浪涌保护器的跟踪滤波与供电污染的治理

电力工业的快速发展使得配电系统日益复杂，也使供电质量问题变得日益明显。电源质量的高低直接关系到所有电子设备的正常运行。比如，如果电脑经常死机，数据丢失，指令错误，很有可能是电子设备（计算机等）所在区域的电源质量出现问题，而造成电路板上元件过快老化而出现故障。

    及时了解电源质量出现的问题和迅速消除电污染就成为了问题的关键所在。日常用的交流电的波形是正弦波，正弦波原本是光滑的，但有瞬流和浪涌出现时，正弦上就会产生毛刺，这些毛刺在经过整流器是不会消除，因此会直接影响电子设备的直流电源和信号波形的变形。这些变形对于敏感的电子设备，都可能造成运行错误和故障。

    这就是供电系统的电污染。电力电子瞬态高压浪涌实践证明，瞬态高压浪涌会以下述三种形式串入用户供电系统中：

    第一种是产生于配电线路上的雷击浪涌，主要有打在电网上的直击雷、感应雷透过感应方式耦合到电力电子设备的电源线、控制讯号线或通讯线上的雷击浪涌，其冲击电流可高达200-300KA以上。

    第二种是在用户的供电系统中产生的工作浪涌，它是由高压变压器的投入或切除、大型电动机及水泵的启停、电焊机和重载可控硅负载的的运行、补偿调整电容系统的调节所形成的浪涌；其电流可高达100KA数量级,峰值电压最高达6000V。

    第三种是产生于用电系统内部末端负载间的瞬态浪涌，如复印机的运行、激光打印机开启、继电器、开关、电磁阀、变频调速器的运行、末端负载过流短路故障用静电放电等，其峰值电压可达5000V，冲击电流几百安培数量级。

    供电系统的供电污染所造成的危害有：它会对用户的设备立即造成灾害性不可恢复的直接经济损失，整个系统停顿，如银行电脑服务停顿，移动电话通讯中止等间接经济损失；造成用户设备中的某些部件被损坏或致使其性能提前老化；电子设备的线路板及元件烧毁。浪涌电压达到700-800V数量级的浪涌过多过频出现，传输或存储的讯号或数量错乱或丢失，服务器或电脑死机。

    二、供电系统的污染的治理

    针对瞬态高压浪涌以上述三种形式串入用户供电系统，采用浪涌保护器治理供电系统的污染是有效方法之一。目前使用的限压型浪涌保护器有两种，即包络线（或门限）浪涌保护器和带正弦波跟踪滤波的浪涌保护器。

    现在市场上可以购买的大多数电源浪涌保护器（常见并联型电源浪涌保护器），是仅使用固态保护器件（如压敏电阻（MOV）或硅雪崩二极管等）的包络线型钳制装置。这些双端口装置，在遭遇瞬态浪涌冲击时，通过钳制跨接在浪涌保护器两端之间的瞬态电压工作。限制电压的幅值取决于瞬态电流大小及波形，并且保护器的动作电压一定要达到一定的幅值，避免干扰被保护供电线路的正常运行。

    在应用于保护交流电源时，单一模式的浪涌保护器有一个主要的缺点，即：浪涌保护器的动作电压与交流电源瞬时正弦波位置无关。也就是说，它的钳位电压范围（ClampingBarrier）相对于交流电源的中性点（或大地）是固定的。大多数应用于AC220/380V低压供电系统的单一模式电源浪涌保护器把动作电压确定在大约480V左右。

    
    由于单一模式电源浪涌保护器建立的是一个均匀钳制电压包络线，其钳制电压点会因瞬时工频交流电正弦波位置的差异而有不同的效果，这取决于随正弦波波形发生的相位。例如，钳制在峰值480V的包络线型保护装置，可能允许一个发生在+90°相位的169V正瞬态脉冲通过。同样的装置可能允许发生在+180°相位下的一个480V的正瞬态脉冲通过。如果相同的瞬态脉冲发生在+270°相位，则可能让一个960伏特的正瞬态脉冲通过。

    包络线型钳位抑制装置对于防止结构简单的设备（比如电动机负载等）受瞬态损坏是有效的。但它们在保护敏感电子电路或微处理器的滤波精度方面却达不到要求的效果。  

    交流电源可以经过整流、滤波和逆变，向用电设备提供电源，高频瞬态能量可以通过电源线路进行传播（如通过电力变压器的旁路电容等），所传递的瞬态浪涌能量大小取决于工频交流电正弦波上叠加的瞬时过电压幅值。

    在实验室所进行的测量表明，在交流电源输入端的瞬态过电压，有0.1％至2％会出现在敏感电子电路的直流电源母线上。开关电源比线性电源更严重，一般有1％以上的瞬态过电压进入电路内部。对于电源滤波电容器，由于它的自感存在，并不能对瞬态过电压脉冲进行完全的衰减。因此，在交流电源输入端使用包络线型钳位浪涌抑制装置，如果电源保护器仅能限制正弦波以上570V的瞬态过电压，将有5.7V的浪涌峰值会出现在直流母线上，该值足以扰乱逻辑信号，甚至损坏芯片。    

    通过采用改进的电源浪涌保护器-正弦波跟踪滤波浪涌保护器可以克服上述缺点。这类保护器的钳制电压不是固定的包络线，而是跟踪正弦波波形变化。正弦波跟踪抑制装置采用复合混合滤波器／抑制器电路，无论瞬态浪涌在什么相位下，都可有效地衰减吸收高频瞬态能量。因此，与固定门限钳位装置相比，无论任何时刻，均可达到最佳的、一致的电源保护水平。其示意图如下。  

    美国JOSLYN公司生产的跟踪滤波浪涌保护器是最好的正弦波跟踪滤波浪涌保护器，在浪涌保护器的内部有增强型跟踪滤波器，从而大大提高滤波的精度。美国JOSLYN公司生产的跟踪滤波浪涌保护器可将浪涌衰减到正弦波的几十伏特以内。它保证通过微小的残余瞬态浪涌小到不足以引起电路损坏或电路板逻辑错误。美国JOSLYN公司生产的跟踪滤波浪涌保护器滤波效果示意图如下。    

    因此，在对电子设备运行的可靠性和稳定性要求较高的场所，如金融、航空、军事、交通、安防、精密生产等领域，推荐采用带跟踪滤波器的瞬态浪涌保护器，确保系统的长期稳定运行，免除因浪涌造成的错误、故障及维护、维修损失。

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