魏德米勒(Weidmuller) 電湧保護的基本概念

依照慣例，50%的電湧電流會透過外部防雷系統釋放掉，還有50%的電流會均勻耦合入建築物內的導線和導電物體。導線離外防雷系統越近，導線感應出的電湧也就越大(可以超過100KV)。脈衝電壓的頻率大於2000HZ。這些高能量的脈衝電壓在進入處或主分配電櫃內透過第一級的電湧保護器對地釋放並將脈衝電壓限制在6KV內。在規劃這部分電湧保護的時候，需要將續流和備用熔絲的數值考慮在內。

根據現場的環境以及可能的放電電流，在這個區域通常使用火化間隙和高能量壓敏電阻電湧保護器，按照不同的電網系統組合來進行過壓保護。在外部防雷系統已安裝、電源線經由架空線進入、建築物位於大片空地或位於高地上，這時候應該選用大容量的第一級電湧保護器。

在電湧到達敏感的電氣元件之前使用短路的方法將電湧對地釋放掉。為了達到這樣的目的，我們所使用的電湧保護元件必須反應得非常快速。它們必須在高頻的電湧在上升時就動作，即在電湧還沒有危及到被保護設備之前將電湧釋放掉。這個反應時間通常在奈秒的範圍內。

顯而易見電湧保護元件必須可以承受非常大的電流，因為作為一個能量源，被短路的電湧可以產生數千安培的電流。所以電湧保護元件在動作時必須要有極小的阻抗 。同時電湧保護元件即使當放電電流很大的時候，也不允許有危險的續流存在，而在正常狀態時其阻抗應接近無窮大。

另外電湧保護元件在將電湧對地釋放後必須快速的恢復，以迎接下一次的電湧。這對於確保線路的正常功能是非常重要的，良好的電湧保護元件需具有以下的特性：
• 反應快
• 放電電流大
• 殘壓低
• 恢復時間快

• I = 200 kA
• II = 150 kA
• III + IV = 100 kA

SPD = Surge Protection Device

LPS = Lightning Protection System

SPM = Surge Protection Measures

第一級電湧保護器使用10/350μs的電流波形來測試。測試的電流參數 I_peak在1至20KA之間。

第二級電湧保護器使用的是8/20μs電流波形。在這個電流曲線下，魏德米勒電湧保護器標稱放電電流: 20 KA。

第三級電湧保護器用(1.2/50μs，8/20μs)複合波產生器來進行測試，此電流產生器的充電電壓為0.1KV至最大20KV, 進行短路放電時的電流從0.05至10KA, 8/20μs

10/350μs測試波形是指衝擊電流在10μs之後達到最大值的90%，然後在350μs後電流降到最大值的50%。在這個波形下的區間就是用在測試中的電流能量。

1. 火花間隙 Spark gaps（GDT）
2. 壓敏電阻 Varistors （MOV）
3. 抑制二極體 Suppression diodes（TAZ）

氣體火花間隙組合在玻璃或陶瓷(氧化鋁)外殼內。由特殊電極製成的火花間隙電極放置在真空管內，內部充入惰性氣體，例如氬氣或氖氣。當外界的電壓增加到使火花間隙電極間的電場超過氣體的絕緣強度，兩極間的間隙將被擊穿，整個火花間隙呈低阻狀態。通常火花間隙為兩極的。火花間隙的點火(動作)電壓同電湧的上升陡度有關。

從火花間隙的點火電壓特性曲線可以看出，過電壓上升的速率越大，反應的時間越短。對應的點火電壓也比較高。結果是當過電壓上升得非常快時，間隙的實際點火電壓將很高，可以比火花間隙的額定電壓高許多(大約600-800V)。火花間隙點火後熄弧的特性是它的一個缺點。動作後電弧兩端的電壓降很低，而且只有在低於這個值的情況下電弧才會熄滅。所以在設計火花間隙尺寸時要非常注意，例如電極間距的長短和冷卻的效果。使得電弧兩端的電壓降夠高，最終電弧可以迅速的熄滅。否則將會產生一個電網後續電流。這個後續電流將把電網的能量通過保護元件對地釋放。一個非常有效的解決方法是在火花間隙的前端串聯一個快速熔絲。

用于电涌保护的压敏电阻(MOV—金属氧化物电阻)其实是一 种电阻随着电压而变化的氧化锌电阻。当压敏电阻两端电压 高于其额定电压时，它的电阻将变得非常小，就如同导体 一样，电涌就通过压敏电阻被泄放到大地上，压敏电阻通常 是两极的。壓敏電阻具有中等的放電能力，大約在40-80KA。它的響應時間小於25ns。殘壓同火花間隙相比小許多。比較低的電湧防護等級使其對設備可以提供更好的保護，而且沒有續流的問題。然而壓敏電阻也有缺點，它的壽命和相對較大的電容值在使用時必須加以考慮。頻繁的開關動作會導致內部的單一電阻單元損壞，最終產生洩漏電流。而長時間的洩漏電流會造成溫升或完全地毀壞了整個壓敏電阻。壓敏電阻高的電容值會在高頻電路中產生問題。當電路的頻率超過100KHz時，如果使用了壓敏電阻，將會使訊號衰減。所以壓敏電阻不建議使用在資料傳輸系統中。