串联式电涌抑制系统及其方法.pdf

本发明公开了一种串联式电涌抑制方法，该主要包括：由电涌抑制组件(MOV)、抗流圈(Chock)构成多层式箝位电压与储能电路，以降低电涌的残存电压及残存能量；该多层式箝位电压与储能电路的一边为接电端，另一边为保护端；且以保护端供通信电路或电气设备接设相连，而接电端供对外接线相连。同时，本发明还公开了一种串联式电涌抑制系统。本发明将多层式箝位电压与储能电路，以串联方式设在对外接线与通信电路或电气设备之间，形成多层电涌吸收保护，达到实质性地抑制电涌的效果。

1、  一种串联式电涌抑制方法，其特征在于，主要包括：
(1)以电涌抑制组件与抗流圈构成多层式箝位电压与储能电路，用以降低电涌的残存电压及残存能量；
(2)以该多层式箝位电压与储能电路的一边为接电端，另一边为保护端；以及
(3)以该保护端接设相连通信电路或电气设备，接电端相连对外接线；
该多层式箝位电压与储能电路，以串联方式设在对外接线与通信电路或电气设备之间，形成多层电涌吸收保护。

2、  根据权利要求1所述的串联式电涌抑制方法，其特征在于，该每一层箝位电压与储能电路由一对平行抗流圈其两端各并接一个分层而设的电涌抑制组件所构成。

3、  根据权利要求2所述的串联式电涌抑制方法，其特征在于，各层所使用的电涌抑制组件与抗流圈设为相同规格，使各层电涌抑制组件限制有50％电涌电流进入，剩余50％电涌电流则流入抗流圈。

4、  根据权利要求3所述的串联式电涌抑制方法，其特征在于，该多层式箝位电压与储能电路设成1～n层，并且可依据：
公式1：V_Cn+1＝V_C1-[4-(1/2)^n-1](L×di/dt)，以得知设有n层时，其电涌残存电压；
公式2：E_absorb＝(R_mov+L)(i₁)²[2-(1/2)ⁿ]，以得知设有n层时，当电涌侵入时被吸收的能量；
公式3：E_survive＝E_invader-E_absorb，以得知进入被保护设施的残存能量＝入侵串联式电涌抑制系统时所形成的电涌能量-入侵串联式电涌抑制系统所被吸收的能量；
从而，可随客制需求简单换算得知，相对应用多少层的抗流圈及其L值规格大小，而制造出符于实用需求的产品。

5、  一种串联式电涌抑制系统，其特征在于，主要包括：
两条或两条以上通电线路，该每一条通电线路上具有两个或两个以上个抗流圈互串相连而成；
两个或两个以上电涌抑制组件，成多层状间隔并接设于两条或两条以上通电线路其所串接的抗流圈的相对接点上；
接电端，位设于两条或两条以上通电线路同一边的开放端；以及
保护端，位设于两条或两条以上通电线路另一边的开放端；
该保护端与通信线路相接，该接电端与外接线相连，以串联方式形成多层电涌吸收保护。

6、  根据权利要求5所述的串联式电涌抑制系统，其特征在于，该通电线路设为两条。

7、  根据权利要求5所述的串联式电涌抑制系统，其特征在于，每一条通电线路上所设的两个或两个以上抗流圈成等量或非等量对称而设。

8、  根据权利要求5所述的串联式电涌抑制系统，其特征在于，该两条或两条以上通电线路中每相隔一个平行抗流圈而并接设一个电涌抑制组件。

9、  一种串联式电涌抑制系统，其主要包括：
两条或两条以上通电线路，该每一个通电线路上具有两个或两个以上抗流圈互串相连而成；
地线；
两个或两个以上电涌抑制组件，成多层状间隔并接设于地线及两条或两条以上通电线路其所串接的抗流圈的相对接点上；
接电端，位设于地线及两条或两条以上通电线路同一边的开放端；以及
保护端，位设于该地线及两条或两条以上通电线路另一边的开放端；
该保护端与电气设备相接，该接电端与外接线相连，以串联方式形成多层电涌吸收保护。

10、  根据权利要求9所述的串联式电涌抑制系统，其特征在于，该同一层电涌抑制组件呈Y型或Δ型配置，且串联式电涌抑制系统可依制定规格设成供不同用电规格设备选配安装使用的模块。

串联式电涌抑制系统及其方法
技术领域
本发明涉及电涌抑制技术领域范畴，特别涉及一种串联式电涌抑制系统及其方法。
背景技术
电涌产生来源有两个：一是自然界闪电(lightning flash)所产生的雷击电涌(stroke surge)，二是电力系统开关操作时所产生的开关电涌(switchingsurge)。电涌本身具有瞬间的高电压、大电流与大能量的特性，电涌电压可高达数百千伏，电流也高达数十千安；再者，电涌波形上升时间为微秒(μS)，而持续时间为数十微秒，因此不论是雷云对雷云闪电放电、雷云对地闪电放电所产生的感应电涌或电力设备本身操作所产生的开关电涌，对电子设备都具潜在的危险性。电涌入侵时会造成电子设施、电力设施、电信设施运转的不稳定，甚至误动作(感受性干扰(susceptibility interference))，严重则损坏终端组件，电子设施、电力设施、电信设施(易损性干扰(vulnerability interference))。因此，现今有许多电子设备、通信设备与电力设备都采用加装电涌吸收器，保护设备安全。
但现有的对于电涌抑制的方法，通常采用避雷管(gas tube)或金属氧化变阻器(MOV，metal oxide varistor)之类电涌抑制组件实现。且其所用技术大都是采用并联的方法，但事实上，这对于电涌放电电流仍无法有效处理，本身保护效果不佳，结果导致残存电涌电流与能量还是会进入被保护设施中，造成相当大的损害，尤其一些高价的重要设备动辄千万乃至上亿元，其上如没有妥善保护，一旦遭受电涌袭击则损失惨重，将难以估计。
因此，针对目前单纯采用电涌抑制组件无法大幅减少进入被保护设施的残存能量，及克服其并联使用上所产生的缺点，进而研发一种由能量着手方式处理电涌，即同时处理电涌电压与放电电流，且可有效降低电涌残存电压与残存能量，能达到实质抑制效果的串联式电涌抑制系统及其方法，即为本发明所欲解决的课题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种串联式电涌抑制系统及其方法，可有效降低电涌残存电压与残存能量，保护设备安全。
为达到上述目的，本发明提供了一种串联式电涌抑制方法，主要包括：
(1)以电涌抑制组件与抗流圈构成多层式箝位电压与储能电路，用以降低电涌的残存电压及残存能量；
(2)以该多层式箝位电压与储能电路的一边为接电端，另一边为保护端；以及
(3)以该保护端接设相连通信电路或电气设备，接电端相连对外接线；
该多层式箝位电压与储能电路，以串联方式设在对外接线与通信电路或电气设备之间，形成多层电涌吸收保护器。
本发明还提供了一种串联式电涌抑制系统，主要包括：
两条或两条以上通电线路，该每一条通电线路上具有两个或两个以上抗流圈互串相连而成；
两个或两个以上电涌抑制组件，构成多层状间隔并接设于两条或两条以上通电线路其所串接的抗流圈的相对接点上；
接电端，位设于两条或两条以上通电线路同一边的开放端；以及
保护端，位设于两条或两条以上通电线路另一边的开放端；
该保护端与通信线路相接，该接电端与外接线相连，以串联方式形成多层电涌吸收保护。
本发明进一步提供了一种串联式电涌抑制系统，主要包括：
两条或两条以上通电线路，该每一个通电线路上具有两个或两个以上抗流圈互串相连而成；
地线；
两个或两个以上电涌抑制组件，构成多层状间隔并接设于地线及两条或两条以上通电线路其所串接的抗流圈的相对接点上；
接电端，位设于地线及两条或两条以上通电线路同一边的开放端；以及
保护端，位设于该地线及两条或两条以上通电线路另一边的开放端；
该保护端与电气设备相接，该接电端与外接线相连，以串联方式形成多层电涌吸收保护。
本发明将多层式箝位电压与储能电路，以串联方式设在对外接线与通信电路或电气设备之间，而形成多层电涌吸收保护，能达到实质抑制电涌效果。更重要地是应用本发明，不但可精确推算其抑制电涌的效果，并且还可随客制要求制成符合所需的产品，故可广泛应用于各类大小通信电路及电气设备，有效防止电涌侵袭对通信电路及电气设备的损害，使设施维持正常运转，并大幅降低故障发生的机率。
附图说明
图1为本发明串联式电涌抑制系统的第一实施例的电路示意图；
图2为本发明串联式电涌抑制系统的第二实施例的电路示意图；
图3为本发明串联式电涌抑制系统的电路模块的立体示意图。
附图标记说明
电涌抑制组件1
抗流圈2
接点21
箝位电压与储能电路3
接电端31
保护端32
通电线路4
通信线路51
电气设备52
地线6
相对点P1～P10
具体实施方式
为使本领域技术人员方便了解本发明的其它特征内容与优点，及其所达成的功效能够更为显现，现将本发明配合附图，详细说明如下：
如图1至图3所示，本发明的串联式电涌抑制方法，其主要包括：
1、以电涌抑制组件1与抗流圈2构成多层式箝位电压与储能电路3，用以降低电涌的残存电压及残存能量；
2、以该多层式箝位电压与储能电路3的一边为接电端31，另一边为保护端32；以及
3、以保护端32供通信电路51或电气设备52接设相连，而接电端31供对外接线相连；
借此，可将多层式箝位电压与储能电路3，以串联方式设在对外接线与通信电路51或电气设备52之间，形成多层电涌吸收，达到实质抑制电涌的效果，而能真正有效保护设备避免电涌袭击的损害，使机器维持正常运作并延长使用寿命。
本实施例中，如图1所示，本发明的串联式电涌抑制系统，其主要包括：
两条或两条以上通电线路4，该每一条通电线路4上具有两个或两个以上个抗流圈2互串相连而成；
两个或两个以上电涌抑制组件1，成多层状间隔并接设于两条或两条以上通电线路4其所串抗流圈2的相对接点21上；
接电端31，位设于两个或两个以上通电线路4一边的开放端，图1所示左侧；以及
保护端32，位设于两条或两条以上通电线路4另一边的开放端，图1所示右侧；
借此，可用保护端32与通信线路51相接，而接电端31供外接线相连，以串联方式形成多层电涌吸收保护。
如图1所示，其中该每一层箝位电压与储能电路3，由一对平行抗流圈2其一端各并接一个分层而设的电涌抑制组件1所构成；即相当于该两条或两条以上通电线路4中每相隔一个平行抗流圈2可并接设有一个电涌抑制组件1。
如图2所示，该通电线路4虽设为两条，但理论上也可多条并设。另外，该每一条通电线路4上所设的两个或两个以上抗流圈2可1∶1等量对称而设，但理论上也可2∶1或3∶1非等量对称而设。
如图1至图3所示，本发明所设的系统及其方法针对电涌抑制效果十分良好，可广泛应用符合各种不同电子设施、电力设施、通信设施等不同工作电压(包括交流(AC)与直流(DC))与工作电流需求，更重要的是其整体规划设计上，实施时可用以下的详细公式换算而制出相对的成品，针对不同使用需求提供最佳抑制电涌的功能。
例如，如图1所示，本发明的串联式电涌抑制系统及其方法，由多组电涌抑制组件1结合抗流圈2以连续串联形式构成，其中采用相同规格的电涌抑制组件1与抗流圈2，此结构可应用于通信线路51相关设施上的保护。
而图2所示，则为本发明的第二实施例，即为第一实施例的拓展应用。其相同点在于，由多组电涌抑制组件1结合抗流圈2以连续串联形式构成；其中，主要增加了地线6，并将两个或两个以上电涌抑制组件1成多层状间隔接设于地线6及两条或两条以上通电线路4其所串接的抗流圈2的相对接点21上，延伸成L-N、L-G与N-G抑制电涌架构。如图2中所示，其每一层的电涌抑制组件1呈Δ型配置，但理论上也可呈Y型配置，其组合即可适用于AC低压三相线路，作为一般电气设备52相关设施上的保护。
另外，如图3所示，其中也可将图2的电路依通用规格制成模块化成品，以供各种不同用电规格的电气设备选配组合使用，如：可用来对于AC高压三相设施进行保护，或以电力用电抗器结合避雷器应用等。
以下将更进一步详细介绍，本发明如何精准推算电涌抑制效果，及按定制要求制成符于实用需求产品的方法。
如图1所示，本发明串联式电涌抑制系统及其方法，以电涌抑制组件1与抗流圈2构成多层式箝位电压与储能电路3，被保护设施两端电涌残存电压与残存能量，将以数学式表示。其中为了方便公式演算，以下说明过程中间将不标示任何相关组件符号。
本发明方法数学理论推演，各层所使用的电涌抑制组件与抗流圈规格均相同。对各层电涌抑制组件而言，以50％电涌电流进入估算，剩余50％电涌电流则流入抗流圈2。
故i＝i₁’+i₁＝2i₁，(i₁’＝i₁)；i₁’＝i₂+i₂’＝2i₂，(i₂’＝i₂)；…
进入图1中的电涌电流为i＝i₁’+i₁；
其中，图1中所标的相对点P1～P10分别为：
P1代表第一层电涌抑制组件箝位电压V_C1，流经电涌抑制组件的电涌电流为i₁’；
P2、P3代表第一层抗流圈两端电压2V_L1＝2L₁×di₁/dt；
P4代表第二层箝位电压V_C2，流经电涌抑制组件的电涌电流为i₂’；
P5、P6代表第二层抗流圈两端电压2V_L2＝2L₂×di₂/dt；
P7代表第n层箝位电压V_Cn，流经电涌抑制组件的电涌电流为i_n’；
P8、P9代表第n层抗流圈两端电压2V_Ln＝2L_n×di_n/dt；
P10代表被保护设施两端的电涌残存电压。
V_C1＝2V_L1+V_C2
V_C2＝2V_L2+V_C3
     .
     .
     .
V_Cn＝2V_Ln+V_Cn+1
并且
V_L1＝(L×di₁/dt)＝(1/2)×(L×di/dt)
V_L2＝(L×di₂/dt)＝(1/2)²×(L×di/dt)
     .
     .
     .
V_Ln＝(L×di_n/dt)＝(1/2)ⁿ×(L×di/dt)
所以第一层电涌抑制组件箝位电压V_C1数学式如下：
V_C1＝2V_L1+2V_L2+…+2V_Ln+V_Cn+1
V_C1＝2(V_L1+V_L2+…+V_Ln)+V_Cn+1
V_Cn+1＝V_C1-2(V_L1+V_L2+…+V_Ln)
V_Cn+1＝V_C1-2(L×di₁/dt+L×di₂/dt+…+L×di_n/dt)
V_Cn+1＝V_C1-2[(1/2)×(L×di/dt+(1/2)²×L×di/dt+…+(1/2)ⁿ×L×di/dt)]
V_Cn+1＝V_C1-2L×di/dt[(1/2)+(1/2)²+…+(1/2)ⁿ]
V_Cn+1＝V_C1-2L×di/dt[2-(1/2)ⁿ]
从而可获得V_Cn+1＝V_C1-[4-(1/2)^n-1](L×di/dt)公式(1)
当n＝1：V_Cn+1＝V_C1-3(L×di/dt)；当n＝∞：V_Cn+1＝V_C1-4(L×di/dt)
V_Cn+1＝V_C1：第一层箝位电压，V_Cn+1：第n层箝位电压，即被保护设施两端的电涌残存电压将介于V_C1-3(L×di/dt)与V_C1-4(L×di/dt)之间。
由公式(1)可知L与电涌放电电流成反相关系，被保护设施两端的电涌残存电压，因电涌电流增加而降低；故此方法比传统方式更能抑制电涌电压。
电涌抑制组件借由其内阻R_mov而消耗能量，因此本方法在图1中，电涌电流入侵时所吸收的能量E_absorb可以下列数学式表示：
E_absorb＝
(i₁’)²R_mov+2(1/2)L(i₁)²+(i₂’)²R_mov+2(1/2)L(i₂)²+…+(i_n’)²R_mov+2
(1/2)L(i_n)²
＝R_mov×[(i₁’)²+(i₂’)²+---(i_n’)²]+L[(i₁)²+(i₂)²+…+(i_n)²]
因为i＝i₁’+i₁(i₁’＝i₁)，i₁’＝i₂+i₂’(i₂＝i₂)，…
所以
E_absorb＝R_mov×[(i₁’)²+1/2(i₁’)²+(1/2)²(i₁’)²+…+(1/2)ⁿ(i₁’)²]+
2×(1/2)L[(i₁)²+1/2(i₁)²+(1/2)²(i₁)²+…+(1/2)ⁿ(i₁)²]
＝(R_mov+L)[(i₁’)²+1/2(i₁’)²+(1/2)²(i₁’)²+…+(1/2)ⁿ(i₁’)²]
＝(R_mov+L)[(i₁)²+1/2(i₁)²+(1/2)²(i₁)²+…+(1/2)ⁿ(i₁)²]
＝(R_mov+L)(i₁)²×[1+1/2+(1/2)²+…+(1/2)ⁿ]
最后可获得
E_absorb＝(R_mov+L)(i₁)²[2-(1/2)ⁿ]公式(2)
当n＝1：E_absorb＝1.5(R_mov+L)(i₁)²；当n＝∞：E_absorb＝2(R_mov+L)(i₁)²
由公式(2)可知，本发明方法在电涌电流入侵时所吸收的能量将介于1.5(R_mov+L)(i₁)²与2(R_mov+L)(i₁)²之间。
电涌电流(电压)入侵串联式电涌抑制系统时所形成的电涌能量可以用E_invader表示；因此(入侵串联式电涌抑制系统时所形成的电涌能量E_invader)-(电涌电流入侵串联式电涌抑制系统所被吸收的能量E_absorb)＝(进入被保护设施的残存能量E_survive)。
从而，可获得进入被保护设施的残存能量＝总电涌能量-入侵吸收能量；
E_survive＝E_invader-E_absorb    公式(3)
由于本发明串联式电涌抑制系统及其方法，其所产生抑制电涌的效果，可由前述公式(1)推知对于被保护设施的电涌电压抑制；与前述公式(2)、(3)清楚推知，故对于被保护设施的残存能量可做一明确交代，而能有效改善传统方法的缺陷。
因此可供反向应用，以公式(1)、(2)、(3)推演而轻易实现随客制量身定做的要求，依据电子设施、通信设施等不同工作电压(包括AC与DC)与工作电流需求，经简单换算得知，相对应的抗流圈2的层数及其L值的规格大小，而制造出符合实用需求的产品。
以上实施例仅为方便说明技术方案，并非用以限定本发明，任何熟悉此应用的技术人员，应当可做各种更改与不同的应用，只要其本质未脱离本发明精神范畴，都包含在本发明权利要求书保护范围中。