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          首頁 行業應用 雷電防護-浪涌保護器的應用

          雷電防護-浪涌保護器的應用

          發布時間:2011-06-03  點擊次數:3602  新聞來源:

            防雷器與您分享雷電防護-浪涌保護器的應用。

                引言。瞬態過電壓(電流)的來源是:雷擊事件、靜電放電、操作過電壓等產生的電磁脈沖引起的;其中雷電電磁脈沖的能量最大,危害性最為嚴重。在雷電防護中通常用浪涌保護器(SPD)來抑制瞬態過電壓(電流)。

            1 SPD的功用在雷電防護中浪涌保護器(SPD)廣泛應用于保護電氣電子設備。通常這些設備都置于雷電防護區(LPZ)之內(高于LPZ1),少數設備在LPZ0B區。SPD的功用是限制線路中的浪涌和與屏蔽體配合構筑低電磁場的防護空間。

            1.1 SPD分流浪涌電流抑制浪涌電壓SPD的作用是將電氣、電子系統中的不能直接用導體進行等電位連接的帶電導體通過SPD進行瞬態等電位連接,利用SPD的非線性特性限制瞬態浪涌過電壓并分流浪涌電流,達到保護電氣、電子系統的目的。

            1.2 SPD與屏蔽體構筑雷電防護區(LPZ)把進出屏蔽體的帶電導體(電源線、信號線)用SPD進行瞬態等電位連接。SPD與三維屏蔽體共同構筑了LPZ,SPD是LPZ劃界的重要部件。LPZ的導體中的浪涌在邊界得到分流,LPZ空間中的電磁場得到衰減。

            2 SPD的選擇2.1 SPD的電壓保護水平UpSPD的保護水平Up是規定標稱放電電流(In)時的SPD兩端的殘壓。

            要求SPD的Up必須小于或等于被保護設備的定額沖擊耐受電壓Uw.通常為1.2Up≤Uw.

            實際上SPD的有效保護電壓Upf=Up+ΔU,ΔU為線路壓降。

            UW適用于低壓供電系統,表征了設備耐受沖擊過電壓的絕緣性能。但不適合于通信線路及其他微電子器件。

            對通信線路和微電子器件,沖擊耐受電壓與低壓線路的Uw不同,而是與電子電路的抗擾度和工作電壓相關聯,實驗證明沖擊耐受電壓通常為工作電壓Uo的3倍左右。一般對通信線路和微電子電路Up為工作電壓Uo的2.5~3倍。表1所示為某些集成電路的沖擊耐受電壓值。

            集成電路 沖擊位置 沖擊耐受電壓值(V)MC14880 輸出端 60MC1489i 輸入端 22-24J274 輸出~地 32J275 輸入~地 31表1 集成電路的沖擊耐受電壓2.2 SPD的放電電流(Iimp、In)當直擊雷擊中實體和線路(低壓系統、通信線路)都應選用Iimp(10/350μS)測試的SPD,例如LPS中的雷電等電位連接的SPD和在LPZ0A區的架空線路使用的SPD。

            在LPZ0B(LPZ1或更高的防護區)之內的各種線路浪涌主要來自LEMP感應產生的,就應選用In(8/20μS)測試的SPD或用組合波(1.2/50μS, 8/20μS)測試的SPD。

            不同條件下低壓系統和通信線纜雷電流浪涌預計值如表2、表3所示(來源于IEC62305-1.表E.2)。LPL為雷電防護等級。

            LPL 低壓系統雷擊低壓系統 雷擊低壓系統附近區域 雷擊建筑物或其臨近區域損害源S3(直接雷擊)波形10/350μs(KA) 損害源S4(間接雷擊)波形:8/20μs (KA) 損害源S1或S2(感應電流只針對S1)波形: 8/20μs(KA)Ⅲ-Ⅳ 5 2.5 0.1Ⅰ-Ⅱ 10 5 0.2表2 低壓系統雷電流浪涌的預計值LPL 通信系統雷擊通信系統 雷擊通信系統附近區域 雷擊建筑物或其臨近區域損害源S3(直接雷擊)波形:10/350μs (KA) 損害源S4(間接雷擊)時測波形:5/300μs(估算波形:8/20μs(KA))損害源S2(感應電流)波形:8/20μs (KA)Ⅲ-Ⅳ 1 0.01(0.05) 0.05Ⅰ-Ⅱ 2 0.02(0.1) 0.1表3 通信系統雷電流浪涌的預計值對屏蔽線路,假設屏蔽層的阻抗與線纜導體并聯阻抗近似相等,那么,表中給出的浪涌值減小一半。如線路穿入鐵管,在線路中引起的過電流會更小。

            從表2可見,當LPL-Ⅰ峰值電流200KA(10/350μS)時,在低壓系統中的架空線上最大的浪涌電流為10KA(10/350μS)。如有架空地線保護或鎧裝線埋地其浪涌電流還要小。

            為了構筑LPZ,在建筑物的低壓系統進線入口 (LPZ0A/LPZ1邊界,供電線主配電盤MB上)應安裝用Iimp測試的SPD(10/350μS)。當線路完全在LPZ0B進入建筑物入口處(LPZ0B/LPZ1邊界MB上)則應安裝用In測試的SPD(8/20μS)。

            也就是說根據電磁環境不同在LPZ1的邊界主配盤(MB)上可安裝開關型(10/350μS)SPD,也可安裝限壓型(8/20μS)的SPD。

            現有標準中低壓系統對SPD沖擊放電電流(Iimp)要求高的不合理,例如對第一級(MB上)的SPD要求不管進線所在的LPZ(LPZ0A還是LPZ0B)、進線類型(架空還是埋地屏蔽線)都要求采用I級分類試驗(10/350μS)的SPD其值為20KA,比表2中的10KA高一倍,高于國際上所有標準的要求。這種高標準的過防護將會帶來兩個問題,一是防護成本提高,二是起不到防護功能,當雷電浪涌較小時,可能啟動不了第一級SPD放電,那么第二級SPD要承受所有的浪涌或加到后邊的設備上,以致第二級SPD或設備損壞。在我國昆明、武漢空管雷達站就發生過此類故障。國際上許多標準中第一級SPD都選用Ⅱ級分類的試驗8/20μS波形的SPD。例如:澳大利亞AS1768-1991,選70KA(8/20μS)。美國FAA-STD-19d-2002,選80 KA(8/20μS)等。在我國實踐也證明了限壓型SPD(8/20μS)器件廣泛用于通信局站、中南地區空管中心效果很好。因此,在放電電流選擇上要防止過防護。

            2.3 SPD的響應時間tA常用的SPD響應時間開關型(SG)的為100nS,限壓型(MOV)為25nS。低壓系統的第一級SPD要保護的大多是電磁型設備,這些設備對浪涌不敏感,因此無論是SG、MOV的響應時間是可以達到保護的目的。

            如貼近設備安裝的SPD,被保護的設備是電子設備或通信系統。例如設備的半導體組件對浪涌的響應時間為10nS或更小,對浪涌非常敏感,雖然SPD的Up滿足要求,而tA太長,SPD還來不急放電,被保護的設備已被損壞。所以保護電子設備和通信線路SPD的響應時間tA要小于或等于被保護設備的響應時間。通常SG、MOV的SPD只用于低壓供電線路中。貼近電子設備在信號線路中的SPD應選取tA更小的TVS或其他半導體抑制器件(例如雪崩二極管SAS).

            SPD的響應時間在級間配合中也很重要,現有很多標準規定第一級開關型SPD與第二級限壓型SPD的間距大于10m(其原因取決于浪涌在低壓線路的傳播速度1.5×108m/s兩級tA的時間差75ns)來保證在浪涌傳到第二級之前第一級必須導通放電,否則第二級將承受全部的浪涌。

            目前廠商為了降低Up值,生產了電子點火的開關型SPD,Up可小于1KV,但tA為1μS。也就是說浪涌加至SPD點到SPD響應浪涌而開啟的1μS的時間內,浪涌已在線路中向下游傳了150m。150m之內的第二級SPD等和被保護設備就要承受這個浪涌。因此,tA是SPD選擇時的一個重要參數,特別是在信號線路中更為關鍵。

            通信線路中SPD的選擇還應考慮工作電壓,最大持續工作電壓,傳輸速率、插入損耗、駐波比、相移和接口形式等因素。

            3 SPD的安裝為了保護被保護設備,不但要選擇適當的SPD還取決于合理的安裝。

            3.1 SPD的安裝位置第一級SPD應安裝在外線進入建筑物的入口處(LPZ的界面)將浪涌電流在界面處泄放入大地,該SPD能保護建筑物內的所有設備,會降低成本。

            SPD貼近被保護設備安裝,這樣保護效果好,每個設備都裝SPD成本會提高。

            在第一級SPD與貼近設備安裝的SPD之間是否安裝SPD取決于能量配合、線路長度和電磁環境。

            3.2 振蕩保護距離lpo當SPD與被保護設備間線路太長,傳播中浪涌會產生振蕩。最嚴酷時設備終端過電壓為2Up。2Up可能會大于Uw。為了使設備終端過電壓仍小于Uw就要限制SPD到設備間線路最大的長度,這個長度就是振蕩保護距離lpo.

            當Upf<Uw/2時,lpo可以無限長;當Upf>Uw/2時,lpo=〔Uw-Upf〕/ K(m);其中K=25(V/m)3.3 感應保護距離lpi在雷擊時LEMP的磁場會在SPD與被保護設備構成的回路內感應過電壓,感應的過電壓和Up之和可能會大于Uw。感應保護距離lpi是SPD與被保護設備間的最大長度,保證其感應過電壓加上Up小于設備的Uw。

            當建筑物的第一層屏蔽即做LPS的引下線又做LEMP防護的柵格時,建筑物電磁環境極為嚴酷,必須考慮lpi.

            lpi可以用下列公式估算:

            lpi=〔Uw-Upf〕/ h(m)h=300 K1×K2×K3(V/m)雷擊建筑物附近(S2);h=30000 K0×K2×K3(V/m)雷擊中建筑物(S1);K1:LPZ0-LPZ1界面LPS或其他空間屏蔽;K2:LPZ1-LPZ2或更高界面的空間屏蔽;K3:內部布線的特性;K0:LPZ0-LPZ1界面LPS屏蔽;K0=0.5×W0.5,W為柵格寬度;K0=Kc無柵格時:Kc分流系統。

            從上式可知,雷擊建筑物附近時lpi要比雷擊建筑物長的多。因此,建筑物采用分離的外部LPS要比建筑物的LPS與屏蔽柵格共用自然構件(如鋼筋)在雷擊時建筑物內的電磁環境要好的多。當建筑物和線路有很好的屏蔽就可以不考慮感應保護距離lpi.

            4 SPD的協調配合在一條線路上級聯安裝兩個以上的SPD時,應根據各個SPD的能量吸收能力共同分擔施加在它們上面的能量。

            通常每一級用的SPD都是單端口的,即SPD與被保護設備并聯,一個端口將輸入與輸出分開。單端口SPD又稱無串聯阻抗的SPD。使用單端口SPD系統便于維修。

            級聯安裝時級間配合必須根據各個SPD特性,承受的電荷和位置來確定,這些工作大多基于實際經驗、軟件和實驗分析,目前缺乏明了的現場分析和量化估算公式。

            采用兩端口多級集成的SPD(IMP)――即SPD有兩組輸入和輸出端子,在這些端子之間有特殊的串聯阻抗。

            多級集成的SPD是級聯的SPD與串聯阻抗在內部協調配合好的,可以保證輸出到被保護設備的能量最小并且響應速度快。多級集成的兩端口SPD緊貼被保護設備安裝特別適用于重要設備的保護和信號線路。使兩端口SPD因與負載串聯連接,所以SPD需要承受滿負荷電流。。

            5 SPD的自保護和后保護為了保護設備,SPD與設備并聯組成一個系統,系統中增加了SPD就增加了一個單元。如SPD是開路故障則對系統無影響,如SPD是短路故障,那么,從功能邏輯上SPD是系統中的一個串聯單元,在串連系統中SPD單元故障系統就故障。所以應盡量避免SPD發生短路故障。

            SPD自保護:在低壓系統中為了防止SPD發生短路故障,SPD器件本身應具有熱脫扣裝置。當電壓波動或SPD劣化時,SPD電流增大而發熱,當達到1200C時,熱脫扣裝置動作,使SPD器件開路保護系統正常運行,這就是自保護。

            SPD后保護:在SPD通道串連后保護器件,后保護器件可用熔斷器或斷路器。這些后保護器件在低于SPD標稱放電電流(In)時不動作,只有當通過的浪涌大于Imax或SPD短路后工頻電流通過時才啟動。

            后保護器件熔斷器和斷路器不同點是兩端實際限制電壓Upf相差很大。

            例如:當In=20KA,Imax=40KA時——串聯RT14-63熔斷器,在19.8KA電流(8/20μS)沖擊時,測得Upf為2674V;串聯DZ47-63熔斷器,在18.29KA(8/20μS)電流沖擊時,測得Upf為5014V。串聯斷路器之所以限制電壓高是因為斷路器的電感線圈產生的壓降所致。串聯斷路器限制電壓高于串聯熔斷器的電壓,這樣就影響了SPD的限壓效果,甚至會損壞被保護設備。

            使用斷路器操作方便,斷路器適用于對瞬態過電壓不敏感被保護設備,否則應用熔斷器做后保護。

            6 SPD的引線為了進一步減小熔斷器與SPD串聯的引線感抗的壓降,可將熔斷器與SPD二合一,減少安裝時線路盤繞,使電感量下降,輸出的限制電壓Upf也會下降。例如:設引線長度減少50cm,di/dt為1KA/μS,導線電感為1μH/m,則壓降就會降低500伏。

            為了減小引線產生的壓降,一般要求連接SPD引線總長度小于50cm,減小壓降的辦法可采用凱文(Kelvin)接線法即V字形接線。

            SPD輸入端前和SPD接地的導線是通過浪涌電流的線稱為“臟”線,SPD輸出端后的導線稱為“凈”線。安裝時應盡量使“凈”線與“臟”線遠離,將“臟”線穿鐵管屏蔽也是很好的辦法。

            在雷電防護中,SPD的應用是最受關注的,SPD的選擇和安裝應由被保護設備的使用技術人員綜合考慮,應把SPD當作被保護設備的一個組件。

            主要以電子產品研發、制造。電涌保護器(SPD)產品有:電源電涌保護器系列(箱式、模塊式、電源插座、低壓交/直流精細電源)、信號電涌保護器系列(網絡、電話線、雙絞線、DB串口通訊、同軸線、天饋線、交/直流測控)、避雷針、接地材料等。產品均采用優質電子元器件與嚴格的生產工藝,出廠前經多道檢測、老化程序。保證了產品的穩定性與安全性以及更長的使用年限。質量與價格的完美結合,贏得了客戶的支持與信賴,與全國多家專業電涌保護器(防雷器)生產商及工程公司成為戰略合作伙伴,提供了強大的技術、產品和服務支持。我們一貫秉承“質量第一、信譽第一”的宗旨,愿與各界同仁真誠合作,共創雙贏。全力打造中國唯一專業OEM/ODM的行業標桿。

           
           
           

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