交流电力线路保护的高性能解决方案

在我们所有应用领域中使用电子产品有助于提高对电能质量的认识。电子设备的广泛使用引发了能源效率问题，尤其是涉及整个电网的干扰问题，对设备和仪器产生负面影响。新工业 4.0 中出现的智能技术需要不间断和无故障的供应。电能质量扰动通常定义为电压、电流或频率的变化。这些干扰会干扰系统的正常运行，改变生产水平和整个活动。

交流电源线上的干扰会导致许多设备出现数据传输错误、电源损坏或属于整个网络的工业系统损坏等故障。瞬态、峰值和异常代表了电线的典型扰动。在设计适合工业应用的保护系统时，一定要考虑所有这些重要因素。针对各种电压和电流值的保护解决方案代表了各种应用市场的巨大需求。

交流电源线上的干扰

IEEE 标准定义的电源干扰可以用瞬变、峰值/过压、失真和频率变化来表示。瞬态电压是由于电源变化、闪电、感性负载切换、静电放电等而可能发生的暂时电压波动。这些瞬态的影响范围从轻微到灾难性不等。

瞬态是最具破坏性的电源干扰类型，分为两个子类别：脉冲和振荡。脉冲瞬变是高峰值事件，会在正或负方向上增加电压和/或电流水平，主要是由于大气中发生的放电。当涉及到脉冲瞬变时，两种最可行的保护方法是消除潜在的静电放电和使用瞬变电压抑制装置。另一方面，振荡瞬态是电压、电流或两者的状态的突然变化，它以系统的固有频率振荡。

峰值或过电压是交流电压的增加，可以持续 0.5 个周期到 1 分钟。峰值的常见起源是高阻抗中性连接、突然（高）负载降低以及三相系统上的单相故障。过电压代表导致电压尖峰的长期问题的影响。过电压可以被认为是一个延长的峰值。

扭曲以各种形式出现；谐波是基本正弦波在由基波倍数构成的频率上的改变。例如，三次谐波的频率为 150 Hz；这是 50 Hz 时基波的三倍。五次谐波的频率为 250 Hz。该标准要求总谐波失真 THD（总谐波失真）不超过 8%，考虑到高达 40 次谐波的水平。间谐波是一种波形失真，通常是由静态变频器、感应电机和形成电弧的设备等电气设备将信号引入电源电压引起的。

电力系统网络中很少发生频率变化。在配备备用发电机或供电基础设施较差的专用发电机的站点中，频率变化更为常见，尤其是在发电机负载较高的情况下。欧洲 50Hz 频率必须在供应年份的 95% 内保持在 ±1% 的容差范围内，同时在任何时候都不得超过 4% 的增加或 6% 的减少。作为平均值，标准假定在 10 秒间隔内测量。

解决方案

过压保护元件可分为两种基本类型：Crowbar 型器件和钳位元件，如 TVS、MOV 二极管。钳位型组件具有更快的响应时间，但其电流处理能力有限，因为瞬态能量必须通过组件钳位来耗散。Crowbar 型元件可以处理强过流，因为在它们的状态条件下，元件两端的电压极低。在实践中，它们充当某种短路，影响电流路径，从而使其远离组件的主要部分。

图 1：TO-218 中的 Pxxx0MEL 系列。Pxxx0MEL为 50 / 60Hz 交流单周期正弦波浪涌事件提供 5000A 8/20 I PP（峰值脉冲电流额定值）和最小 400A I TSM。

Littelfuse SIDACtor® 晶闸管属于 Crowbar 类型，并针对保护位于高度暴露于强过电压瞬变环境中的设备进行了优化。5 kA 和 Pxxx0FNL 3 kA Pxxx0MEL 系列具有多种优势。例如，钳位优于传统的无源 MOV 技术来保护交流线路，可提供针对过压的高电位保护。此外，降低的有效电压保证了长期事件期间的低热积累。这些 Crowbar 半导体器件可以承受更多的过压事件，满足最小的退化（图 1 和图 2）。Littelfuse Pxxx0FNL 和 Pxxx0MEL 系列还可以与 MOV 串联，为因较高钳位电压而损坏的电路提供低钳位保护（图 3）。

图 2：具有串联过流保护的 P3800MEL Crowbar 解决方案。在经典的工作条件下，保护组件对电线是透明的。当感应电压峰值高于 P3800MEL 的 Vdrm 时，就会过渡到低电阻状态。保险丝保护 SIDACtor®。这种配置为设计人员提供了一个选项，用于增强专用于 SIDACtor® 的过电流保护。

图 3：SIDACtor® 与 Littelfuse MOV V20E130P (AC 130V) 串联连接，并带有保险丝。

MOV的晶体结构由随机取向的金属氧化物颗粒构成，表现出PN结半导体的特性。在低电压下工作的电路中，只有少量电流流过压敏电阻，这是由通过结的反向色散引起的。当施加涉及整个系统保护条件的瞬态高压，或超过压敏电阻的击穿电压时，会在结点发生雪崩，压敏电阻变成导体。压敏电阻无法提供针对连续电压升高的保护，即使电压幅度明显低于其设计的瞬态电压。此外，压敏电阻确实表现出磨损效应，在对其施加多次浪涌后它开始老化。

TVS 二极管的进步使这项技术成为金属氧化物 (MOV) 压敏电阻的有效替代品，可保护交流和直流电源免受过压和间接雷击。在 AC 和 DC 电力线应用中，这些器件不仅在重复过压方面的可靠性更高，寿命更长，而且由于电缆的电感较低，它们使用表面贴装封装还提供了改进的过压响应。为了保护 CAN-BUS 线路免受 ESD、EFT 和其他电压瞬变造成的损坏，Littelfuse 创建了一系列用于工业自动化控制的 TVS 二极管阵列，符合 AEC-Q101 标准，可以安全地承受 3 A 峰值。低容量（典型值 11.5 pF）可保持信号完整性并最大程度地减少数据丢失。有时 ESD 事件会巧妙地损坏设备，让它运行一小段时间。这称为潜在缺陷，难以检测并缩短设备的使用寿命。许多电子设备容易受到低压 ESD 事件的影响。由于更高速度和更小尺寸的趋势，ESD 问题在电子行业中呈上升趋势。现代世界越来越多地由小型微处理器处理，这些微处理器对最小的电力波动也很敏感。这些微处理器出色地控制了快速自动化机器人组装过程和无法承受停机时间的包装线系统。取决于应用市场的不同电压/电流水平的保护解决方案成为设备正确运行的基础，因为它们能够限制或消除由电能质量干扰引起的问题。

参考

用于交流电源线的高功率半导体 Crowbar 保护器应用说明由 Littelfuse, Inc. 提供。

致谢

特别感谢高级技术营销经理 Teddy To；Walt Tian，技术支持经理；以及 Littelfuse, Inc. 的高级技术支持工程师 Andy Xu，感谢他们的技术帮助和经验。

审核编辑 黄昊宇