通信系統(tǒng)過(guò)電壓產(chǎn)生的原因與防護(hù)

摘要：敘述在通信系統(tǒng)中過(guò)電壓產(chǎn)生的原因、雷電的形成、防護(hù)的措施以及各種防護(hù)器件。

關(guān)鍵詞：過(guò)電壓雷電防護(hù)器件

Emerging Reason and Protection of Over? Voltage in Communication System

Abstract: This paper presents emerging reasons of over? voltage,forms of lightning,protection measures as well as all kinds of protection devices.

Keywords:Over? voltage,Lightning,Protection,Devices

　　1引言

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，人們對(duì)現(xiàn)代化的通信手段的依賴(lài)程度越來(lái)越強(qiáng)烈?，F(xiàn)代通信正向大規(guī)模、高速度、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。這就要求通信設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)能夠安全可靠的運(yùn)行。但在日常工作中由于雷擊和電磁感應(yīng)等各種原因產(chǎn)生的過(guò)電壓，時(shí)常破壞和干擾通訊系統(tǒng)及其附屬設(shè)施（如交換機(jī)、遠(yuǎn)端模塊、傳真機(jī)、電話(huà)機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、開(kāi)關(guān)電源、機(jī)房空調(diào)等），造成財(cái)產(chǎn)損失、設(shè)備停用，嚴(yán)重時(shí)甚至威脅維護(hù)人員和用戶(hù)的人身安全，給通信部門(mén)和用戶(hù)帶來(lái)巨大損失。因此，如何防止過(guò)電壓的產(chǎn)生，減輕過(guò)電壓造成的危害，一直是通信部門(mén)十分關(guān)注的問(wèn)題。在具體的維護(hù)工作中，我們應(yīng)針對(duì)不同的過(guò)電壓產(chǎn)生的原因，采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以確保通信設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。

2過(guò)電壓產(chǎn)生的原因

過(guò)電壓的產(chǎn)生有多種原因，其中最常見(jiàn)的是靜電放電、電磁感應(yīng)等。

靜電放電所產(chǎn)生的過(guò)電壓中，最具代表性的是雷擊過(guò)電壓。電磁感應(yīng)過(guò)電壓包括雷電感應(yīng)過(guò)電壓和其它感應(yīng)過(guò)電壓等。

2.1雷擊過(guò)電壓的形成

密集于大地上空的帶有大量正電荷或負(fù)電荷的云，稱(chēng)為雷云。當(dāng)雷云中的電荷聚集量很大且具有較高的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，周?chē)恼?、?fù)雷云之間或雷云與大地之間，可能發(fā)生強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象，稱(chēng)之為雷電現(xiàn)象。

圖1 實(shí)驗(yàn)中的雷電波波形

習(xí)慣上把大地的電位視為零，雷云的電位遠(yuǎn)高于大地的電位，由于靜電感應(yīng)而使大地感應(yīng)出大量的與雷云電荷異號(hào)的電荷，兩者類(lèi)似于一個(gè)巨大的空間電容器。雷云中的電荷分布并不均勻，常常形成多處電荷聚集中心，當(dāng)它的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到（25～30）kV/cm時(shí)，雷云就會(huì)開(kāi)始向大地方向擊穿空氣，形成一個(gè)導(dǎo)電的空氣通道，稱(chēng)為雷電先導(dǎo)。當(dāng)雷電先導(dǎo)進(jìn)展到離地面100m～300m時(shí)，地面上感應(yīng)出來(lái)的異號(hào)電荷也在相對(duì)集中，尤其是向地面上較高的突出物上集中，于是形成了迎雷先導(dǎo)。迎雷先導(dǎo)和雷電先導(dǎo)在空中相互靠近，當(dāng)兩者接觸時(shí)，正、負(fù)電荷強(qiáng)烈中和，出現(xiàn)極大的電流并伴有雷鳴和閃光，這就是雷電的主放電階段，時(shí)間很短，一般為50μs～100μs。主放電階段過(guò)后，雷云中的剩余電荷沿主放電通道繼續(xù)流向大地，稱(chēng)為放電的余輝階段，時(shí)間約為0.03s～0.15s，但電流較小，約幾百安。

雷電波具有很高的電壓幅值和電流幅值，前者難以測(cè)量，后者則可測(cè)得雷電流的幅值和增長(zhǎng)速率（即雷電流陡度），這兩個(gè)參數(shù)是防雷設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。圖1是在實(shí)驗(yàn)中得到的雷電波的波形，從圖中可以看出雷電流從先導(dǎo)放電開(kāi)始到最大值時(shí)間很短，一般約1μs～4μs，稱(chēng)為波頭the；雷電流從最大幅值開(kāi)始衰減，到幅值之半所經(jīng)歷的時(shí)間tta稱(chēng)為波尾，約需數(shù)十微秒。波頭和波尾的整體波形為雷電流波形，通常可用斜角波頭表示。雷電流（或雷電壓）波形是一種脈沖

圖2感應(yīng)過(guò)電壓沖擊波的形成過(guò)程

（a）架空線(xiàn)上的束縛電荷(b)沖擊涌流波，所以常稱(chēng)為沖擊波，它是有極性的。

雷電流陡度a=di/dt，是波頭部分的增長(zhǎng)速度，單位為kA/μs。雷電流陡度越大，產(chǎn)生的過(guò)電壓（u=Ldi/dt）越大，對(duì)電氣設(shè)備絕緣的破壞性越嚴(yán)重。如何設(shè)法降低雷電流的陡度是防雷設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。

2.2雷電感應(yīng)過(guò)電壓的形成

在架空線(xiàn)路附近發(fā)生對(duì)地雷擊時(shí)，架空導(dǎo)線(xiàn)上有可能感應(yīng)出很高的電壓，其幅值可達(dá)300V～400V，對(duì)電氣絕緣的破壞性很大，必須設(shè)法加以防范。

在雷云放電的起始階段，雷電先導(dǎo)中有大量電荷向地面挺進(jìn)，這些電荷形成的電場(chǎng)對(duì)架空導(dǎo)線(xiàn)發(fā)生靜電感應(yīng)，于是導(dǎo)線(xiàn)上逐漸聚集起大量與雷云電荷異號(hào)的束縛電荷Q，見(jiàn)圖2(a）。由于架空導(dǎo)線(xiàn)與大地間形成電容C，所以導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地的雷電感應(yīng)電壓U可用下式表示

U=Q/C

在雷云放電的同時(shí)，架空導(dǎo)線(xiàn)上的束縛電荷因失去外界束縛力而變?yōu)樽杂呻姾桑ㄐ纬筛袘?yīng)雷電流），在雷電感應(yīng)電壓U的作用下以電磁波的傳播速度沿導(dǎo)線(xiàn)向兩側(cè)沖擊涌流，如圖2（b）所示，通常稱(chēng)為感應(yīng)沖擊波，這就是感應(yīng)過(guò)電壓沖擊波的形成過(guò)程。感應(yīng)過(guò)電壓沖擊波沿架空導(dǎo)線(xiàn)侵入設(shè)備后，對(duì)電氣設(shè)備的絕緣有很大破壞性。

感應(yīng)過(guò)電壓的幅值與雷電流的幅值成正比、與雷擊地點(diǎn)到導(dǎo)線(xiàn)的垂直距離s成反比。若s≤65m，則導(dǎo)線(xiàn)上出現(xiàn)的過(guò)電壓可認(rèn)為是直擊雷形成的過(guò)電壓。

圖3單支避雷針的保護(hù)范圍

2.3其它感應(yīng)過(guò)電壓

對(duì)于通訊線(xiàn)路來(lái)講，感應(yīng)過(guò)電壓不僅僅是雷電感應(yīng)過(guò)電壓。當(dāng)通訊線(xiàn)路與電力電纜敷設(shè)于同一電纜管道中，當(dāng)電流流過(guò)電力電纜時(shí)，在電力電纜周?chē)蜁?huì)產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，這一電磁場(chǎng)能在通訊線(xiàn)路中感應(yīng)出干擾電壓，這個(gè)干擾電壓雖功率較低，但其持續(xù)時(shí)間實(shí)際上是無(wú)限的。特別是當(dāng)電力電纜漏電時(shí)，對(duì)通訊電纜的危害將更大，因此在工程中應(yīng)合理敷設(shè)電纜，盡量將不同類(lèi)型的電纜管道分開(kāi)。

從以上過(guò)電壓產(chǎn)生的原因可以看出，直擊雷過(guò)電壓對(duì)通信建筑、無(wú)線(xiàn)基站、無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的鐵塔、天饋線(xiàn)、發(fā)射機(jī)等高大建筑物和通信設(shè)備有較大的危害；而感應(yīng)過(guò)電壓對(duì)交換機(jī)、配線(xiàn)架、遠(yuǎn)端模塊、變壓器、開(kāi)關(guān)電源、傳真機(jī)、電話(huà)機(jī)等構(gòu)成危害。這就要求對(duì)不同的設(shè)備，不同的過(guò)電壓產(chǎn)生的原因，采取不同的防護(hù)措施。

3過(guò)電壓的防護(hù)

3.1雷電過(guò)電壓的防護(hù)

直擊雷的防護(hù)一般采用避雷針、避雷線(xiàn)、避雷網(wǎng)等來(lái)保護(hù)被保護(hù)對(duì)象。

（1）避雷針

避雷針是一種高出被保護(hù)物的金屬針，它的作用是將雷電吸引到金屬針上來(lái)并安全地導(dǎo)入大地，從而保護(hù)附近的被保護(hù)物免遭雷擊。當(dāng)雷電先導(dǎo)通道向地面迅速發(fā)展而距避雷針頂部較近時(shí)，雷云中的電荷即被引向避雷針而導(dǎo)入地中。避雷針在結(jié)構(gòu)上一般由接閃器、引下線(xiàn)及接地體3個(gè)主要部分組成。接閃器是避雷針頂部直接與雷云閃絡(luò)放電的部件，一般用1m～2m長(zhǎng)的鍍鋅鋼管(直徑大于12mm)或鍍鋅圓鋼管(直徑大于20mm)做成，鍍鋅的目的在于防腐蝕和防銹；引下線(xiàn)采用經(jīng)過(guò)防腐蝕處理的圓鋼（直徑大于8mm）或扁鋼(截面積大于12mm×4mm)，一般應(yīng)沿支持構(gòu)架或建筑物外墻以最短路徑下地，盡量減小雷電流在引下線(xiàn)上產(chǎn)生的電壓降；接地體是埋入地下土壤中的接地裝置，用來(lái)向大地泄放雷電流的。

圖4單支避雷線(xiàn)的保護(hù)范圍

避雷針的保護(hù)范圍是根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果而確定的，所謂保護(hù)范圍是指被保護(hù)物在此空間范圍內(nèi)不會(huì)遭受雷擊。單支避雷針的保護(hù)范圍是以避雷針為軸的折線(xiàn)圓錐體，跟雨傘有些相似，如圖3所示。折線(xiàn)的確定方法是：A點(diǎn)為避雷針的頂點(diǎn)，避雷針高度為h；B－B′水平線(xiàn)距地面高度為h/2；C（C′）點(diǎn)是地平面上距避雷針（垂直線(xiàn)）1.5h的點(diǎn)；自A點(diǎn)作－45°及225°斜線(xiàn)與B－B′水平線(xiàn)的交點(diǎn)B（B′）。聯(lián)結(jié)ABC和AB′C′折線(xiàn)所包圍的空間即為單支避雷針的保護(hù)范圍，在地面上的保護(hù)半徑r=1.5h。

被保護(hù)物的高度系指建筑物最高點(diǎn)的高度，被保護(hù)物必須完全處于折線(xiàn)錐體的范圍之內(nèi)，這樣才不致于遭受雷擊。對(duì)單支避雷針保護(hù)不理想的情況，還可以采用兩支或多支避雷針保護(hù)，具體的計(jì)算方法與單支避雷針類(lèi)似。

（2）避雷線(xiàn)

避雷線(xiàn)主要用來(lái)保護(hù)傳輸線(xiàn)路，它由懸掛在被保護(hù)物上方的鋼絞線(xiàn)、接地引下線(xiàn)和接地體3個(gè)主要部分組成。

單支避雷線(xiàn)的保護(hù)范圍如圖4所示。由避雷線(xiàn)向兩側(cè)作與垂直面成25°的斜面，即構(gòu)成保護(hù)范圍的上部空間；在h/2處轉(zhuǎn)折，與地面上離避雷線(xiàn)水平距離為h的直線(xiàn)相連的平面，構(gòu)成了保護(hù)范圍的下部空間，總體保護(hù)范圍如同一個(gè)屋脊形空間，被保護(hù)物必須處于該保護(hù)空間之內(nèi)。

比較圖3和圖4可知，同樣高度的避雷針和避雷線(xiàn)，避雷針的保護(hù)半徑（寬度）較大，在地面上保護(hù)半徑約為避雷線(xiàn)保護(hù)寬度的1.5倍，因?yàn)楸芾揍樝葘?dǎo)的能力大于避雷線(xiàn)。

（3）避雷網(wǎng)、帶

避雷網(wǎng)是在被保護(hù)建筑物屋頂上連結(jié)成的金屬網(wǎng)格，用引下線(xiàn)接至接地體。金屬網(wǎng)格可用直徑大于8mm的鋼筋或截面大于12mm×4mm的扁鋼焊接而成，其邊長(zhǎng)不宜超過(guò)6m～10m。對(duì)于屋脊、屋角、屋檐、檐角等易受雷擊的部位，宜采用避雷網(wǎng)防護(hù)直擊雷。避雷網(wǎng)還有防護(hù)雷電感應(yīng)的作用。

避雷帶是在建筑物的邊緣及凸出部分裝設(shè)的金屬鋼帶，利用澆灌在建筑物上的支持鐵夾加以固定。支持鐵夾高出屋面約100mm～150mm，每?jī)芍цF夾間的距離為1m～1.5m；鋼帶一般采用直徑大于8mm的圓鋼或截面積大于12mm×4mm的扁鋼。避雷帶同樣需經(jīng)引下線(xiàn)接至接地體，還可以與建筑物的鋼筋焊接在一起，以減小接地電阻。

防雷設(shè)施用的接地體，其效果和作用的大小可用沖擊接地電阻Rsh來(lái)表達(dá)，Rsh愈小則說(shuō)明該接地體的效果和作用愈好。所謂沖擊接地電阻，就是通過(guò)接地體引泄雷電流時(shí)的電阻。由于接地體引泄雷電流時(shí)電流密度很大，使接地體周?chē)寥赖碾妶?chǎng)強(qiáng)度增大，所以接地體周?chē)鷮a(chǎn)生局部火花放電。在火花放電范圍內(nèi)，土壤中的電壓降有所減小，相當(dāng)于增大了接地體的尺寸，因此沖擊接地電阻比工頻接地電阻要小些。即

圖5避雷針與被保護(hù)物間的距離

Rsh=ashRE

式中RE——工頻接地電阻（可測(cè)得）；

ash——沖擊系數(shù)，一般小于1。

獨(dú)立避雷針均應(yīng)有獨(dú)立的接地體，按規(guī)定沖擊接地電阻宜小于10Ω。放雷設(shè)施在雷雨季節(jié)必須處于良好的運(yùn)行狀況，接閃器與引下線(xiàn)之間，引下線(xiàn)與接地體之間應(yīng)可靠連接；還應(yīng)特別注意避雷針（線(xiàn)）與被保護(hù)物之間的距離，防止雷電流產(chǎn)生的高電位對(duì)被保護(hù)物發(fā)生反擊現(xiàn)象。例如，在圖5中避雷針距被保護(hù)物的最近點(diǎn)A之電位為

uA=uR＋uL=iRsh＋Ldi/dt

式中uR——雷電流在接地體上產(chǎn)生電位的電阻分量；

uL——雷電流在h段引下線(xiàn)上產(chǎn)生的電感壓降（即電位的電感分量，忽略引下線(xiàn)電阻）；

圖6雷電沖擊波

Rsh——接地體電阻；

L——h段引下線(xiàn)的電感；

i——雷電流，設(shè)計(jì)時(shí)可取150kA。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，工程上可按下式確定安全空氣距離Ssaf

Ssaf≥0.3Rsh＋0.12h

式中Ssaf——安全空氣距離，m。

為保證安全可靠，避雷針（線(xiàn)）的安全空氣距離Ssaf不得小于5m。

為了防止避雷針（線(xiàn)）接地體在土壤中對(duì)被保護(hù)物接地體發(fā)生閃絡(luò)，兩接地體之間必須保持足夠的地中距離SE，通?？砂聪率酱_定

SE≥0.3Rsh

要求SE不小于3m。

3.2感應(yīng)過(guò)電壓的防護(hù)

（1）雷電沖擊波的特性

當(dāng)傳輸線(xiàn)路遭受雷擊后，在導(dǎo)線(xiàn)上產(chǎn)生雷電沖擊波并以電磁波速度向?qū)Ь€(xiàn)兩側(cè)流動(dòng)，這種流動(dòng)的沖擊波又叫行波。如果忽略導(dǎo)線(xiàn)的分布電阻和導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地電導(dǎo)，僅考慮導(dǎo)線(xiàn)的分布電感L0和分布電容C0，當(dāng)行波經(jīng)過(guò)導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，在L0中形成磁場(chǎng)，能量為L(zhǎng)0i2/2；在C0中形成電場(chǎng)，能量為C0u2/2。隨著電流和電壓沖擊波對(duì)L0和C0的充放電變化，相當(dāng)于行波沿?zé)o損導(dǎo)線(xiàn)向前傳播。

設(shè)行波在某一瞬間的電位分布如圖6所示，若A、B兩點(diǎn)之間距離x=vt，B點(diǎn)對(duì)地電位為零，則A、B兩點(diǎn)間的電感為L(zhǎng)0x=L0vt，于是A點(diǎn)電位為

uA=L0vtdi/dt=L0vta

式中v—行波速度；

a=di/dt—電流沖擊波的陡度。

同時(shí)，A點(diǎn)電位還與A點(diǎn)在dx段的對(duì)地電容C0dx充電電荷量有關(guān)。設(shè)單位長(zhǎng)度導(dǎo)線(xiàn)上的電荷量為q，則導(dǎo)線(xiàn)在dx段上的電荷量為qdx。因此

uA=qdx/C0dx=q/C0

電流i可用電荷量的變化率來(lái)表示，即

i=qdx/dt=qd(vt)/dt=qv=at

故uA=at/vC0

又因uA=L0vta

由此可得

在架空傳輸線(xiàn)路中若假定為無(wú)損導(dǎo)線(xiàn)，則可認(rèn)為，雷電沖擊波（行波）在無(wú)損導(dǎo)線(xiàn)中的行進(jìn)速度與電磁波的傳播速度相同（即光速）。如果導(dǎo)線(xiàn)與地之間充填其它介質(zhì)，例如用絕緣紙、塑料或其它介質(zhì)充填的電纜等，則雷電沖擊波在導(dǎo)線(xiàn)上的傳播速度將降低。另外，實(shí)際的導(dǎo)線(xiàn)總有分布電阻和對(duì)地電容，當(dāng)發(fā)生過(guò)電壓時(shí)還會(huì)產(chǎn)生電暈而造成能量損耗，所以行波在傳播過(guò)程中必然會(huì)逐漸衰減和變形，波幅值和波陡度會(huì)逐漸減小。

由此，在架空線(xiàn)路的終端串接大電感或并聯(lián)電容器，可以拉平?jīng)_擊波的波頭，對(duì)防雷是有利的，但不解決根本問(wèn)題。關(guān)鍵是降低沖擊波的幅值，把它抑制到規(guī)定的數(shù)值以下。

(2)感應(yīng)過(guò)電壓的防護(hù)

過(guò)電壓產(chǎn)生的同時(shí)往往伴隨著過(guò)電流的產(chǎn)生，因此在實(shí)施保護(hù)時(shí)要從限制過(guò)電壓和限制過(guò)電流兩方面考慮：即電壓限制和電流限制。

①電壓限制:從原理上講是應(yīng)用“非線(xiàn)性效應(yīng)”，使得在正常工作時(shí)在帶電導(dǎo)體和一個(gè)補(bǔ)償導(dǎo)體（通常是地）之間有一條開(kāi)路的電路。保護(hù)元件起作用后，電荷散逸使得電壓衰減。在這個(gè)過(guò)程中可能短暫地產(chǎn)生強(qiáng)電流，電壓限制元件的放電能力必須調(diào)整到要釋放電流的值。

常見(jiàn)的幾種電壓限制元件及其工作特性如下：

?過(guò)電壓放電器/氣體放電管：過(guò)電壓放電器/氣體放電管是具有一定氣密的玻璃或陶瓷外殼，中間充滿(mǎn)穩(wěn)定的氣體，如氖或氬，并保持一定壓力。電極表面涂以發(fā)射劑以減少電子發(fā)射能。這些措施使得動(dòng)作電壓可以調(diào)整(一般是70伏到幾千伏)，而且可保持在一個(gè)確定的誤差范圍內(nèi)。

當(dāng)電壓升高至放電電壓Ua之前，GDT（氣體放電管）是一個(gè)絕緣體（電阻Riso>100MΩ）。當(dāng)電壓升高到大于放電電壓后，過(guò)電流大部分泄入大地，產(chǎn)生電弧放電，電壓會(huì)降低到幾乎與電流大小無(wú)關(guān)的電弧電壓（10V～25V）。當(dāng)電流下降到低于低限值時(shí)，放電器會(huì)熄滅電弧并恢復(fù)其原來(lái)的高電阻狀態(tài)。GDT通常是安裝在承受運(yùn)行電壓的線(xiàn)路支線(xiàn)上，因此就有放電器不能熄弧的風(fēng)險(xiǎn)。所以對(duì)熄弧性能有一定的要求。GDT的能量吸收能力與其它電壓限制裝置相比是非常高的。放電特性也受電壓上升速度的影響。

這種裝置的兩電極和三電極型應(yīng)用于電訊工業(yè)中。三電極型專(zhuān)門(mén)為成對(duì)線(xiàn)路設(shè)計(jì)，可以理解為帶一個(gè)公共電弧室的兩個(gè)組合電極的放電器。這種設(shè)計(jì)可確保在兩個(gè)室中同時(shí)產(chǎn)生電弧，因而當(dāng)兩條線(xiàn)中同時(shí)發(fā)生干擾時(shí)，可以獲得最優(yōu)的共模干擾抑制。

?變阻器/VDR：變阻器是陶瓷元件，其應(yīng)用越來(lái)越廣。例如，將氧化鋅（與其它添加劑一起）在一定條件下燒結(jié)，電阻就會(huì)受電壓的強(qiáng)烈影響。這個(gè)特性也是其名字（電壓變阻器）的由來(lái)。電壓變阻器（VDR）也叫變阻器。電流（I）隨著電壓（U）的上升而急劇上升。正式的關(guān)系由公式I=aKU表達(dá)，其中K是與幾何形狀有關(guān)的元件常數(shù)，a是一個(gè)非線(xiàn)性指數(shù)。

變阻器的典型特性是當(dāng)處于工作電壓時(shí)，壓敏電阻值極大；在雷電波侵入作用下，它的電阻值甚小，向大地泄放電流。由于電流過(guò)大，因此變阻器內(nèi)部發(fā)熱量很大。變阻器在遠(yuǎn)高于其額定電壓的情形下運(yùn)行一般只可能保持很短的一段時(shí)間。

?齊納二極管：雙向齊納二極管具有與變阻器類(lèi)似的導(dǎo)電特性，對(duì)正向和反向電流在電流/電壓特性上有一個(gè)拐點(diǎn)。非線(xiàn)性指數(shù)比變阻器要高，使二極管的“開(kāi)通”更為急劇，因而可以有效地規(guī)定限制電壓。

其結(jié)構(gòu)是兩個(gè)二極管反向串聯(lián)，可獲得對(duì)稱(chēng)性。運(yùn)作于“反向”方式下的二極管PN結(jié)阻擋層一般可阻止電流經(jīng)過(guò)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)一定水平時(shí)，電子就會(huì)脫離其晶格束縛（即齊納效應(yīng)），而已經(jīng)大大加速的帶電粒子會(huì)從晶格中推出更多的粒子（即雪崩效應(yīng)）。結(jié)果就是阻擋層的“突破”并產(chǎn)生電流。這個(gè)“突破”電壓稱(chēng)為齊納電壓Uz，電壓穩(wěn)定效應(yīng)則是由于當(dāng)電壓大于Uz時(shí)，很大的電流變化只產(chǎn)生很小的電壓變化。齊納二極管的穩(wěn)壓效應(yīng)比變阻器要好。

齊納二極管的能量吸收比變阻器小，因?yàn)槠渥钃鯇颖茸冏杵鲗右〉枚?。因此齊納二極管的負(fù)荷承受能力要低得多，由此所出現(xiàn)的過(guò)熱情況可以部分地用壓制成形的金屬電極補(bǔ)償，電極可以散掉熱量，但也增加了體積。抑制二極管是一種特別的保護(hù)二極管，具有很短的反應(yīng)時(shí)間及很高的尖峰電流負(fù)荷承受能力。

?閘流二極管：由于放電電流中伴有很大的電壓降，變阻器和二極管必須吸收大量的能量。在保護(hù)設(shè)備起作用之后，容許把故障電壓降低到遠(yuǎn)低于保護(hù)電平的值，甚至低于運(yùn)行電壓，以便減少能量的轉(zhuǎn)換。這種特性類(lèi)似于放電器的“火花放電”。

在半導(dǎo)體元件中，上述特性可以在閘流二極管中觀察到。閘流二極管開(kāi)始會(huì)阻塞，直到達(dá)到放電電壓時(shí)，電壓下降至幾伏并產(chǎn)生放電電流。當(dāng)電流下降到最小值時(shí)，閘流二極管會(huì)重新阻塞，并恢復(fù)其原來(lái)的斷路狀態(tài)。與GDT一樣，在這種情況下，必須滿(mǎn)足干擾清除后會(huì)安全停止放電的要求。閘流二極管有單向和雙向元件。其特點(diǎn)是高尖峰電流和短反應(yīng)時(shí)間，因而特別適用于較高的保護(hù)電平（幾十伏到幾百伏）。

設(shè)計(jì)相同的齊納和閘流二極管其限制電壓與容許放電電流的關(guān)系取決于半導(dǎo)體。這些二極管的結(jié)構(gòu)和尺寸決定了能吸收的功率大小。隨著限制電壓的提高，齊納二極管的容許電流呈雙曲線(xiàn)下降，然而閘流二極管的容許電流幾乎是恒定的。其原因是，在閘流二極管放電以后，電壓降幾乎與電流大小無(wú)關(guān)。由此可見(jiàn)，在結(jié)構(gòu)體積相同的情況下，齊納二極管較適用于低的限制電壓，而閘流二極管則適用于高的限制電壓，其分界點(diǎn)是50V左右。

?熱敏電阻：以上所討論的元件其功能都是基于純電壓效應(yīng)。熱敏電阻在溫度升高時(shí)電阻會(huì)減少。與任何電阻一樣，電流所產(chǎn)生的電能損耗會(huì)使熱敏電阻升溫。升溫使電阻下降，電流升高。結(jié)果就形成了與穩(wěn)壓元件相似的電流/電壓關(guān)系。但是只有在反應(yīng)時(shí)間之后，這種效應(yīng)才會(huì)發(fā)生。所以保護(hù)作用受到元件熱慣性的影響。

②限流元件的電流限制特性有兩個(gè)功能：第一、當(dāng)超過(guò)電流限值時(shí)，無(wú)條件地切斷電路或者加以限制；第二、去耦與/或抑制短暫電壓/電流尖峰（大部分情況下與電壓限制元件一起使用）。

?電阻：電阻是去耦的最簡(jiǎn)單方式，一般沒(méi)有斷路的功能。電壓尖峰所產(chǎn)生的短暫電流尖峰會(huì)在電阻上產(chǎn)生相應(yīng)的壓降，因而減少了干擾的影響。去耦元件常常與電壓限制元件一起用于電路中而作為串聯(lián)的電阻器。

在應(yīng)用中最大允許串聯(lián)電阻常常受到很大的限制（限制為幾歐）。一方面，要求在工作電流下的電壓降低；另一方面，要求在工作電流下保護(hù)電阻器不會(huì)過(guò)載，由于去耦效應(yīng)與電阻值成比例，所以使用電感器應(yīng)該有所幫助。

?保險(xiǎn)絲：保險(xiǎn)絲是傳統(tǒng)的電流限制元件，是由導(dǎo)電熔絲構(gòu)成，置于線(xiàn)路中受保護(hù)元件的前邊。熔絲具有一定的電阻，熔絲的溫度在一定電流下會(huì)上升（溫度取決于熱容量、輻射和散熱），直到熔絲熔化，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

?電感：電感（線(xiàn)圈）可對(duì)短暫尖峰具有很高的去耦效應(yīng)，而同時(shí)保持很低的直流電阻。但也有一個(gè)缺點(diǎn)：其阻抗隨頻率而變，因而嚴(yán)重?fù)p害保護(hù)元件的傳輸性能。

?PTC（正溫度系數(shù)）電阻器：通常是陶瓷元件，在正常溫度下呈現(xiàn)歐姆特性，因此像電阻器一樣是去耦元件。溫度升高時(shí)，初始電阻基本保持不變。當(dāng)超過(guò)一個(gè)特定的溫度后，電阻急劇上升（上升104倍～106倍），當(dāng)溫度再升高時(shí)，電阻的上升又變平緩。溫度上升可能由于外部加熱也可以由電流產(chǎn)生的內(nèi)部加熱。在內(nèi)部加熱方面，PTC電阻器與保險(xiǎn)絲相似，不同的是當(dāng)故障清除以后，PTC電阻器能自動(dòng)地接通線(xiàn)路。因此，這種元件可以提供過(guò)電流保護(hù)而不需要太多的維護(hù)。

4結(jié)語(yǔ)

以上僅就過(guò)電壓的產(chǎn)生和保護(hù)在原理上進(jìn)行了分析，在實(shí)際工作中過(guò)電壓的防護(hù)是一項(xiàng)重要的工作。防護(hù)措施的好壞直接影響設(shè)備的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益以及人身安全。根據(jù)不同的設(shè)備要采取不同的防護(hù)措施，對(duì)重要的設(shè)備要采取多項(xiàng)措施和多級(jí)保護(hù)，以確保防護(hù)措施的可靠性及安全性，盡量將過(guò)電壓產(chǎn)生的危害降低到最小。