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技术论文

浅谈防雷器在电源系统中选型

发布时间:2017-05-04来源:北京雷迅博成-抗震支架、电气安全、防雷安全,安全至上 作者:admin 点击次数:
浅谈防雷器在电源系统中选型 
一、雷电防护基本原理
   1.雷电及其它强干扰对通信系统的致损及由此引起的后里是严重的,雷电防护将成为必需。雷电由高能的低频成份与极具渗透性的高频成份组成。其主要通过两种形式,一种是通过金属管线或地线直接传导雷电致损设备;一种是闪电通道及泄流通道的雷电电磁脉冲以各种耦合方式感应到金属管线或地线产生浪涌致损设备。绝大部分雷损由这种感应而引起。对于电子信息设备而言,危害主要来自于由雷电引起的雷电电磁脉冲的耦合能量,通过以下三个通道所产生的瞬态浪涌。金属管线通道,如自来水管、电源线、天馈线、信号线、航空障碍灯引线等产生的浪涌;地线通道,地电们反击;空间通道,电磁小组的辐射能量。
  2. 其中金属管线通道的浪涌和地线通道的地电位反击是电子信息系统致损的主要原因,它的最见的致损形式是在电力线上引起的雷损,所以需作为防扩的重点。由于雷电无孔不入地侵袭电子信息系统,雷电防护将是个系统工程。雷电防护的中心内容是泄放和均衡。
  3.后续的评估模式用于评估LPZ1区以后防护区交界处的雷电流分配情况。由于用户侧绝缘阻抗远远大于防雷器放电支路与外引线路的阻抗,进入后续防雷区的雷电流将减少,在数值上不需特别估算。一般要求用于后续防雷区的电源防雷器的通流能力在20kA(8/20μs)以下,不需采用大通流能力的防雷器。后续防雷区防雷器的选择应考虑各级之间的能量分配和电压配合,在许多因素难以确定时,采用串并式电源防雷器是个好的选择。串并式是根据现代雷电防护中许多应用场合、保护范围层次区分等特点提出的概念(相对于传统的并式防雷器而言)。其实质是经能量配合和电压分配的多级放电器与滤波器技术的有效结合。串并式防雷有如下特点:应用广泛。不但可以按常规进行应用,也适合保护区难以区别的场所。感生退耦器件在瞬态过电压下的分压、延迟作用,以帮助实现能量配合。减缓瞬态干扰的上升速率,以实现低残压与长寿命以及极快的响应时间。
  4.防雷器的其它参数选择取决于各个被保护物所在防雷区的级别,其工作电压以安装在引电路中所有部件的额定电压为准。串并式防雷器还需注意其额定电流。                                  5.影响电子线雷电流分配的其它因素:变压器端接地电阻降低将使电子线中分配电流增大。供电线缆的长度的增加将使电力线中分配电流减少,并使几要导线中有平衡的电流分配。过短的电缆长度和过低的中性线阻抗将使电流不平衡,从而引起差模干扰。供电线缆并接多用户将降低有效阻抗,导致分配电流增大,在连成网状的供电状态下,雷临时性流主要流入电力线,这是多数雷损发生在电力线处的原因。
二、电涌保护器的性能要求
SPD(Surge ProtectiveDevice)是国际电工委员会(IEC)标准中对电涌保护器的英文缩写。过去国内大多数生产厂商使用避雷器、低压避雷器、电子防雷器等名称均不够准确,使用避雷器一词易与使用于高压供电系统的避雷器相混淆,特别是国家标准已颁布了避雷器的内容和设有专门的检测单位,它们主要应用于高压系统。行业标准GA173把SPD定名为防雷保安器是与国家制定电器安全标准的规定相矛盾的,该标准对使用“安全”一词有特定规定,不允许把“安全”及类似含意的词与某元件联用,而且SPD除具备有防雷的功能外,还有抑制投切过电压的作用。在IEC61312、IEC61643和IEC60364等相关标准中对SPD性能和安装使用提出了一系列要求,简要归纳出要点,以供讨论。
1、SPD的定义:
在GB50057-94《建筑物防雷设计规范》中,SPD定名是过电压保护器:“用以限制存在于某两物体之间的冲击过电压的一种设备,如放电间隙,避雷器或半导体器具”。近日标准起草人林维勇先生在为中国气象局组织起草的某标准草案讨论稿上郑重的将“过电压保护器”易名为“电涌保护器”,并以近期颁布的国际标准和美国标准做了更名的文字说明。
SPD的定义应是,电涌保护器(SPD):用以限制瞬态过电压和引导电涌电流的一种器具,它至少应包括一种非线性元件。这一观点将在林维勇先生执笔对GB50057-94局部修订条文征求意见稿中做为强制性国家标准出现。
2、SPD的分类:
SPD可按几种不同方法进行分类:
1.按使用非线性元件的特性分类:(设计电路拓朴)
电压开关型SPD:当没有浪涌出现时,SPD呈高阻状态;当冲击电压达到一定值时(即达到火花放电电压),SPD的电阻突然下降变为低值。常用的非线性元件有放电间隙,气体放电管等。开关型SPD具有大通流容量(标称通流电流和最大通流电流)的特点,特别适用于易遭受直接雷击部位的雷电过电压保护。(即LPZ0A——直击雷非防护区),有时可称雷击电流放电器。
电压限制型SPD:当没有浪涌出现时,SPD呈高阻状态;随着冲击电流及电压的逐步提高,SPD的电阻持续下降。常用的非线性元件有压敏电阻,瞬态抑制二极管等。这类SPD又称箝压型SPD,是大量常用的过电压保护器,一般适用于户内,即IEC规定的直击雷防护区(LPZ0B)、第一屏蔽防护区(LPZ1)、第二屏蔽防护区(LPZ2)的雷电过电压防护。IEC标准要求将它们安装在各雷电防护区的交界处。
混合型SPD:开关型元件和箝压型元件混合使用,随着施加的冲击电压特性不同,SPD有时会呈现开关型SPD特性,有时呈现箝压型SPD特性,有时同时呈现两种特性。
2.按SPD的端口型式分类:
根据在不同系统中使用的需求,SPD生产商厂可以把SPD制造成一端口或两端口的型式。
一端口(又称单口)SPD:与被保护电路并联连接。一端口SPD可能有隔开的输入端及输出端,在它们之间没有特意设置的电阻或电感。
两端口(又称双口)SPD:具有两组端口的SPD,一般与被保护电路串联连接,或使用接线柱连接,在输入端与输出端之间有特意设置的串联阻抗。
图1和图2上可以看出,无论SPD从外表上看是否串接或并联在被保护电路中,SPD的非线性元件实质上都是与被保护电路处于并联状态,当其动作时,能将被保护电路中的电涌电流通过SPD分流泄入地中。
3.按使用的性质分类:
由于雷电过电压和投切过电压(过去常称为操作过电压)可能沿供(配)电线路侵入,雷电过电压可能沿信号线(含电话线)或天馈线侵入,因此安装在不同的系统中的SPD必须满足不同系统的特殊要求。这样,生产厂商又可将SPD按使用性质将SPD分为:电源系统SPD、信号系统SPD和天馈系统SPD。
此外,还可以按安装的环境(位置)分为室内用或户外用;按可接触性分为可接触或不可接触;按安装方式分为固定式或卡接可移式等等。
三、浪涌保护器的安装要求
对于固定式SPD,常规安装应遵循下述步骤:
    确定放电电流路径标记在设备终端引起的额外电压降的导线,为避免不必要的感应回路,应标记每一设备的PE导体,。
说明:如果不可能进行单一接地则需要两个SPD 设备与SPD之间建立等电位连接。
要进行多级SPD的能量协调
   为了限制安装后的保护部分和不受保护的设备部分之间感应耦合,需进行一定测量。通过感应源与牺牲电路的分离、回路角度的选择和闭合回路区域的限制能降低互感.
   当载流分量导线是闭合回路的一部分时,由于此导线接近电路而使回路和感应电压而减少。
   一般来说,将被保护导线和没被保护的导线分开比较好,而且,应该与接地线分开。同时,为了避免动力电缆和通信电缆之间的瞬态正交耦合,应该进行必要的测量。
与防护距离有关的振荡效应
   当SPD1用来保护设备或安装在输入口配电盘上却不能对某些设备提供足够的保护时,SPD2的安装位置应该尽可能地靠近被保护的设备。如果距离太远,可能会在终端设备上产生2倍于Up甚至更高的振荡电压,尽管对设备使用了SPD保护,但这个振荡电压仍会使设备发生损坏。合理的距离(又称防护距离)与SPD类型、系统类型、进入的浪涌源的陡度和波形及相连的负载有关。特别是在设备相当于高阻负载或设备内部发生脱离可能出现电压倍增。为了解释此现象,
   一般认为距离小于10米时不会产生振荡,图4说明即使距离为10米,也有可能产生电压倍增,但只有负载为纯电容时才有可能发生。有时设备有内部保护元件(如压敏电阻),即使距离较远,振荡也会显著减少。此时应注意SPD与设备内部保护元件的协调。
   说明:一般来说,仅在靠近被保护设备处安装一个SPD是不够的。由于电磁兼容原因(为避免浪涌电压产生的电磁干扰,最好在入口处进行分流)和为了对设备进行保护(避免导线之间的闪络),最好在设备的入口处安装SPD。如果设备不在入口处安装的SPD的保护范围内,有必要在靠近设备处另行安装一个SPD,此时也应考虑其协调性。
   说明:这种现象可以通过由与浪涌频率和导线长度相关的振荡和行波来解释。
连接线长度的影响
   为获得最佳过压保护应使SPD的连接导线尽可能短。如导线太长将引起SPD电压降,为提供有效的保护有必要降低安装于此的SPD的保护等级。转移至设备的残压为由SPD上和导线上感应电压的总和。这两种电压不一定同时达到峰值。出于实用的目的,一般情况下,它们可以相加。
 一般假设导线感抗为1μH/m。当脉冲陡度为1kA/μs,导线上感应电压降接近1kV/m,而且,如果di/dt陡度更大时,感应电压值将增加。如果回流线与进线是通过紧凑接线方式磁耦合,感抗将减小。
   当建筑物进线处浪涌电压较低时,在靠近进线处安装一个SPD便行。但在某些特殊情况下,例如安装了非常敏感的设备(电子设备,计算机)或这些需要保护的设备离安装在入口处的SPD太远、在建筑物内由于雷电放电和内部干扰源而产生电磁场时,有必要在靠近被保护设备处或设备内部安装附加的SPD。
   电源系统和信号网络线进入防护区时,应彼此靠近并连接在同一金属物上,实现等电位连接,这一点对由非屏蔽金属(如木材、砖混结构)建筑物尤为重要。
   要考虑系统中多数被保护的电子敏感设备的耐压水平。对安装在设备最近处的SPD,必须使其UP值至少低于设备耐压值的20%。假定安装在进线处的SPD在保护范围内,如果进线处的SPD的UPl乘以一个过压因子后低于UP2,那么,只能使用进线处的SPD。
   说明:用户应注意设备的抗扰性可按IEC6l000-4-5标准,用混合波发生器进行试验得出。在这种情况下,低阻抗设备的抗扰性不只是根据耐压UW来定义,且部分浪涌电流通过设备分流,需设计一合理的协调。
在建筑物内部当可能出现一些高能量的开关浪涌(投切过电压)时,此时需安装附加SPD。
SPD应具备的功能和附加要求
     1.SPD的基本功能
   对于正常工作状态下的低压系统,安装后的SPD不应对系统和系统装置内的设备工作特性有明显的影响。
   对于出现浪涌等非正常工作状态的低压系统,SPD应及时对浪涌作出反应,通过SPD能限制瞬态过电压和分走电涌电流的特性,将过电压降到IEC60664-1规定的各类别位置设备耐冲击过电压额定值以下。
   对于经历了非正常状态的低压系统,即经过浪涌后恢复正常状态的SPD,应恢复其高阻抗特性,并采取措施防止或抑制电力线上的续流。
2.使用SPD的附加要求
      1)对直接接触进行保护。SPD应以这种方式安装:安装在不可接触的范围内或对直接接触采取保护(如安置隔离设备)。
   2)发生SPD失效事件的安全性。当浪涌电压超过设计的最大承受能力和放电电流容量时,SPD可能会失效或被损坏。SPD的失效模式大致分为开路和短路两种方式。
      处于开路模式时,被保护设备将不再受保护。这时,因为对系统本身几乎不会产生影响,很难发现SPD己失效。为了保证在下一浪涌到来之前,能将失效的SPD替换掉,必须要求SPD具备指示失效的功能。
   处于短路模式时,系统出于SPD的失效而受到严重影响。短路电流由配电系统流向失效的SPD。因为失效的SPD通常并未完全短路且有一定阻抗,在开路前将产生热能引起燃烧。在这种情况下,被保护系统没有合适的器件使其与失效的SPD发生脱离,此时,对处于短路失效模式的SPD要求安装一个合适的脱离装置。(断路器)
SPD的选择步骤
说明如下:
A:Uc、UT和Ic
   关于Uc在不同供电系统中的取值已在本文中说明。UT是SPD能承受的短时过电压值,在理论上是一直线。但在实际中常因一些值(电源频率、直流过压)可能随时间变化,使得在一定的时间间隔内(一般在0.05秒到10秒间),会超过最大连续工作电压Uc,因此选用UT值应考虑大于UTOV。但事实上,要求一个SPD既要有较高的耐短时过电压能力同时又能提供低保护等级不可能的,只有比较而舍取,或采用多级保护。
   当外加连续工作电压Uc时,通过SPD的最大连续工作电流值为Ic。为避免过电流保护设备或其它保护设备(如RCD)不必要动作,Ic值的选择非常有用。Ic的选择可参看"五分法"的利用分流来确定。
B.保护距离
     主要指SPD的安装位置。一般SPD应安装在低压供电系统在建筑物的入口处多指在变压器的低压侧(特别说明:在公共配电系统中安装SPD必须取得公共配电系统管理部门如供电局的批准)的配电盘上。当配电盘与用电设备距离较远或用电设备需要多重保护时,SPD2、SPD3应尽可能的靠近被保护设备并在防雷区交界处做等电位连接。
一般来说,SPD的选择有六个步骤:
选用和使用SPD时的注意事项
      1.应在不同使用范围内选用不同性能的SPD。在选用电源SPD时要考虑供电系统的形式、额定电压等因素。LPZ0与LPZ1区交界处的SPD必须是经过10/350us波形冲击试验达标的产品。对于信号SPD在选型时应考虑SPD与电子设备的相容性。
    2. SPD保护必须是多级的。例如对电子设备电源部分雷电保护而言,至少应采取泄流型SPD与限压型SPD前后两级进行保护。
    3.为各级SPD之间做到有效配合,当两级SPD之间电源线或通讯线距离未达规定要求时,应在两级SPD之间采用适当退耦措施。
    4.建在城市、郊区、山区不同环境下计算机机房,设计选用SPD时,必须考虑机房供电电源不稳定因素,选用合适工作电压的SPD。
    5.对于无人值守场合,可选用带有遥信触点的电源SPD;对于有人值守场合,可选用带有声光报警之电源SPD。所有电源防雷器都具有老化显示。
    6.信号SPD应满足信号传输带率、工作电平、网络类型的需要,同时接口应与被保护设备兼容。
    7.信号SPD由于串接在线路中,在选用时应选用插入损耗较小的SPD。
    8.在选用SPD时,应让指定供应商提供相关SPD技术参数资料。
    9.正确的安装才能达到预期的效果。SPD的安装应严格依据厂方提供的安装要求进行安装。
 
 
 

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