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浪涌保护器工作原理

来源:西安威森电气有限公司 发布时间:2017-05-31

浪涌保护器工作原理

引言

在配置计算机系统时,您可能购买的一个标准元件将是浪涌保护器。浪涌保护器的大部分设计都能提供一个非常明显的功能——允许多个元件共用一个电源插座。因为计算机系统是由各种不同的元件组成的,所以浪涌保护器确实是一个非常有用的装置。

但是带有浪涌保护器的电源板的另一个功能——保护计算机中电子设备免受电源浪涌的损害——要重要得多。在本文中,我们将了解浪涌保护器(也称为浪涌抑制器),揭示其作用、适用情况和工作效果。此外,我们还将介绍它能提供何种水平的保护,为什么即使您使用了优质浪涌保护器,也可能得不到需要的所有保护。

浪涌基本知识

浪涌保护器系统的主要作用是保护电子设备免受“浪涌”的损害。因此,如果您想知道浪涌保护器的作用,就需要弄清楚两个问题:什么是浪涌?电子设备为什么需要它们的保护?

电涌或瞬变电压是指电压在电能流动的过程中大幅超过其额定水平。在美国,一般家庭和办公环境配线的标准电压是120伏。如果电压超过了120伏,就会产生问题,而浪涌保护器有助于防止该问题损坏计算机。

为了澄清这一问题,了解一些有关电压的知识会很有帮助。电压是一种表示电势能差额的度量单位。电流能够从一点流到另一点,是因为电线一端的电势能比另一端的电势能大。这与水在压力下流出水管的原理相似——水管一端的高压推动着水流向压力较低的区域。因此,您可以将电压看作是电压力的度量单位。

我们稍后将了解到,有各种因素可以引起电压的短暂上升。

  • 当电压增加持续三毫微秒(十亿分之一秒)或更长时间时,被称为浪涌。
  • 当电压增加仅持续一毫微秒或两毫微秒时,被称为尖峰。

如果浪涌或尖峰电压足够高,它就可能对计算机造成某种严重损坏。这种效果与向水管施加过大水压十分相似。如果水压过大,水管将会爆裂。如果电线中的电压过大,也会发生类似的事情——电线“爆裂”。实际上,它会像电灯泡灯丝一样发热并烧断,但原理相同。增加的电压即使不会立即损坏计算机,也会使元件过度损耗,长期下来会降低它们的使用寿命。在下一部分中,我们将了解浪涌保护器如何防止此情况的发生。

浪涌保护过程

标准浪涌保护器会将来自电源插座的电流输送给电源板上插接的多个电气和电子设备。如果产生浪涌或尖峰,使电压超过了可接受的级别,浪涌保护器会将多出来的电流转移到电源插座的地线。

在最常见的浪涌保护器中,都有一个称为金属氧化物变阻器(Metal Oxide Varistor,MOV)的元件,用来转移多余的电压。如下图所示,MOV将火线和地线连接在一起。

MOV由三部分组成:中间是一根金属氧化物材料,由两个半导体连接着电源和地线。

这些半导体具有随着电压变化而改变的可变电阻。当电压低于某个特定值时,半导体中的电子运动将产生极高的电阻。反之,当电压超过该特定值时,电子运动会发生变化,半导体电阻会大幅降低。如果电压正常,MOV会闲在一旁。而当电压过高时,MOV可以传导大量电流,消除多余的电压。

一个由线路调节部分和保险丝组成的简单MOV浪涌保护器
一个由线路调节部分和保险丝组成的简单MOV浪涌保护器

随着多余的电流经MOV转移到地线,火线电压会恢复正常,从而导致MOV的电阻再次迅速增大。按照这种方式,MOV仅转移电涌电流,同时允许标准电流继续为与浪涌保护器连接的设备供电。打个比方说,MOV的作用就类似一个压敏阀门,只有在压力过高时才会打开。

其他浪涌保护装置

另一种常见的浪涌保护装置是气体放电管。这些气体放电管的作用与MOV相同 ——它们将多余的电流从火线转移到地线,通过在两根电线之间使用惰性气体作为导体实现此功能。

当电压处于某一特定范围时,该气体的组成决定了它是不良导体。如果电压出现浪涌并超过这一范围,电流的强度将足以使气体电离,从而使气体放电管成为非常良好的导体。它会将电流传导至地线,直到电压恢复正常水平,随后它又会变成不良导体。

这两种方法都是采用并联电路设计——多余的电压从标准电路流入另一个电路。有几种浪涌保护器产品使用串联电路设计抑制电涌——它们不是将多余的电流分流到另一条线路,而是通过降低流过火线的电量。基本上说,这些抑制器在检测到高电压时会储存电能,随后再逐渐释放它们。制造这种保护器的公司解释说该方法可以提供更好的保护,因为它反应速度更快,并且不会向地线分流,但另一方面,这种分流可能会干扰建筑物的电力系统。

作为辅助元件,有些浪涌保护器还配有内置保险丝。保险丝是一种电阻器,当电流低于某个标准时,它的导电性能非常好。反之,当电流超过了可接受的标准,电阻产生的热量会烧断保险丝,从而切断电路。如果MOV不能抑制电涌,过高的电流将烧断保险丝,保护连接的设备。该保险丝只能使用一次,一旦烧断就需要更换。

具有线路调节扼流圈的浪涌保护器的内部结构
具有线路调节扼流圈的浪涌保护器的内部结构

有些浪涌保护器具有线路调节系统,用于滤除“线路噪声”,减小电流波动。这种基本浪涌保护器的系统结构非常简单。火线通过环形扼流线圈接到电源板插座上。扼流线圈只是一个用磁性材料做成的环,外面缠绕着导线——基本的电磁铁。火线中所流经电流的上下波动会给电磁铁充电,使其发出电磁能量,从而消除电流的微小波动。这种“经过调节”的电流更加稳定,可使计算机(或其他电子设备)的供电电流更加平缓。

浪涌源

当某种装置在电源线中的某点使电荷激增时,就会产生电涌。这会导致电势能的增加,从而增大流出壁式电源插座的电流。有很多因素可导致发生电涌。

最常见的来源大概是闪电,尽管它实际上很少带来麻烦。当闪电划过电源线附近时,无论电源线是埋在地下、置于建筑物中还是沿着电线杆延伸,闪电电能都可以增加几百万伏的电压。其带来的强大电涌将超过几乎任何浪涌保护器的承受范围。在雷电交加的暴风雨中,您永远不可能依赖浪涌保护器来保护计算机,最好的保护方法就是切断计算机电源。

更常见的电涌源是大功率电气设备,例如电梯、空调和电冰箱。这些大功率设备在启动和关闭压缩机和电动机等部件时需要大量的电能。这种切换操作会产生突然且短暂的电力需求,从而扰乱电力系统的电压稳定。虽然这些浪涌远不如闪电带来的浪涌强,但是它们的强度也足以立即或逐渐损坏设备元件,并且它们会在大多数建筑物电力系统中经常发生。

其他电涌源包括错误配线、供电公司的设备问题和电源线老化等等。将电流从发电机传输到家庭或办公环境的变压器和线路系统非常复杂,其中可能会有很多故障点和错误会导致电流不稳。在今天的配电系统中,电涌的发生不可避免。在下一部分中,我们将了解这对您来说意味着什么。

是否需要安装浪涌保护器

在上一部分中,我们了解到电涌是一种常见现象,在我们目前的家庭和办公供电系统中是不可避免的。这就产生了一个有趣的问题:如果电涌是电力系统固有的现象,为什么在50年前我们的家庭中就不需要浪涌保护器呢?

回答是,现代电子设备(例如,计算机、微波炉、DVD播放器)非常复杂,其中的很多元器件要比以前机器中的元器件更小和更精密,因此它们对电流的增加更敏感。微处理器是所有计算机和许多家用设备中不可缺少的部件,它们对电涌特别敏感。只有在电压正常、电流稳定的条件下,才能正常工作。

因此,是否应该安装浪涌保护器取决于连接到电源的设备种类。

  • 没有理由为电灯泡安装浪涌保护器,因为电涌可能造成的最坏结果只是烧断灯丝。
  • 而计算机上肯定应该使用浪涌保护器。计算机中的电压敏感元件很容易被电涌损坏。至少,这种损害将会缩短计算机的使用寿命,而且会很容易删除存储的所有数据或损坏系统。计算机是非常昂贵的物品,存储在里面的数据经常无法替代,因此最经济的做法就是购买高品质的浪涌保护器。
  • 最好也为其他高端电子设备(例如,娱乐中心使用的设备)安装浪涌保护器。一般而言,浪涌保护器可以延长这些设备的使用寿命。但是,总是有可能出现强大电涌导致设备严重损坏的情况。
                                                                                          电缆浪涌保护器

浪涌保护器的一个问题是,一次较强的电涌就可能将MOV烧毁。因此,最好购买带指示灯的保护器,以便判断它是否工作正常。

即使您为所有的电源插座都连接了浪涌保护器,您的设备还是有可能受到来自其他电涌源的破坏。电话和电缆线路也可能传导高电压——为了获得充分保护,您也应该防范来自电话或电缆线路的电涌。由于闪电或许多其他因素,任何向家中传入信号的线路也都有可能带来电涌。如果计算机是通过调制解调器连接到电话线的,那么应该安装一个带电话线输入插孔的浪涌保护器。如果同轴电缆线上连接了昂贵的设备,那么也应该考虑使用电缆浪涌保护器,因为这些线路上产生的电涌与电源线上产生的电涌具有同样的危害。

浪涌保护级别

大多数系统都会存在一些局限。在挑选适合的保护器系统时,需要全面权衡系统的成本与数据丢失或电子设备损坏的成本。这就像购买保险一样,您应该找到适合自己的保险范围。

若要保护设备免受浪涌的损害,需要为每个电源插座安装一个浪涌保护器。这些电源板的质量和容量多种多样(详见下一部分)。电源板浪涌保护器有三个基本等级:

  • 基本电源板——这是一些具有五、六个电源插座的基本延长线缆部件。通常,这些型号仅能提供基本的保护。
  • 较好的电源板——在美国,售价在15至25美元之间的电源板浪涌保护器,具有更好的评级和更多功能。
  • 浪涌保护站——这些大型浪涌保护器可以安装在计算机下面或地板上。它们可以提供出色的电压保护和高级线路调节。大部分型号还配有电话线输入端,用来保护调制解调器免受电涌的损害,并且还可能配备了内置电路断路器。在美国,只需花30美元就能买到一台这样的装置,而较为高级的型号则可能高达100美元。
  • 不间断电源(UPS)——某些装置集持续UPS和浪涌保护功能于一身。持续UPS的基本设计是将交流电转换为直流电,并将其存储在电池中。随后,UPS再将电池的直流电转换回交流电,并将其传输到交流电插座为电子设备供电。如果出现了停电,计算机将依靠存储在电池中的电源继续运行。这样您可以有几分钟的时间来保存工作,然后关闭计算机。该转换过程还可以消除来自交流电插座的大部分线路噪声。在美国,此类装置的售价一般不低于150美元。

虽然普通UPS能提供高水平的保护,但您仍然应该使用浪涌保护器。UPS可以使计算机远离大部分浪涌,但是它本身可能会遭受严重的损害。因为我们可以将基本浪涌保护器仅用于保护UPS,这的确是一个好主意。

一旦确定了需要的浪涌保护级别,您就可以去购买一个合适的浪涌保护装置。在下一部分中,我们将了解考虑不同型号的保护器时应该注意哪些问题。

浪涌稳定器


您还可以安装“全住宅”浪涌稳定器。通常,这些装置安装在电表附近,电源线就是从这里接入建筑物的。这可以保护家庭或办公环境中的所有电路免受特定范围内电压浪涌的损害。为保护整个住宅而设计的装置,通常安装在户外。较好的浪涌稳定器可以处理最大2万伏的浪涌,而普通电源插座浪涌保护器只能应对6000伏以下的电压。实际上,一些高端浪涌稳定器还能够监视天气情况,当所在地区出现闪电时,稳定器将停止对比较敏感的电子设备供电。 
全住宅浪涌稳定器可抑制因外部因素产生的电涌(如公司供电出现问题、变压器切换等情况时),但对于住宅内由于设备运转而产生的大量电涌,它起不到任何作用。­

挑选适当的浪涌保护器

购买浪涌保护器时需要非常小心,因为市场上充斥着大量几乎不起任何作用的产品。研究特定的型号是确保买到合适产品的最佳方法,不过仔细留心几个质量标志,也能很好地了解产品的性能级别。

首先,查看价格。从常理来讲,不要对那些售价低于10美元的浪涌保护器抱有太多期望。这些装置通常采用简单、低廉的MOV,容量相当有限,在出现较大浪涌或尖峰时将不能保护您的系统。

当然,价格高并不能保证质量好。在美国,您若要了解设备的容量,需要查看其美国安全检测实验室 (UL)标称值。UL是一个独立的非赢利公司,它专门为电气和电子产品提供安全检测。如果保护器没有UL标志,它可能就是一个垃圾产品,甚至根本没有任何保护元件。如果它使用的是MOV,这些MOV的质量可能会非常低劣。廉价的MOV很容易过热,进而导致整个浪涌保护器起火。实际上,这种事经常发生!

当然,许多具有UL标志的产品也是质量低劣的产品,但最起码您可以确保它们具有一定的保护能力,可以勉强符合安全标准。您要确保产品标示为瞬变电压浪涌抑制器。这表示它符合UL 1449标准,即浪涌抑制器的UL最低性能标准。许多带有UL标志的电源板其实根本就没有浪涌保护元件,UL的标志只表示它们可以用作延长线缆。

瞬变电压浪涌抑制器

在带有UL标志的浪涌保护器上,可以发现几组标称值。如下所示:

  • 箝位电压——这表示将导致MOV接通地线的电压值。箝位电压越低,表示保护性能越好。此UL标称值有三个保护水平——330伏、400伏和500伏。通常,箝位电压超过400伏就太高了。 
  • 能量吸收/耗散能力——此标称值表示浪涌保护器在烧毁前能够吸收多少能量,单位为焦耳。其数值越高,保护性能就越好。您购买的保护器的这一标称值至少要在200至400焦耳之间。若要获得更好的保护性能,应该寻找此标称值在600焦耳以上的产品。 
  • 响应时间——浪涌保护器不会立刻断开;它们对电涌做出响应会有略微的延迟。响应时间越长,表示计算机(或其他设备)将遭受浪涌的持续时间越长。请购买响应时间低于一毫微秒的浪涌保护器。

此外,您还应该购买具有指示灯的保护器,以便判断保护元件是否在起作用。在遭受多次电涌之后,所有MOV都将会烧毁,但是保护器仍然会作为一个电源板而工作。没有电源指示灯,就无法得知保护器是否仍然在正常工作。

这是一款贝尔金SurgeMaster II中型浪涌保护器,上面带有电话线接口
这是一款贝尔金SurgeMaster II中型浪涌保护器,上面带有电话线接口

较好的浪涌保护器可能会提供某种性能保证。如果您要购买比较昂贵的设备,请在计算机上寻找带有质量保证的保护器。如果该设备未能保护计算机免受电涌的损害,制造商肯定会为您更换一台计算机。当然,这也不能完全保险——仍然有可能丢失硬盘驱动器上的所有数据,这可能会让您损失惨重——但另一方面,这也是制造商对自己产品有信心的良好表现。

没有百分之百有效的浪涌保护器,即使是最高端的线路设备也可能出现某种严重问题。实际上,电子学专家对消除电涌的最佳方法也存在一些分歧,不同的制造商还在相互诟病各自技术存在的固有缺陷。如果您有兴趣了解有关问题的更多信息,并探讨浪涌保护技术的固有缺陷,请查看下一页的链接。令人惊讶的是,浪涌保护器是一项极富争议的技术,人们在网上引发了一轮又一轮的激烈争论。

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