雷电浪涌保护器技术介绍,电子设备和设备,包括网络和电信工具,容易受到电涌造成的损坏。电涌是功率参数的意外峰值,可能是由静电放电、不规则电源、接线不良以及最常见的来源是附近的雷击引起的。

雷击会通过以太网和天线电缆对接入点、网桥、天线和发射器等精密通信设备造成严重的电涌。事实证明,雷电浪涌保护器可以提供可接受的雷击浪涌保护,避免设备故障甚至损坏。

雷电浪涌保护器通过消除传输电缆上的电源尖峰来工作。它们以背靠背的结点(以太网或同轴电缆)连接到电缆。电涌保护器通过半导体将任何瞬态电荷分流到接地基准。

浪涌保护器可用于 RJ45 以太网连接器和各种同轴连接器,包括常用的 N 型、SMA 和 RP-SMA 额定频率。

雷电浪涌保护器具有特定的钳位电压。这是可以通过电涌保护器的最大电压。它们还具有以焦耳表示的能量吸收等级,这是设备在发生故障或永久故障之前在其使用寿命内可以吸收的最大能量。电信设备的典型防雷器额定电压为 70V 和 400-600 焦耳。

Data Alliance 的 L 型卡口兼容安装带有 N 型、SMA 和 RP-SMA 连接器的雷电避雷器。

用于无线设备的雷电浪涌保护器

雷电浪涌保护器、电涌保护器、瞬态电压浪涌抑制器或电涌保护器 (SPD) 是一种安装在电气、电子和通信或网络系统中的电气设备,用于保护它们免受雷电和其他事件引起的过电压。尽管雷击并不常见,但雷击发生时发生的损害可能是毁灭性的。如果没有安装 SPD 来转移有害电压tage 从设备上移开,可能会对设备造成无法修复的损坏。

这些设备通常与导电元件或电缆串联,位于导体进入要保护的设备之前。SPD使用压敏电阻机制分离多余的电压,然后将该能量从雷击路由到地面并远离下游设备。

它们是电路、网络和电信基础设施的重要组成部分。该器件通过将多余的电压从下游设备和组件转移出去,并将任何过电压限制在不会损坏连接设备的水平来限制电压尖峰。

闪电是众所周知的过电压或电涌原因。雷暴发生的频率因地点而异。闪电可以直接击中天线等电气和电子元件(称为直接打击),也可以通过附近发生(间接打击)将电力传输到电气系统。在这两种情况下,如果没有适当的保护,闪电会立即引起以下 4 个问题:

中断: 雷电产生的过电压不会对设备造成物理损坏,但会中断下游设备的模拟或处理功能。这些影响表现为数据丢失、软件损坏和计算机崩溃。在大多数情况下,系统重置将纠正问题,而不会出现任何挥之不去的问题。

退化: 瞬态过电压的反复发作会击穿设备或系统内的电气元件,缩短其使用寿命并增加突然故障的风险。

损伤: 直接雷击几乎肯定会损坏未受保护的组件。这种过电压的严重影响包括:

  1. 绝缘和介电降解
  2. 烧坏和烧焦的电路板和 I/O 卡
  3. 破裂的外壳
  4. 火灾

雷电损坏的更严重表现是由于电源后续,而不是瞬态过电压本身。设备遭受的损坏可能不是发生过电压幅度的可靠指标。如果发生短路,它可以路由电源并且没有损坏的外部迹象。

停机时间: 这包括设备或网络因组件退化或损坏而关闭的后续影响。下面探讨的经济成本是巨大的,而且还有时间、数据和生产力的损失。

雷电浪涌保护装置的类型

气体放电管或同轴电缆避雷器是一种通常与同轴电缆和电信设备串联使用的避雷器。它们专门保护无线电设备免受闪电的影响。这些避雷器包含充满气体的玻璃管,只有当避雷器内导电电极上的电压超过某个阈值时,该气体才会导电。气体管避雷器两端的瞬态电压尖峰使气体电离,产生短路,将多余的能量从连接的设备中转移出去。这些避雷器能够以这种方式分散大量能量。

火花隙装置由两个带有充满气体间隙的导电电极组成,当电压超过间隙内气体的击穿电压时,电火花可以从一根导体穿过另一根导体。浪涌或瞬态过电压的存在使气体电离,降低其电阻,并为尽可能有效地将多余的电能转移到地面创造路径。

此外,还有三种国际标准化类型的电涌保护器:

1 类电涌保护器被指定用于防止瞬态浪涌事件,例如直接雷击产生的过电压。这些雷电浪涌保护器可以释放雷击产生的多余电压,并阻止其从接地导体扩散到网络或电路导体。

2 类电涌保护器旨在保护设备和网络免受开关或间接雷击造成的损坏。当安装在低压电气系统中时,它们可以防止过电压的扩散。

3 类电涌保护装置为敏感负载提供特殊保护,并具有低放电容量。它们本身无法完全保护,而是与 2 类设备一起安装,并在敏感负载附近硬接线。它们经常用于电信应用。

直列式同轴避雷器的典型物理和电气特性

设计用于插入同轴传输线的 SPD 将携带标准射频连接器,包括两端的 RP-SMA、SMA 和 N 型连接器。

它们通常具有圆柱形或长方体,并具有与同轴电缆结构内联的中心导体。它们通常由镀镍黄铜制成,带有聚四氟乙烯绝缘体。

同轴电缆避雷器需要连接到接地系统。许多避雷器会在避雷器主体上携带一个接地螺钉,该螺钉还带有一个焊片,以方便连接坚固的接地线,该接地线可用于以低电阻快速将多余的电流转移到大地。

避雷器内的中心导体被导体和避雷器接地体之间的小气隙包围。在发生雷击时,通过同轴电缆进入避雷器的高压将穿过气隙产生电弧,并将潜在的破坏性电流转移到大地,从而避免了后续传输线和下游设备。

间隙的大小决定了任何过电压被转移的闪络电压。许多避雷器都有螺钉间隙调整来改变气隙尺寸的大小。

以太网的雷电浪涌保护

现在人们普遍认为,以太网端口也会受到闪电的影响,导致网络损坏和中断。

户外的众所周知,以太网电缆装置和闭路电视容易受到直接雷击的影响。

具有强大电磁脉冲的远程雷击可以通过 PoE 和数据电缆中的近场和远场耦合感应瞬态电流。即使雷击是直接的,网络功能障碍通常也比物理损坏更明显。

通过在 PoE 电路和水平电缆中安装用于以太网的内联浪涌保护设备,可以保护网络免受雷击或开关引起的过电压。用于信息技术系统的避雷器包括集成接地的以太网气体放电管和与 RJ45 插头兼容的 Cat5 或 Cat 6 以太网端口。

用于以太网的气体放电管具有良好的功率处理能力,可防止不同大小和持续时间的瞬变。它们可用于关键的以太网网络组件,包括:

  • 路由器
  • 开关/喷油器
  • 中继 器
  • 调制解调器

与同轴电缆一样,这些以太网避雷器可拦截过电压并将其转移到外部接地线。电缆的 4 对双绞线中的每一对都有一个气体放电管。

基于二极管的以太网避雷器由二极管阵列组成,可为以太网端口的 8 个通道(电线)中的每一个提供保护。它们在抑制雷击浪涌方面非常有效。如果基于二极管的避雷器遇到高于阈值的瞬态电压浪涌,受影响二极管的阻抗将下降,从而为远离数据线的过压创建分流路径。

符合 RoHS 标准的高性能雷电避雷器

我们种类繁多的在线雷电浪涌保护器采用高质量和良好来源的材料制造。所有产品均符合有害物质限制 (RoHS) 指令,该指令是欧盟立法,限制在电子产品中使用铅或镉等有害物质。

这些雷电浪涌保护器符合与锡、钽、钨和金 (3TG) 相关的国内和国际法律,特别是《冲突矿产条例》和《多德-弗兰克法案》第 1502 条。

在美国,大多数雷电浪涌保护器都是由美国国家电气制造商协会 (NEMA) 电涌保护协会成员的公司制造的。制造商使用各种模拟直接雷击的雷电波形来设计和测试避雷器。有效的避雷器需要提供定义的保护级别,并处理可能超过 25,000 安培的峰值电流。

为什么雷电浪涌保护很重要?

闪电和其他电涌源对电气和电子设备的损坏影响很大。根据美国国家闪电安全研究所的数据,尽管闪电仅造成20%的激增事件,但对电气设备的雷击损坏每年给美国经济造成高达60亿美元的损失。电子损坏会缩短设备寿命,引发故障,甚至引发火灾。

随着工业、商业和家庭电子产品消费的增加,基础设施、网络和经济生产力受到激增影响的敏感性也在增加。停机代价高昂,每次事件都会造成关键设施的损失高达 130,000 美元。

随着越来越多的网络和电子设备在社会中执行关键任务,需要适当地保护其功能免受浪涌的影响。

电子设备遇到的大多数电压尖峰都是低能量的,但闪电可能对电子系统和设备有害。由闪电引起的电源、数据或射频线路中电压的短暂增加称为浪涌或瞬变,可能对各种设备造成极大的破坏,包括:

  • 蜂窝基站和交换机
  • 无线网络设备
  • 用于户外广告的数字标牌和媒体播放器
  • 天线
  • 计算设备和服务器
  • 闭路电视设备
  • 楼宇管理系统
  • 报警系统
  • 低噪声放大器(LNA)
  • 信号中继器和增强器

如果闪络超过设备或电缆绝缘承受增加电压的能力,则雷电引起的过电压也可能造成触电危险。雷电浪涌保护器技术 - 雷电浪涌保护器电路图

使用合适的浪涌保护装置 (SPD) 保护电子设备对于维护设备的功能以及网络正常运行时间和运行至关重要。SPD是必不可少的,因为保险丝和断路器(称为过流装置)无法提供过压保护。SPD 旨在提供特定的保护,防止直接雷击时发生的短高压尖峰。

常见问题

什么是浪涌?

浪涌或瞬态是功率(电流或电压)的短暂增加,在子周期过电压持续时间(以毫秒或微秒为单位)小于正常功率波形周期一半的电路中。浪涌通常是振荡的,极性各不相同,并且可以是加法或减法的,因为它们与正常电压波形的偏差可以是加法的或减法的。它们对暴露于它们的电气设备具有降解作用。

浪涌可以在建筑物内部或外部产生,绝大多数(60-80%)浪涌来自建筑物内部。对于主电源,所涉及的导体是线路、中性线和大地。在射频电路中,信号线和大地受到影响。

激增的主要内部原因包括:

电气负载开关:电气负载的开关是电气系统中浪涌的常见诱因。一个值得注意的例子是停电后的电力恢复,尽管开关浪涌的幅度通常不如雷击那么大,但它们是可操作的,并且随着时间的推移往往更频繁和更具破坏性。

电感耦合:流过导线的电流产生的电磁场能够在附近的电线或材料中瞬时感应出电压。

静电:也称为ESD,将进一步描述。

除闪电外,浪涌或瞬变的外部原因包括:

公用事业公司为响应故障而进行的电网和电容器组切换可能会导致故障:中断的电源被重新连接。

公用事业公司对电力分配的调整也可能导致电涌。

电能质量干扰及其校正。

电气和电子设备承受正常工作电压变化的能力各不相同,但闪电产生的大量放电将对几乎所有设备造成损坏。

什么是静电放电(ESD)?

静电放电是两个带电表面或物体之间的自发放电或电流流动,这些表面或物体以电容方式储存了静电。这通常发生在带不同电荷的表面上,其中以前存在的电介质已经分解或被去除。电流可以通过静电感应在材料中积聚,其中电荷从未接地的导电物体转移。

闪电本质上是一种大规模的静电放电事件,伴随着雷声。典型的ESD事件没有那么大或戏剧性,但仍然能够对电子设备和设备造成重大损害。

人类感知ESD的阈值电压为2000至3000伏,但低于此电压的放电仍然含有足够的能量来损坏电子设备。ESD产生的电流波形的快速初始斜率即使在较低电压下也具有破坏性。

ESD 是电子设备故障的重要原因,制造商将竭尽全力防止其发生并保护组件。使用了多种策略,包括在静电保护区域 (EPA) 中分离高电荷材料、接地工人、电离系统、调节湿度或使用抗静电装置。对ESD保护的要求甚至延伸到电子设备的包装和运输以及安装过程中的接地。尽管做出了这些努力,但在处理设备或组件时,仍无法完全防止ESD。

什么是闪电电磁脉冲(LEMP)?

电磁脉冲损坏是另一种形式的电子设备损坏,可能由闪电引起。它通常是由间接雷击引起的。附近闪电的高压放电也是大电流,并携带相应的强磁场。

磁场的强度意味着它可以在附近未受保护的电缆和电子设备中感应电流。与线路浪涌不同,LEMP 会在设备和网络内感应出大电流,这可能会损坏它们,尤其是在它们打开时。SPD 对 EMP 的保护有限。最好的保护措施是在可能的情况下,断开在不主动使用时有暴露于 LEMP 风险的设备。

综上所述

雷电浪涌保护器是保护电信、无线电和网络设备免受直接和间接雷击损坏的关键组件。

为网络安装上的雷击做好准备,是保持系统不间断运行的最佳机会。

除了集成这些 SPD 之外,了解最容易发生故障的系统、保留备件和备份数据是保持网络完整性的策略。