浅谈防雷用压敏电阻的电容特性
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浅谈防雷用压敏电阻的电容特性
摘要：压敏电阻对电压变化的敏感特性在防感应雷电、防浪涌方面起到了很好的泄流和限压作用。
不过，由于压敏电阻的材料和结构等原因，限制了压敏电阻在通讯类SPD中的应用。
关键词：低压配电系统；电涌保护器；防雷器；压敏电阻；电容；衰减
目前，在低压配电系统中采用电涌保护器来防浪涌、防间接雷电的冲击，已成为必不可少的设计内容。
电涌保护器（Surge Protective Devices）简称SPD,又称浪涌保护器，通常为有别于户外防直接雷的避雷针、避雷网等设施，又将电涌保护器称为防雷器。
根据GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》第3章，用于LPZ1及其后级保护区域内的电源防雷器，一般采用限压型SPD，其中的主要元件是“压敏电阻”。
为什么压敏电阻有“电容” 特性呢？因为从物理角度来看，所有导体（包括良导体和不良导体）除了具有电阻特性外，还存在电容特性及电感特性，只不过压敏电阻主要是表现电阻对电压的敏感性能，在防雷器设计中并不利用它的电容特性，我们要关注的是这种电容对被保护设备是否有不利的影响。
1导体的电容
在电学中有描述和推演孤立导体在真空中的电容定义及公式：如果一个孤立金属球壳的半径为R,则其电容C=4πε0 R, 其中真空介电常数ε0=8.85×10-12 法拉/米（F/m），而法拉（F）就是电容（C）的单位。
如果我们把半径为6 370 km的地球作为在真空中的导体来研究，它的电容量为：C地球=7.08×10-4（F），只有万分之七法拉。
如果要求得电容C=1法拉所对应的真空球面的半径，则：R=C/4πε0 =1×8.99×109 m，将近千万公里，是一个相当大的物理单位。
在现实生活中，我们所能接触到的孤立导体的电容量太小，真正能实际应用的电容元件是由两块靠得很近的导体板中间夹绝缘层而组成，这种结构可使电容量增大，并且能隔绝周围其它导体的影响，两导体板可作为引出电极，绝缘层的介质可采用真空、云母、电解质、涤纶、陶瓷等等，用于不同需要的场合。
2压敏电阻的电容
在限压型防雷器中用到的压敏电阻，主要采用氧化锌材料，以最大放电电流20 kA、40 kA、65 kA芯片为例，一般是直径32 mm的圆片形和34 mm边长的方片形芯片，还有的是两个方片并联的组合体，从每个单片来看，中间都是厚度
为4-5 mm的氧化锌材料，两侧是比周边略为缩小的铜质电极片，因为氧化锌材料平时就是呈高阻的近似绝缘体，所以压敏电阻就是一个相当标准的电容器结构。
以下是某压敏电阻生产厂元件样本中的参数，如表1所示，除了有压敏电压、放电电流等主要参数外，还有参考电容（Reference Capacitance）值（几千微微法）。
3压敏电阻电容的测试
根据美国国家标准学会（American National Standards Institute）和美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers）的ANSI/IEEE C62.33-1982标准，在《关于浪涌保护器压敏电阻IEEE标准测试规范》的4.11条“电容测试”中，有这样的描述：“在指定的频率和偏置电压下测试电容。
注意没有相关应用的特殊要求，这个测试建议用1.0 MHz的频率和偏置电压为0。
信号电平应该是这样的，加倍幅值变化不要多于5%”。
然而，在许多压敏电阻生产厂家提供的手册中，关于压敏电阻的电容参数都是在1 kHz频率下测试的，但用压敏电阻构成的SPD却实际多数又是工作在50 Hz工频电源配线中的。
为何对压敏电阻电容量测试不采用实际使用的低频率，而采用较高的频率呢？笔者认为：用于防雷器中的压敏电阻是按电阻型式设计的，主要是用其对电压敏感的电阻特性，而其形成的电容只不过是很小的副产品，且容量很小，只有pF（微微法）级。
根据电容的特性，大电容对低频信号敏感，小电容对高频信号敏感。
也就是说，电容元件在高频时的电容特性表现得非常明显，而在低频时电容特性则响应程度很差，在纯直流的线路中，电容就是一个高阻隔直流元件。
所以在较高频率条件下，测试压敏电阻的电容，有利于压敏电阻电容特性的“充分表演”，便可更精确地测试到电容参数值。
4电容对保护线路的影响
具有电容的防雷器是否对被保护线路产生影响呢？笔者试图的用容抗概念来解释：
①电容对正弦交流电（或信号）的阻碍作用叫做容抗（Xc），容抗的单位是?赘；
②容抗和交流信号频率（f）的关系公式是：Xc=1/ωC（1），ω=2πf（2）, 其中C是电容量，ω是角频率,角频率是指交流电信号在1s内变化的电角度；
③由以上公式可知：电路的频率与电容的容抗成反比；电容的容量与容抗亦成反比；在直流电路中ω=0，容抗趋向无穷大，所以起到隔直流的作用。
现在就可以来分析压敏电阻对被保护线路的影响了：
若将压敏电阻接在电源线路和大地之间作为防雷保护元件，由于我们使用的交流电源是50 Hz，频率很低，因此ω很小，且压敏电阻的电容亦小，根据上述四。
2中公式1、2，得到的容抗Xc极大，因此，从电容的角度来说:不会因压敏电阻的电容而导致电源线路对大地有通路;至于从压敏电压的概念上来说:只要线路上的电压高于压敏电压，压敏电阻就呈现高阻状态，不会导通，所以压敏电阻不会影响工频电源线路的正常运行。
而若将压敏电阻用在通讯线路对大地之间作为防雷保护元件，虽压敏电阻电容量很小，但较高的频率使ω值极大，根据公式1、2得到的容抗必然较小，就有可能在信号线与大地之间形成一定的通路，致使通讯信号对大地泄漏、衰减，并且通讯频率越高信号泄漏就越大。
这样，即便压敏电阻防雷性能再好，但因它对被保护设备的正常的通讯造成了不利，就不能将压敏电阻作为保护元件应用在信号防雷器中。
5结语
压敏电阻在电源防雷器中的应用已很普遍，如果能在压敏电阻的结构设计上使其本身的电容进一步减小，或者能用比较简单的、廉价的元件来抵消压敏电阻的电容，则其良好的通流性能和限压作用就能在通讯类SPD的中也能发挥作用。
参考文献：
[1] GB50057-94,建筑物防雷设计规范[S].
[2] GB50343-2004,建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].
[3] ANSI/IEEE C62.33-1982,关于浪涌保护器压敏电阻IEEE 标准测试规范[S].
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
