电涌保护技术讲座第七讲电涌保护系统的设计

作　者:叶蜚誉

(1935-),男,教授,

浙江省电力学会高压技术专业委员会副主任,主要研究方向为高压电技术、电力系统电磁环境及信息系统防雷保护等。

专题讲座

电涌保护技术讲座

第七讲　电涌保护系统的设计

叶蜚誉

(浙江大学电气工程学院,浙江杭州　310027)

摘　要:作为讲座的归结,本讲阐述建筑物电涌保护需求评估原则,提出电涌保护

设计流程,并说明电涌保护应配备的辅助机构、后备过电流保护和电涌保护器安装环节对电涌保护效果的影响。最后,简要介绍信号电涌保护器的原理和配置。

关键词:电涌保护;电涌保护器;电涌保护系统;雷击风险评估;脱离器;后备保护;信号电涌保护器

中图分类号:TM862　文献标识码:A 　文章编号:100125531(2004)0820055204

LectureonSurgeProtectionTechnology Ⅶ.DesignofSurgeProtectionSysteminBuilding

YE Fei 2yu 　　　

(CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China

)

　　Abstract :Astheendofthelecture,inthischaptertheprincipleofriskassessmentoflightningsurgewasex

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plained,wasthedesignflowchartprovided.Theneedofauxiliarycomponent Πdevices,backupprotection,theinfluenceof

SPDmountingleadstotheprotectionperformanceweredescribed.Finally,theprincipleandarrangementof

SPDs on

equipment πssignalsidewasbrieflyintroduced.

Keywords :surgeprotection ;surgeprotectivedevices ;surgeprotectivesystem ;riskassessmentoflightning ;disconnector ;backupprotection ;SPDonsignalside

1　电涌危害的风险评估

在设计电涌保护系统之前最好进行雷击2电涌风险评估(电涌是主要的雷击电磁脉冲效应),至少要分析本建筑Π设备系统的电涌保护需求,这有助于提高防雷的技术经济性。但电涌保护是防雷系统的一部分,电涌危险分析评估与雷击风险分析评估难以分开。雷击2电涌风险分析评估很复杂,影响因素极多,现在还没有准确而又简便、可行的方法。目前建议的方法多为定性的、半经验性的,甚至包含了一定的性。即便如此,分析评估可区分不同的要求,在经济上是有利的。1.1　影响建筑物雷击2电涌风险因素的调查分析

(1)设备重要性及雷击后果严重程度。一般可分为:很重要,损坏有不可估量的后果;重要,损坏有严重后果;较重要,损坏有一定后果;一般,无

社会性后果或无严重后果。

(2)建筑物和进线雷电环境。地区雷暴日,周围地质地形,建筑物密度,线路架空还是埋地。

(3)建筑物和进线尺寸。建筑物的平面尺寸和高度,进线长度,这些决定其引雷面积。

(4)建筑物和设备基本防雷设施。在装设SPD 前本建筑物的接闪器、接地装置和屏蔽、布线

等防雷措施,包括设备本身的冲击耐受强度。若这些措施有力,则电涌保护可减轻或甚至不要。1.2　评估内容

(1)设备Π建筑物雷电侵入概率N d 的计算。

根据建筑物和进线尺寸和雷电环境,用标准提供的或其他有效的方法,估算设备Π建筑物雷电侵入概率。

(2)设备Π建筑物雷电侵入可接受概率N c 的

确定。根据设备的重要性确定设备Π建筑物雷电

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(3)电涌防护系统等级的划定。比较雷电侵入的概率N

d和可接受的概率N c,按N dΠN c确定应采用的电涌保护等级。不同的电涌保护等级所要求的SPD参数和布局有所不同,以达到不同的可靠性。

2　电源电涌保护器的辅助机构和后备保护

　　电涌保护的设计内容主要是保护元件的参数及其配合,还有一些保证运行安全的环节。

(1)脱离器。在MOV元件严重老化以后,其温度将上升到SPD外壳、结构元件和连接元件所不允许的程度,从而出现软化、鼓胀以至破裂、燃烧的危险。为此,SPD要配备脱离器。脱离器大部分是内置的,其作用主要是在保护元件MOV等严重老化、温度过度升高时,及时地将其与被保护的电源系统脱离。通常内置脱离器只具有简单的机械触点和弹簧机构,其温度传感可能是熔丝或电子传感器。脱离器在SPD最大放电电流以下时不应动作。有些脱离器具有短路保护功能,有些脱离器在SPD的外部。在目前技术条件下,脱离器是以MOV等保护元件为核心的SPD的重要安全措施,在这类SPD中应无例外地加以配备,并有可靠的结构、工艺和试验保证。

(2)运行指示。由于MOV等元件的老化是其固有特性,虽然可以减缓,但不可避免。因此,这类SPD应该内置运行指示,实际上是老化指示,在元件劣化需要更换时应发出指示;对间隙类的保护元件,只要未引起短路,目前还不能对间隙本体的损坏做出指示,只能对其触发电路是否正常进行指示。

(3)雷击记录器。为了解电涌保护点的雷电侵入情况,在某些重要或需特别监视的点上装设雷击记录器。简单的雷击记录器只记录在一定的阈值(电流)以上的电涌次数。记录中可能包括比较严重的操作电涌。有的雷击记录器能记录雷电流幅值,但无法记录波形。同样,也可能包括比较严重的操作浪涌电流波形。

(4)后备短路保护。大多数脱离器不能切断短路电流,故在以MOV等保护元件为核心的SPD 并联支路中,在SPD的电源端子前应串入后备短路保护。在MOV等突然发生短路故障,脱离器来不及动作(即使动作也不能切断短路)时,此保护应迅速动作,切除故障的SPD,保证电源主电路继续供电。短路保护器件可采用断路器或熔断器,额定电流要求不大,因为正常情况通过SPD的电流很小。这个额定电流易于和主电路的断路器相配合,但其分断容量必须大于电源系统在该点的短路容量。这应由电涌保护设计者校核。这里的保护器件又应该“躲过”SPD的最大放电电流而不动作(此电流数值很大却是瞬态的),否则将会在后续雷击时使设备失去保护。常规的断路器和熔断器的产品目录不提供瞬态电流下的数据,应由SPD制造商提出选型建议。断路器内部可能有一个小线圈,其电感会增大SPD支路的电感压降。熔断器的熔断电流和时间有较大的分散性,使选择比较困难。

3　电涌保护器安装对保护效能影响　　安装接线是影响SPD发挥作用的最后一个环节。这是因为SPD在并接到电源线路上时,不可避地有两段引线:上引线连向电源相线,下引线连向接地Π等电位连接排。这两段导线的电感上的冲击电流造成的电感电压降将叠加到SPD的残压上,增大了SPD支路两端的总压降。对设备保护讲,正是支路总压降在线路上起限压作用。一般,线路的电感约1μHΠm。如上、下引线合计1 m,电流陡度小到1kAΠμs,则其电压降也将达1 kV。此电压叠加在SPD残压(一般为1～2kV)上,增幅比例相当大。所以,许多标准和制造商要求上、下引线之和≤0.5m。若简单引线不能达到此要求,应采取减少引线电感的措施,如V形接线等。

4　电涌保护系统设计流程

电涌保护设计时,在参数选取和布局设定方面考虑因素很多,而且有许多交叉,常需反复调整,故提出设计流程建议如图1所示。此流程针对电气、电子设备的电源侧保护。统计表明,电源侧的雷害约占全部设备雷害的50%。

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图1　电涌保护系统设计流程图

5　设备信息侧的电涌保护

统计表明:约50%雷电浪涌危险来自信息侧。电气、电子设备和信息技术设备包含电源侧和信息侧两个部分。信息侧及其内部电路较电源侧更为脆弱,故必须作电涌保护。这些信息设备

的用途包括电话(有线通信)、计算机及其网络、控制和监视系统、无线通信和移动通信以及电视广播、精密测量等,相应的电涌保护器是电话线电涌保护器、数据和网络线电涌保护器和天线馈线电涌保护器等,统称为信号线电涌保护器。信号线电涌保护器的原理与电源电涌保护器基本相同,但其工作电压(电平)较低压电源低得多,不到100V,或几十伏、几伏甚至在1V 以下;冲击耐受

电压相应很低,一般在2～2.5倍工作电压的水平;工作频率(模拟信号)Π速率(数字信号)较交流电源高得多,频率达kHz 、MHz 甚至到射频、微波频段,速率达kb Πs,Mb Πs,1000Mb Πs 。因此,信息侧保护器件要达到很低的电压保护水平;要在一个保护器中将很高电涌能量削减到很低的水平;要能避免高频下杂散电容的不利影响。5.1　信息侧电涌保护的器件

MOV 片的固有电容比较大,为了避免该杂散

电容对信息电路的影响,很少使用MOV 。二极管的箝位电压低,响应快,固有电容相对较小,可用在信息侧。但其通流容量太小,常在其前装设气

体放电管(GDT

)。气体放电管可通过大的电涌电流,但放电电压高,响应慢。信息电涌保护器内部

常为多级结构(见图2):以GDT 作为前级,二极管作为后级,中间以电阻作为解耦器。当雷电波侵入时,首先二极管动作、限压,到雷电流太大时,由

于电阻电压的叠加,GDT 上电压超过放电电压而动作,泄放大雷电流。还有TVSS (瞬态电压抑制器),是专为瞬态电涌而设计制造的电子器件。

图2　信号电涌保护器原理图

GDT —气体放电管　D 1,D 2,D 3—三端钳位二极管　

R 1,R 2—解耦电阻

　　在射频的范围,除了采用GDT 外,还可采用

基于波导原理的1Π4波长电涌保护器,其原理如图3所示。一个短的波导空腔插入信号线路,在其中部横伸一段长度等于1Π4信号波长的端部接地空腔支路。

按波行进的原理,1Π4波长段等于开路,信号可以从主空腔通过。但是,雷电波频谱的绝大部分远离射频,它被空腔支路所短路,了电涌电压。其优点是电压保护水平很低,只有几伏,较GDT 低得多。要注意这种保护器不能承载直流电压。

图3　1Π4波长天馈线电涌保护器

5.2　信息电涌保护器的技术参数

(1)信息电涌保护器的保护特性要求。①

最大持续运行电压,含义与电源SPD 相同。与其有关的是信息系统的标称电压;②标称电流,长期运行可以通过的电流;③达到规定保护特性的频率Π速率范围;④保护模块接法,共模,差模,还

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⑦脉冲耐久性,承载一定次数、一定幅值冲击电压Π电流的能力。有的产品也与电源SPD一样以冲击电流10Π350μs、最大放电电流8Π20μs、标称放电电流8Π20μs表征,还有10Π700μs等波形;⑧过载故障模式,为了保证安全性。

为了便于接入,也为了使保护器对电路的影响最小,信息电涌保护器应具有与被保护线路适配的接口型式,包括连接的线头数。

(2)要求较高的信息线路对传输特性有所要求。①(寄生Π杂散)电容,此电容是并接于信息端口的;②插入损耗,在规定的频率下,以分贝计,表征串入保护器后信号的衰减,保证信号无明显的衰减;③回波损耗,在规定的频率和特性阻抗下,以分贝计,表征保护器对传输线路均匀性的影响;④纵向平衡;⑤误码率;⑥近端串扰。5.3　信息电涌保护器的配置

　　除按被保护系统的工作电平、信号电流(功率)、频率Π速率范围和信号的对称性情况,对上述参数逐项选配并选择适合的接口以外,也应注意信息侧进线类型和按防雷分区概念配置。如信息线路由户外进入有外部防雷系统的建筑物时,在进入处应配置具有一定冲击电流通流容量的保护器。如信息线路为架空线,从户外进入没有外部防雷系统的建筑物时,在进入处也应配置具有一定冲击电流通流容量的保护器。除此以外,在建筑物入口处只要配置8Π20μs的通流容量。在信息线路的末端即设备的端口应装设第二级保护器。如信息线路是光缆,只要注意将其金属加强筋在建筑物入口处接地,不需要装设入口SPD。许多部门不允许信息线路直接由户外架空进入信息设备。如果实在需要,应装设第一级与第二级组合的保护器。也有部门要求长于200m的、完全在建筑物内部的信息线路的两端装设SPD。在高层建筑物的层间信息连线的两端均应装设SPD,除非层间是光缆连接。许多制造商提供了典型配置方案。

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[3]　叶蜚誉.建筑物电源电涌保护设计若干问题(上),

(下)[J].电气工程应用,2003,(1,2).

收稿日期:2004205211

(上接第10页)

6　结　语

用无单元Galerkin方法对所建立的强耦合数值模型进行了计算,并与实验结果进行了比较。可以看出计算值与实验值吻合较好,证明所建立的强耦合模型比较真实地反映了所研究薄膜悬臂梁的真实情况,另外也证明了无单元Galerkin方法对磁致伸缩薄膜计算的有效性和可靠性,并为进一步应用于动态计算提供了依据。

【参考文献】

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收稿日期:2004203215

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