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多种新型浪涌保护器技术特征与应用---防雷技术
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浪涌电压对电气和电子设备(如数据处理系统)可造成极大的危害,在过去几年中,电涌电压造成的危害越来越多,损失也越来越大。

当今己有不少著名公司生产的浪涌保护器、通信产品及系统的种类越来越多,并得到广泛使用。其主要产品包括:结构化浪涌保护器系统,浪涌保护器附件,浪涌保护器导管,终端,电源接插件,安装工具,标识产品和热收缩产品。并赢得了多项重要浪涌保护工程,例如电信、电力、铁路、航空、交通、金融、政府、教育等等。

为此本文将对其解电源浪涌保护、信号浪涌保护、天馈浪涌保护等新型浪涌保护器应用技术特征与应用举例作分析介绍。据此先介绍一下新的浪涌基本理念。

1、新的浪涌基本理念

1.1关于电磁兼容性

电磁兼容性的问题涉及到每一个电力电子设备最大可靠性保护方面的规定。在电子元器件或系统部件之间存在一定的关系,必须提前加以预防以避免干扰的产生。电磁兼容性是一个相对较新的规定,始于确保电子设备尤其是军用及航空系统的可靠工作和完美无缺。电磁兼容性随着发展电子学和普遍使用的微处理器开始影响我们。各国专家开始研究这方面的问题并预测潜在的危害性以克服负面影响。电磁兼容性带来的技术和经济影响是无法用数字来衡量的,这是由各种原因产生的。

如今欧盟设立No.89/3 36/EEC法规其目的是对所有欧盟国家及签署了会员协议的国家推行电磁兼容性条款。例如CSN3 32000—1标准的1 3.6.2段明确规定如下:“人、畜、财产必须避免受到浪涌的危害,浪涌的原因是多种多样,如大气放电、线路过压以及静电等。”

图1表示出了电气设备与环境间的接口,它们可能被两个因素所影响:互感和输入。实际上是两个有线或无线设备之间的相互干扰。输入可分为两部分:在线干扰和无线于扰。浪涌是在解决电磁兼容性问题肘产生的主要问题之一。涉及所到电能的传输时,必须牢记以下四个品质因素:电压等级、涌等级、非线性变化、浪涌等级(流涌的波峰涌)。

图1

1.2电力线等效电路图应用

图2是一种常使用的电力线等效电路图。使用目的是用参数反映电力设备的可靠性和正常运转情况,也要求得到某些定性参数。总的来说最主要的目的就是创造一种条件,确保有连接在电力系统中的电子设备的最高可靠性及最佳利用率。

图2

1.3相关浪涌的定义

浪涌是一种突发性的事件,随时间、地点、波形的不同相互存在差异。不仅要根据其产生的原因(如雷击、大电网的启停等)来定义浪涌的参数,而且传输线的特性(如电阻、终端阻抗、放电能力、绝缘强度等)也是定义浪涌的非常重要的条件。可是,没有完全相同的两次浪涌事件。近十年来,若干不同应用环境中的电流和电压数值已经做到了标准化,在相同条件下设备和工程元件的测试成为可能。另一方面,在实际中会存在本质性的数值差异。

*浪涌及其定义:

峰值Umax。浪涌是指由外部影响造成的异常高工作电压和瞬时的电压升高,下一节中峰值U代表由环境影响产生的瞬时浪涌的峰值,测量和测定相当容易。(例如使用可存贮峰值的电压计、存贮式示波器或枢纽记录装置等)。

波阵面(波前):波峰前的一段电流或电压波形。波尾:波峰后的一段电流或电压波形。

半波尾时间:由波峰开始下降至50%峰值的时间间隔。描述浪涌的一个重要参数是它的段周期,测试浪涌保护装置时常用以下的波形:其一、10/350μS电流波-模拟自然雷击;其二、8/20μS电流波形-模拟间接雷击和开关操作。图3为浪涌波的示意图。

图3

在用10/350μS波形测试时,抑制器放电能力必须至少是同样幅度的8/20μS波形放电能力的20倍,这就是避雷器(10/350),与浪涌抑制器(8/20)构造不同的原因。

电网额定电压.A/表示基本的电网电压,通过此电压可选定工作特性电网,B/对三相电网,它是相伺耦合电压的有效值。

电压电网最大值。 对三相电网,它是相间电压的有效值。由于开关动作、电网异常(如接地损坏,短路或大负载的突然切除)或不可预见因素引起的暂时电压变化不属于电网电压最大值。

电气设备最大电压。导体间交流电压的最大有效值取决于设备的绝缘等级。

浪涌设备最大电压正常的情况下,基于时间的电网相间电压升高浪涌可用其峰值或绝对值(单位:伏特)以及浪涌系数的可比较数量加以表达。浪涌总是具有瞬时效果,可以将浪涌粗略分成两类:瞬时的和较长时间的,两者的确切界限不可确定。

开关浪涌:相间或相与地之间由于开关操作、短路及其它原因造成的浪涌。从考虑电网确定地方绝缘等级的目的出发,相对于正常开关电压波形、这种浪涌是单极的,持续时间很短。瞬时浪涌:在电网的相间或相与地间发生的振荡浪涌,持续时间长。特点是幅度变化小或等幅。暂时浪涌可能由开关动作,短路(如负载切除,单相短路)等原因造成。

1.4浪涌的危害性及其后果

在夏季,闪电是造成浪涌的最主要原因。但是在电网中有些设备可能被普通的一次开关动作产生的浪涌损坏(如高灵敏度的设备,计算机,EZS,NC控制器等。

雷击的威胁。雷击会带来巨大的损失和严重的后果,雷击及周围的电磁感应会损坏附近的系统和设备。经常性的雷击及过流会降低输电线路和系统的绝缘指标。

浪涌的威胁。浪涌对所有的电子设备和数据系统都有潜在的危害。它是隐伏的,不可见的,不可预测的,极端危险并且后果不可想象。实际浪涌的幅值一般较雷击电流小,但前者可能会造成和后者同样的损坏。通过提供高,中,低级浪涌保护产品,公司可以很好地满足用户的需求。为防雷击而设计的模块成本较低,可以方便地安装在总、分配电箱中。为电源设计的雷击电流抑制器使其可以避免直击雷和电源雷击的损害。高品质的变阻器可将雷电导人接地系统。对低级保护也有一套适用的浪涌防护产品可以使用。如FUCO提供多个系列的浪涌防护产品,可以满足用户的最大需要。

1.5电力设备的损坏

干扰信号和浪涌对电路的不利影响是每一个电力工程师都不能忽视的问题。在过去继电器的短时间过载输入可能是没有危险的,但是在使用半导体电路的时代里,即使是低能量脉冲也能造成损坏或操作失败,见图损坏所示意图4。

在将来,由于种种原因,浪涌防护产品将变得越来越普及。即:集成密度的提高必然伴随着电路中元器件(集成电路,三极管,二极管,电阻等)临界载荷值的降低;由于使用先进的生产机械,有必要增加生产过程的安全性;电子设备的应用中,要注意露天设备(如带有智能传感器的设备)的保护;核爆炸产生的电磁脉冲危害(NEMP):这只是核爆炸产生的不可避免的次要结果,它能损坏所有电子设备。

浪涌的原因可能是大气放电、开关操作、静电放电,与高电压下的导体接触或上面提及的NEMP。静电放电是在维护过程中人们意外接触系统某个地方而导致的。

图4

2、多种浪涌保护器选用

值此以FUGO公司的浪涌保护器为例,对其多种电源浪涌保护器技术特征作介绍。

2.1电源浪涌保护器

*1级电源浪涌保护器

在雷击高发区,或架空线直接进户的情况下,具有超大能量的直击雷往往会对设备造成毁灭性损坏。

值此以法国FUGO公司的浪涌保护器为例,对其多种电源浪涌保护器技术特征作介绍。

FUGO公司提供的间隙型(即开关型)和压敏型(即限压型)浪涌保护器两种方案,使用户能自由地选择最合适的直击雷防护措施。应用于建筑物人户端,低压配电系统的第一级保护。间隙型(10/350μs)其型号为MES一50B/230与MES一50B/440;限压型(8/20μs)其型号为MES一160DST。其主要指标:

电源系统TT-TN-IT;额定电压(Un)220/385V;最大持续运行电压(Uc)385/660V;标称放电电流(Isn)25KA(间隙型)与80KA(限压型);最大放电电流(Imax)50kA(间隙型)与160KA(限压型);保护水平(Up)2KV(间隙型)2.5KV(限压型);响应时间(Ta)<25ns;备份熔断器125Agl/gG;保护级别(IP)为20;外形尺寸142mmX76mmX35mm(间隙型)与90mmX72mmX66mm(限压型);工作温度,-40℃--+85℃。

*2级电源浪涌保护器

单片(单极)设计、用于防止电源系统因雷击过压或操作过电比对设备造成损坏。适用于低配电系统的第二级保护。依据不同的配电系统(T T/T N/I T)的选择多种组合方式。其原理图见图5所示。

图5

*3级源浪涌保护器

单片(单极)设计、用于防止电源系统因雷击过压或操作过电压对设备造成损坏。适用于低配电系统的第三级保护。依据不同的配电系统(T T/T N/I T)的选择多种组合方式。

2.2电源浪涌保护器一低压电源

适用于低压供电系统的精细保护,依据不同的交直流电源电床可选择各种相应的规格。电源浪涌保护器一精细由于终端设备离前级浪涌保护器距离较大,从而使得该线路上容易产生振荡过电压或感应到其他过电压。适用于终端设备的精细电源浪涌保护,与前级浪涌保护器配合使用,则保护效果更好。

2.3退耦电感

在前级大容量浪涌保护器与次级小容量浪涌保护器作协调保护时,如果之间设有足够多的导线长度作退耦(通常大于10M),常会发生次级浪涌保护器经常老化损坏, 而前级浪涌保护器没有有效动作的现象。退耦电感器件能有效协调前后级保护。

2.4网络信号浪涌保护器选用

BAx系列信号浪涌保护器是专为通过双绞线进行信号传输的设备而设计,以保护其避免遭受感应过电压和操作过电压放的损害。该浪涌保护器输入、输出采用RJ45公/母于接头串联保护。网络信号浪涌保护器其原理图见图6所示。

图6

以产品型号BAX-RJ45/UTP(/24)与BAX—RJ45/UTP—K(/24)为例对其主要指标作说明。

接口/保护脚为RJ45/STP8线(24口);额定电压Un为8V;最大持续运行电压Uc为12V;标称放电电流Isn(8/20μs) 为5KA;最大放电电流ImaX(8/20u s) 为10kA;保护水平Up线-线/线-地:40V/150V与44V/90V;响应时间ta为1 ns;传输速率为155Mbit/s与1000Mbit/s;外壳防护级别为IP20;插入损耗DB为<0.2dB;工作温度-40~+85℃。

2.5通讯信号浪涌保护器选用

MET系列产品是专门用于双绞线传输线路中的过电压信号浪涌保护器,产品广泛适用于通信系统和工业自动化控制回路系统(比如RS2 32、RS422、RS485、RS42 3…)的过电压保护。产品包括2线式(1对线)和4线式(2对线)各种系统。图7为原理图所示。

图7

2.6通讯D型信号浪涌保护器

DET系列产品是为D型接口连接方式的信号传输设备而设计的,用于防止感应过电压而对设备造成的损坏,传输系统包括EIA/DS485、V.24/RS232、V.11/RS422等,保护方式采用全护方式,更适用于工业自动化和计算机通信的应用保护。

2.7天馈信号浪涌保护器

高频馈线浪涌保护器是专为保护微波、移动基站,以及卫星信号接收器和有线电视设备而设计的,以防止因馈线感应过电压而对接收设备造成损坏。

以产品型号CET-DNT/CATV与CET-DSP为例对其主要指标作说明。

接口为F F/F与N FLl0;阻抗为75Ω与50Ω;传输功率Po为≤100W;工作频率MHz为45-870与DC-2000;驻波比为1.2;标称放电电流Isn(8/20us) 为5KA;最大放电电流Imax(8/20 us )为10kA;保护水平Up为≤600V;插入损耗DB为0.5dB;防护级别为IP20;工作温度-40—+85℃。

3、多种浪涌保护器产品在金融电子设备防雷应用中的设计思想

如今电子设备被广泛应用于金融网络的运行系统中。其系统电子设备雷电过电压及电磁干扰防护,是保护通信线路、设备及人身安全的重要技术手段,是确保通信线路、设备运行必不可缺少的技术环节,是银行系统金融电子化建设及运行管理工作的重要组成部分。

为此需制定方案的制定供出一套完整而易于操作防雷设计和运行解决方案,从而达到使金融网络系统安全运行的效果。值此对方案设计思想作研讨。

3.1设计依据

VDE675《过电压保护器》、GA73—1998《计算机信息系统防雷保安器》及IEC1312《雷电电磁脉冲的防护》等。

所采用的过电压保护产品可选FUGO公司制造的电源及通信信号的过电压保护器(SPD)。

3.2防雷设计基本系架构

SPD是用以防护电子设备遭受雷电闪击及其它干扰造成的传导电涌过电压的有效手段。

系统的瞬态过电压保护设计,系统过电压保护必须运用电磁兼容原理将银行系统局部的防护归结到银行系统的整体的雷电过电压保护;电子设备所处的建筑物作为一个欲保护的空间区域,从电磁兼容的角度出发,可由外到内分为几个雷电保护区,以规定各部分空间不同的雷电磁脉冲(LEMP)的严重程度;依据雷电保护区的划分求,银行建筑物外部是直接雷的区域,在这个区域内的设备最容易遭受损害,危险性最高,是暴露区,为0区;建筑物内部及计算机房所处的位置为非暴露区,可将其分为1区、2区,越往内部,危险程度越低,雷电过电压对内部电子设备的损害主要是沿线路引入。保护区的界面通过外部的防雷系统、建筑物的钢筋混凝土及金属外壳等构成的屏蔽层而形成。电气通道以及金属管则通过这些界面,穿过各级雷电保护区的金属构件必须在每一穿过点做等电位连接。

进入银行大楼的电源线和通讯线应在LPZ 0与LPZ 1、LPZl与LPZ 2区交界处,以及终端设备的前端根据)ECl3 72雷电电磁脉冲防护标准,安装上OBO之不同类别的电源类SPD,以及通讯网络类SPD。(SPD瞬态过电压保护器)。

3.3选用和使用SPD注意事项

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;LPZ 0与LPZ 1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;SPD保护必须是多级的,例如对银行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;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间采用适当退耦措施;建在城市、郊区、山区不同环境下银行营业网点,设计选用过压型SPD时,必须考虑网点供电电源不稳定因素,选用合适工作电压的SPD。

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;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。


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