电源问题之瞬变现象

瞬变现象有可能是最具破坏性的电力扰动类型，它分为两种子类别：

1 脉冲型

2. 振荡型

瞬变脉冲

瞬变脉冲电压是电压和/或电流正向或负向急遽升高的现象。根据这些脉冲瞬变发生的速度（快、

中、慢），可以对这些类型的现象进一步加以划分。脉冲瞬变变化是在很短的持续时间内（不到

50ns）变化的非常快（在 5ns 内从稳定状态到脉冲峰值）。

注：[1000 纳秒（ns） = 1 微秒（μs）] [1000 微秒 = 1 毫秒（ms）] [1000 毫秒 = 1 秒]

中由静电放电 (ESD) 现象导致的正脉冲瞬变，如图 1 所示。

图1 正瞬变脉冲

瞬变脉冲即是大多数人所知的浪涌或尖峰。许多不同的术语已经用来描述瞬变脉冲，如冲击、毛

刺、电浪涌和尖峰。

造成瞬变脉冲的原因包括闪电、接地不良、感性负载切换、市电故障排除以及 静电放电

（ESD），其结果可能会造成数据丢失（或损坏）甚至设备的损毁。而其中以闪电破坏性最强。

雷暴天气时，由于闪电造成的电力问题很常见。敏感设备毫无疑问可以被蕴含着巨大能量足以照

亮整个夜空的闪电所摧毁。此外，这样的破坏并非闪电直接击中所致。如图2 所示 ，附近的导

电部件因闪电生成的磁场所产生的感生电流，会带来大量的潜在损坏。

图2闪电生成的磁场

当遇到脉冲瞬变时，两种最可行的保护方法是：消除潜在的 ESD，以及使用浪涌抑制设备（通

常称为瞬变电压浪涌抑制器TVSS 或浪涌保护设备SPD）。

尽管 ESD 可以在您的手指上产生电弧而不会对您造成伤害，但有点出人意料的是，这么一点静

电却足以使整块计算机主板损毁，并且再也无法工作。在数据中心、印刷电路板生产机构或者人

员直接接触 PCB 的任何类似环境中，消除可能的 ESD 是至关重要的。例如，几乎任何数据中

心环境都会对室内的空气进行调节。空气调节不仅仅是冷却空气，帮助带走数据中心内设备产生

的热量，而且能够调整空气湿度。保持空气湿度在 40 - 55% 之间将减少 ESD 发生的几率。如

果在冬天（空气非常干燥的），您有将鞋底和地毯摩擦后，开门时握门把手被电弧电到，或者您

故意恶作剧式用手去碰别人的耳朵的经历，那么您就能明白湿度对 ESD 的影响有多大。在 有

PCB 的环境中，如任何小型计算机维修公司，您会看到将人体接地的设备，包括手腕带、防静

电地垫和台垫以及防静电鞋等。大多数这种设备通过导线接地这样可以保护人员不会受到电击，

并且还可以将潜在静电泄放到地。

SPD 已经使用了很多年。如今这些设备仍然在电力系统，大型设施和数据中心的设备，以及小

型企业和家庭使用；随着金属氧化物变阻器 (MOV) 技术的完善，这些设备的性能也日渐提升。

利用 MOV 能够可靠地抑制瞬变脉冲、电压暂升以及其它高电压状况，而且可以将 MOV 与热触

发设备，如断路器、热敏电阻，以及其它组件，如电子管和晶闸管，结合使用。某些情况下，电

气设备本身就内置了 SPD 电路，比如内置有抑制功能的计算机电源。更常见的情况是，当紧急

电池供电时或者当电力供应超出标称范围，或安全范围，或供电条件时，SPD 可单独作为浪涌

抑制装置使用，或者配备在UPS里提供浪涌抑制。

SPD 和 UPS 设备串联使用是保护电子设备免受电源扰动影响的最有效方法。此方法将SPD 装

置将放在线路入口处，并且根据能量吸收能力的大小来选型。将瞬时过压限制在随后的电气子板

以及敏感设备的所能承受或免予干扰的水平。特别注意的是选择电压等级和能量吸收能力以及调

节该装置使其有效工作。还需注意浪涌抑制设备的容量防止MOV失效。尽管MOV 的浪涌抑制能

力随时间是一致的，但它的抑制能力仍然会随着使用而退化，或者，如果超出了其额定的有效抑

制能力，MOV 也可能会失败。如果 MOV 超出临界值而不再有用时，SPD 应能够中断电路，并

防止任何会造成损坏的异常电进入它所保护的设备，这一点非常重要。有关此主题的更多信息，

请参见的 第85 号白皮书《数据线瞬变电压的产生与保护》。

暂态振荡

暂态振荡是信号电压和/或电流在稳态时的突然变化，在正向和和负向信号防护区段处发生，并

按系统自然频率振荡。简而言之，瞬变电压会使电力信号以非常快的速度交替放大缩小。暂态振

荡经常会在一个周期内衰减到零（衰减暂态振荡）。

暂态振荡发生在关闭感性负载或容性负载时，如马达或电力电容器，负载阻抗发生变化导致的暂

态振荡。这类似于突然关闭水流很急的水龙头时，听到管道中敲击声一样。流动的水试图对抗该

变化，因此水就发生了相当于暂态振荡的流动。

例如，在关闭旋转马达时，它在断电时可简单的看作是一个发电机，产生电能并传输至配电系统。

在打开或关闭电源时，较长的配电系统就像是一个振荡器，因为线路上的固有电感和分布电容形

成阻尼振荡。当带电线路上出现了暂态振荡，通常是由于市电开关操作引发，尤其是在电力电容器自动接入系

统，，将会对电子设备造成很大的破坏。如图 3 所示，由于电容充电而引起的典型的低频暂态振

荡。

图3 暂态振荡

与电容切换及其暂态振荡有关的最常见问题是变速驱动器 (ASD) 跳闸。相对较慢的瞬变会导致

直流电压（用以激活ASD运转）升高，使得驱动器根据过电压指示而断路。

解决容性跳闸的一种常见方法是安装电容器交流接触器或扼流线圈，它们可将暂态振荡抑制到一

个可控的水平。这些感应器可以安装在驱动器之前或安装在直流电路上，并且作为大多数 ASD

上的标准配件或选择型配件件提供。（注：将在下面的“中断”一节中进一步讨论 ASD 设备。）

另一种越来越多人使用的解决电容器切换瞬变问题的方法是电压开关。当正弦波的弧形下降并到

达零电平（在变为负之前）时，如图 4中所示为零电压。电容器切换的发生位置离正弦波的过零

点越远，其产生的瞬变电压幅度就越大。零电压开关，通过监测正弦波以确保电容器切换发生在

离正弦波的过零点尽可能近的位置的即可解决该问题。

图4 零交叉

诚然，使用 UPS 和 SPD 系统也可以非常有效地降低暂态振荡可能造成的危害，特别在常见的

数据处理设备（比如网络中的计算机）之间。不过，SPD 和 UPS 设备有时无法防止跨系统发生

的暂态振荡，而零交叉开关和/或扼流器类型的装置则可以在专用设备上来防止这类问题，如生

产车间机械设备及控制系统。

中诺电气稳压器高级工程师 http://www.zndq.cn   电话：0769-23020651