中心議題:
- SPD的功用、選擇和安裝
- SPD的協(xié)調(diào)配合
- SPD的自保護(hù)和后保護(hù)
- SPD的引線
瞬態(tài)過電壓(電流)的來源是:雷擊事件、靜電放電、操作過電壓等產(chǎn)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(yán)重。在雷電防護(hù)中通常用浪涌保護(hù)器(SPD)來抑制瞬態(tài)過電壓(電流)。本文討論浪涌保護(hù)器(SPD)應(yīng)用中的SPD有關(guān)參數(shù)的選擇、SPD的安裝、SPD的協(xié)調(diào)配合、SPD的自保護(hù)和后保護(hù)、SPD的安裝時(shí)的引線問題。
1 SPD的功用
在雷電防護(hù)中浪涌保護(hù)器(SPD)廣泛應(yīng)用于保護(hù)電氣電子設(shè)備。通常這些設(shè)備都置于雷電防護(hù)區(qū)(LPZ)之內(nèi)(高于LPZ1),少數(shù)設(shè)備在LPZ0B區(qū)。SPD的功用是限制線路中的浪涌和與屏蔽體配合構(gòu)筑低電磁場(chǎng)的防護(hù)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(tǒng)中的不能直接用導(dǎo)體進(jìn)行等電位連接的帶電導(dǎo)體通過SPD進(jìn)行瞬態(tài)等電位連接,利用SPD的非線性特性限制瞬態(tài)浪涌過電壓并分流浪涌電流,達(dá)到保護(hù)電氣、電子系統(tǒng)的目的。
1.2 SPD與屏蔽體構(gòu)筑雷電防護(hù)區(qū)(LPZ)
把進(jìn)出屏蔽體的帶電導(dǎo)體(電源線、信號(hào)線)用SPD進(jìn)行瞬態(tài)等電位連接。SPD與三維屏蔽體共同構(gòu)筑了LPZ,SPD是LPZ劃界的重要部件。LPZ的導(dǎo)體中的浪涌在邊界得到分流,LPZ空間中的電磁場(chǎng)得到衰減。
2 SPD的選擇
2.1 SPD的電壓保護(hù)水平Up
SPD的保護(hù)水平Up是規(guī)定標(biāo)稱放電電流(In)時(shí)的SPD兩端的殘壓。要求SPD的Up必須小于或等于被保護(hù)設(shè)備的定額沖擊耐受電壓Uw.通常為1.2Up≤Uw.實(shí)際上SPD的有效保護(hù)電壓Upf=Up+ΔU,ΔU為線路壓降。
UW適用于低壓供電系統(tǒng),表征了設(shè)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(duì)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(guān)聯(lián),實(shí)驗(yàn)證明沖擊耐受電壓通常為工作電壓Uo的3倍左右。一般對(duì)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。
表1 集成電路的沖擊耐受電壓
2.2 SPD的放電電流(Iimp、In)
當(dāng)直擊雷擊中實(shí)體和線路(低壓系統(tǒng)、通信線路)都應(yīng)選用Iimp(10/350μS)測(cè)試的SPD,例如LPS中的雷電等電位連接的SPD和在LPZ0A區(qū)的架空線路使用的SPD。
在LPZ0B(LPZ1或更高的防護(hù)區(qū))之內(nèi)的各種線路浪涌主要來自LEMP感應(yīng)產(chǎn)生的,就應(yīng)選用In(8/20μS)測(cè)試的SPD或用組合波(1.2/50μS, 8/20μS)測(cè)試的SPD。
不同條件下低壓系統(tǒng)和通信線纜雷電流浪涌預(yù)計(jì)值如表2、表3所示(來源于IEC62305-1.表E.2)。LPL為雷電防護(hù)等級(jí)。
表2 低壓系統(tǒng)雷電流浪涌的預(yù)計(jì)值[page]
表3 通信系統(tǒng)雷電流浪涌的預(yù)計(jì)值
對(duì)屏蔽線路,假設(shè)屏蔽層的阻抗與線纜導(dǎo)體并聯(lián)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(huì)更小。
從表2可見,當(dāng)LPL-Ⅰ峰值電流200KA(10/350μS)時(shí),在低壓系統(tǒng)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(hù)或鎧裝線埋地其浪涌電流還要小。
為了構(gòu)筑LPZ,在建筑物的低壓系統(tǒng)進(jìn)線入口 (LPZ0A/LPZ1邊界,供電線主配電盤MB上)應(yīng)安裝用Iimp測(cè)試的SPD(10/350μS)。當(dāng)線路完全在LPZ0B進(jìn)入建筑物入口處(LPZ0B/LPZ1邊界MB上)則應(yīng)安裝用In測(cè)試的SPD(8/20μS)。
也就是說根據(jù)電磁環(huán)境不同在LPZ1的邊界主配盤(MB)上可安裝開關(guān)型(10/350μS)SPD,也可安裝限壓型(8/20μS)的SPD。
現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中低壓系統(tǒng)對(duì)SPD沖擊放電電流(Iimp)要求高的不合理,例如對(duì)第一級(jí)(MB上)的SPD要求不管進(jìn)線所在的LPZ(LPZ0A還是LPZ0B)、進(jìn)線類型(架空還是埋地屏蔽線)都要求采用I級(jí)分類試驗(yàn)(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(biāo)準(zhǔn)的要求。這種高標(biāo)準(zhǔn)的過防護(hù)將會(huì)帶來兩個(gè)問題,一是防護(hù)成本提高,二是起不到防護(hù)功能,當(dāng)雷電浪涌較小時(shí),可能啟動(dòng)不了第一級(jí)SPD放電,那么第二級(jí)SPD要承受所有的浪涌或加到后邊的設(shè)備上,以致第二級(jí)SPD或設(shè)備損壞。在我國昆明、武漢空管雷達(dá)站就發(fā)生過此類故障。國際上許多標(biāo)準(zhǔn)中第一級(jí)SPD都選用Ⅱ級(jí)分類的試驗(yàn)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(shí)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(qū)空管中心效果很好。因此,在放電電流選擇上要防止過防護(hù)。
2.3 SPD的響應(yīng)時(shí)間tA
常用的SPD響應(yīng)時(shí)間開關(guān)型(SG)的為100nS,限壓型(MOV)為25nS。低壓系統(tǒng)的第一級(jí)SPD要保護(hù)的大多是電磁型設(shè)備,這些設(shè)備對(duì)浪涌不敏感,因此無論是SG、MOV的響應(yīng)時(shí)間是可以達(dá)到保護(hù)的目的。
如貼近設(shè)備安裝的SPD,被保護(hù)的設(shè)備是電子設(shè)備或通信系統(tǒng)。例如設(shè)備的半導(dǎo)體組件對(duì)浪涌的響應(yīng)時(shí)間為10nS或更小,對(duì)浪涌非常敏感,雖然SPD的Up滿足要求,而tA太長(zhǎng),SPD還來不急放電,被保護(hù)的設(shè)備已被損壞。所以保護(hù)電子設(shè)備和通信線路SPD的響應(yīng)時(shí)間tA要小于或等于被保護(hù)設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間。通常SG、MOV的SPD只用于低壓供電線路中。貼近電子設(shè)備在信號(hào)線路中的SPD應(yīng)選取tA更小的TVS或其他半導(dǎo)體抑制器件(例如雪崩二極管SAS).
SPD的響應(yīng)時(shí)間在級(jí)間配合中也很重要,現(xiàn)有很多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定第一級(jí)開關(guān)型SPD與第二級(jí)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(jí)tA的時(shí)間差75ns)來保證在浪涌傳到第二級(jí)之前第一級(jí)必須導(dǎo)通放電,否則第二級(jí)將承受全部的浪涌。
目前廠商為了降低Up值,生產(chǎn)了電子點(diǎn)火的開關(guān)型SPD,Up可小于1KV,但tA為1μS。也就是說浪涌加至SPD點(diǎn)到SPD響應(yīng)浪涌而開啟的1μS的時(shí)間內(nèi),浪涌已在線路中向下游傳了150m。150m之內(nèi)的第二級(jí)SPD等和被保護(hù)設(shè)備就要承受這個(gè)浪涌。因此,tA是SPD選擇時(shí)的一個(gè)重要參數(shù),特別是在信號(hào)線路中更為關(guān)鍵。
通信線路中SPD的選擇還應(yīng)考慮工作電壓,最大持續(xù)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(hù)被保護(hù)設(shè)備,不但要選擇適當(dāng)?shù)腟PD還取決于合理的安裝。
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3.1 SPD的安裝位置
第一級(jí)SPD應(yīng)安裝在外線進(jìn)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(hù)建筑物內(nèi)的所有設(shè)備,會(huì)降低成本。
SPD貼近被保護(hù)設(shè)備安裝,這樣保護(hù)效果好,每個(gè)設(shè)備都裝SPD成本會(huì)提高。
在第一級(jí)SPD與貼近設(shè)備安裝的SPD之間是否安裝SPD取決于能量配合、線路長(zhǎng)度和電磁環(huán)境。
3.2 振蕩保護(hù)距離lpo
當(dāng)SPD與被保護(hù)設(shè)備間線路太長(zhǎng),傳播中浪涌會(huì)產(chǎn)生振蕩。最嚴(yán)酷時(shí)設(shè)備終端過電壓為2Up。2Up可能會(huì)大于Uw。為了使設(shè)備終端過電壓仍小于Uw就要限制SPD到設(shè)備間線路最大的長(zhǎng)度,這個(gè)長(zhǎng)度就是振蕩保護(hù)距離lpo.
當(dāng)Upf<Uw/2時(shí),lpo可以無限長(zhǎng);
當(dāng)Upf>Uw/2時(shí),lpo=〔Uw-Upf〕/ K(m);其中K=25(V/m)
3.3 感應(yīng)保護(hù)距離lpi
在雷擊時(shí)LEMP的磁場(chǎng)會(huì)在SPD與被保護(hù)設(shè)備構(gòu)成的回路內(nèi)感應(yīng)過電壓,感應(yīng)的過電壓和Up之和可能會(huì)大于Uw。感應(yīng)保護(hù)距離lpi是SPD與被保護(hù)設(shè)備間的最大長(zhǎng)度,保證其感應(yīng)過電壓加上Up小于設(shè)備的Uw。
當(dāng)建筑物的第一層屏蔽即做LPS的引下線又做LEMP防護(hù)的柵格時(shí),建筑物電磁環(huán)境極為嚴(yán)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(nèi)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(shí):Kc分流系統(tǒng)。
從上式可知,雷擊建筑物附近時(shí)lpi要比雷擊建筑物長(zhǎng)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(gòu)件(如鋼筋)在雷擊時(shí)建筑物內(nèi)的電磁環(huán)境要好的多。當(dāng)建筑物和線路有很好的屏蔽就可以不考慮感應(yīng)保護(hù)距離lpi.
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4 SPD的協(xié)調(diào)配合
在一條線路上級(jí)聯(lián)安裝兩個(gè)以上的SPD時(shí),應(yīng)根據(jù)各個(gè)SPD的能量吸收能力共同分擔(dān)施加在它們上面的能量。
通常每一級(jí)用的SPD都是單端口的,即SPD與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián),一個(gè)端口將輸入與輸出分開。單端口SPD又稱無串聯(lián)阻抗的SPD。使用單端口SPD系統(tǒng)便于維修。
級(jí)聯(lián)安裝時(shí)級(jí)間配合必須根據(jù)各個(gè)SPD特性,承受的電荷和位置來確定,這些工作大多基于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、軟件和實(shí)驗(yàn)分析,目前缺乏明了的現(xiàn)場(chǎng)分析和量化估算公式。
采用兩端口多級(jí)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(lián)阻抗。
多級(jí)集成的SPD是級(jí)聯(lián)的SPD與串聯(lián)阻抗在內(nèi)部協(xié)調(diào)配合好的,可以保證輸出到被保護(hù)設(shè)備的能量最小并且響應(yīng)速度快。多級(jí)集成的兩端口SPD緊貼被保護(hù)設(shè)備安裝特別適用于重要設(shè)備的保護(hù)和信號(hào)線路。使兩端口SPD因與負(fù)載串聯(lián)連接,所以SPD需要承受滿負(fù)荷電流。
5 SPD的自保護(hù)和后保護(hù)
為了保護(hù)設(shè)備,SPD與設(shè)備并聯(lián)組成一個(gè)系統(tǒng),系統(tǒng)中增加了SPD就增加了一個(gè)單元。如SPD是開路故障則對(duì)系統(tǒng)無影響,如SPD是短路故障,那么,從功能邏輯上SPD是系統(tǒng)中的一個(gè)串聯(lián)單元,在串連系統(tǒng)中SPD單元故障系統(tǒng)就故障。所以應(yīng)盡量避免SPD發(fā)生短路故障。
SPD自保護(hù):在低壓系統(tǒng)中為了防止SPD發(fā)生短路故障,SPD器件本身應(yīng)具有熱脫扣裝置。當(dāng)電壓波動(dòng)或SPD劣化時(shí),SPD電流增大而發(fā)熱,當(dāng)達(dá)到1200C時(shí),熱脫扣裝置動(dòng)作,使SPD器件開路保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行,這就是自保護(hù)。
SPD后保護(hù):在SPD通道串連后保護(hù)器件,后保護(hù)器件可用熔斷器或斷路器。這些后保護(hù)器件在低于SPD標(biāo)稱放電電流(In)時(shí)不動(dòng)作,只有當(dāng)通過的浪涌大于Imax或SPD短路后工頻電流通過時(shí)才啟動(dòng)。
后保護(hù)器件熔斷器和斷路器不同點(diǎn)是兩端實(shí)際限制電壓Upf相差很大。例如:當(dāng)In=20KA,Imax=40KA時(shí)——串聯(lián)RT14-63熔斷器,在19.8KA電流(8/20μS)沖擊時(shí),測(cè)得Upf為2674V;串聯(lián)DZ47-63熔斷器,在18.29KA(8/20μS)電流沖擊時(shí),測(cè)得Upf為5014V。串聯(lián)斷路器之所以限制電壓高是因?yàn)閿嗦菲鞯碾姼芯€圈產(chǎn)生的壓降所致。串聯(lián)斷路器限制電壓高于串聯(lián)熔斷器的電壓,這樣就影響了SPD的限壓效果,甚至?xí)p壞被保護(hù)設(shè)備。
使用斷路器操作方便,斷路器適用于對(duì)瞬態(tài)過電壓不敏感被保護(hù)設(shè)備,否則應(yīng)用熔斷器做后保護(hù)。
6 SPD的引線
為了進(jìn)一步減小熔斷器與SPD串聯(lián)的引線感抗的壓降,可將熔斷器與SPD二合一,減少安裝時(shí)線路盤繞,使電感量下降,輸出的限制電壓Upf也會(huì)下降。例如:設(shè)引線長(zhǎng)度減少50cm,di/dt為1KA/μS,導(dǎo)線電感為1μH/m,則壓降就會(huì)降低500伏。
為了減小引線產(chǎn)生的壓降,一般要求連接SPD引線總長(zhǎng)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(dǎo)線是通過浪涌電流的線稱為“臟”線,SPD輸出端后的導(dǎo)線稱為“凈”線。安裝時(shí)應(yīng)盡量使“凈”線與“臟”線遠(yuǎn)離,將“臟”線穿鐵管屏蔽也是很好的辦法。
在雷電防護(hù)中,SPD的應(yīng)用是最受關(guān)注的,SPD的選擇和安裝應(yīng)由被保護(hù)設(shè)備的使用技術(shù)人員綜合考慮,應(yīng)把SPD當(dāng)作被保護(hù)設(shè)備的一個(gè)組件。