(jì)中一定要引起注意。
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