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株洲普天華信防雷技術(shù)有限公司
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閱讀:1535發(fā)布時(shí)間:2008-4-11
1雷電防護(hù)基本原理
雷電及其它強(qiáng)干擾對(duì)電子信息系統(tǒng)的致?lián)p及由此引起的后果是嚴(yán)重的,雷電防護(hù)將成為必需。事實(shí)上,雷電防護(hù)是除雷電之外,也是其它諸如開關(guān)操作脈沖、靜電放電等電磁強(qiáng)干擾防護(hù)的共同要求。雷電與雷電電磁脈沖作為一種功率巨大的強(qiáng)干擾源,其破壞作用極其明顯,需作為主要的防護(hù)對(duì)象。
雷電是一種破壞性極大的強(qiáng)干擾源,由高能的低頻成分與滲透性的高頻成分組成。其主要通過(guò)兩種形式:一種是通過(guò)金屬管線或地線直接傳導(dǎo)雷電致?lián)p設(shè)備;一種是閃電通道及泄流通道的雷電電磁脈沖以電阻性、電容性、電感性及電磁場(chǎng)等耦合方式感應(yīng)到金屬管線或地線產(chǎn)生浪涌致?lián)p設(shè)備(絕大部分雷損由這種感應(yīng)而引起)。這樣,對(duì)于電子信息設(shè)備而言,危害主要來(lái)自由于雷電引起的雷電電磁脈沖的耦合能量,通過(guò)以下3個(gè)通道所產(chǎn)生的瞬態(tài)浪涌:
金屬管線通道:如自來(lái)水管、電源線、天饋線、信號(hào)線等產(chǎn)生的浪涌;
地線通道:地電位反擊;
空間通道:電磁波的輻射能量。
其中金屬管線通道的浪涌和地線通道的地電位反擊是電子信息系統(tǒng)致?lián)p的主要原因,而由電力線引起的雷損是通過(guò)金屬管線通道中zui常見的致?lián)p形式,所以對(duì)于電源系統(tǒng)需作為防護(hù)的重點(diǎn)。
由于雷電*地侵襲電子信息系統(tǒng),雷電防護(hù)將是一個(gè)系統(tǒng)工程。雷電防護(hù)的中心內(nèi)容是泄放和均衡。
泄放是將雷電與雷電電磁脈沖的能量通過(guò)大地泄放,并且應(yīng)符合層次性原則,即盡可能多、盡可能遠(yuǎn)地將多余能量在引入通信系統(tǒng)之前泄放入地;層次性就是按照所設(shè)立的防雷保護(hù)區(qū)分層次對(duì)雷電能量進(jìn)行削弱。防雷保護(hù)區(qū)又稱電磁兼容分區(qū),是按人、物和信息系統(tǒng)對(duì)雷電及雷電電磁脈沖的感受強(qiáng)度不同把環(huán)境分成幾個(gè)區(qū)域:
(1)LPZO(shè)A區(qū):本區(qū)內(nèi)的各物體都可能遭到直接雷擊,因此各物體都可能導(dǎo)走全部雷電流,本區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)沒有衰減;
(2)LPZO(shè)B區(qū):本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊,但本區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)沒有衰減;
(3)LPZ1區(qū):本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊,流往各導(dǎo)體的電流比LPZO(shè)B區(qū)進(jìn)一步減少,電磁場(chǎng)衰減的效果取決于整體的屏蔽措施。
(4)后續(xù)的防雷區(qū)(LPZ2區(qū)等):如果需要進(jìn)一步減少所導(dǎo)引的電流和電磁場(chǎng),就應(yīng)引入后續(xù)防雷區(qū),按照需要保護(hù)的系統(tǒng)所要求的環(huán)境區(qū)選擇后續(xù)防雷區(qū)的要求條件。
設(shè)置防雷保護(hù)區(qū)是為了避免因高能耦合而損壞設(shè)備,而序號(hào)更高的防雷區(qū)是為了防止信息失真和信息丟失而設(shè)置的。保護(hù)區(qū)序號(hào)越高,預(yù)期的*量和干擾電壓越低。在現(xiàn)代雷電防護(hù)技術(shù)中,防雷區(qū)的設(shè)置具有重要意義,它可以指導(dǎo)我們進(jìn)行屏蔽、接地、等電位連接等技術(shù)措施的實(shí)施。
均衡就是保持系統(tǒng)各部分不產(chǎn)生足以致?lián)p的電位差,即系統(tǒng)所在環(huán)境及系統(tǒng)本身所有金屬導(dǎo)電體的電位在瞬態(tài)現(xiàn)象時(shí)保持基本相等,其實(shí)質(zhì)就是均壓等電位連接的實(shí)施。由可靠的接地系統(tǒng)、等電位連接用的金屬導(dǎo)線和等電位連接器(防雷器)組成一個(gè)電位補(bǔ)償系統(tǒng),在瞬態(tài)現(xiàn)象存在的極短時(shí)間里,這個(gè)電位補(bǔ)償系統(tǒng)可以迅速地在被保護(hù)系統(tǒng)所處區(qū)域內(nèi)所有導(dǎo)電部件之間建立起一個(gè)等電位,這些導(dǎo)電部件也包括有源導(dǎo)線。通過(guò)這個(gè)完備的電位補(bǔ)償系統(tǒng),可以在極短時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)等電位區(qū)域,這個(gè)區(qū)域相對(duì)于遠(yuǎn)處可能存在數(shù)十千伏的電位差。重要的是:在需要保護(hù)的系統(tǒng)所處區(qū)域內(nèi)部,所有導(dǎo)電部件之間不存在顯著的電位差。
雷電防護(hù)系統(tǒng)由3部分組成,各部分各施其責(zé),不存在替代性。
外部防護(hù):由接閃器、引下線、接地體組成,可將絕大部分雷電能量直接導(dǎo)入地下泄放。
過(guò)渡防護(hù):由合理的屏蔽、接地、布線組成,可減少或阻塞通過(guò)各入侵通道引入的感應(yīng)。
內(nèi)部防護(hù):由均壓等電位連接、過(guò)電壓保護(hù)組成,可均衡系統(tǒng)電位,限制過(guò)電壓幅值。
2防雷器
防雷器又稱等電位連接器、過(guò)電壓保護(hù)器、浪涌抑制器、突波吸收器、防雷保安器等,用于電源線防護(hù)的防雷器稱為電源防雷器。鑒于目前的雷電致?lián)p特點(diǎn),基于防雷器的防護(hù)方案是zui簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠的雷電防護(hù)解決方案。防雷器的主要作用是瞬態(tài)現(xiàn)象時(shí)將其兩端的電位保持一致或限制在一個(gè)范圍內(nèi),轉(zhuǎn)移有源導(dǎo)體上多余能量。防雷器的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)均壓等電位連接的重要手段。防雷器的一些主要技術(shù)參數(shù):
額定工作電壓:指允許長(zhǎng)期加在防雷器上的電壓;
額定工作電流:特指串并式電源防雷器的載流量;
通流能力:防雷器轉(zhuǎn)移雷電流的能力,以kA為單位,與波形形式有關(guān)。
防雷器在功能上分為防直擊雷的防雷器和防感應(yīng)雷的防雷器。
防直擊雷的防雷器通常用于可能被直擊雷擊中的線路保護(hù),如LPZO(shè)A區(qū)與LPZ1區(qū)交界處的保護(hù)。用10/350μs電流波形測(cè)試,表示其通流能力。防感應(yīng)雷的防雷器通常用于不可能被直擊雷擊中的線路保護(hù),如LPZO(shè)B區(qū)與LPZ1區(qū)、LPZ1區(qū)與LPZ2區(qū)交界處的保護(hù)。用8/20μs電流波形測(cè)試,表示其通流能力。
10/350μs電流波形與8/20μs電流波形在計(jì)算上能量比例為200:1,但實(shí)際上比例約為5:1左右,即通流能力為20kA(8/20μs)的防雷器可以承受4kA(10/350μs)的直擊雷電流。所以通流能力必須考慮雷電性質(zhì)和形式,在很多應(yīng)用中可以通用。
響應(yīng)時(shí)間:防雷器對(duì)瞬態(tài)現(xiàn)象起控制作用所需的時(shí)間,與波形性質(zhì)有關(guān)。響應(yīng)時(shí)間是防雷器的一個(gè)重要參數(shù)。
殘壓(限制電壓):防雷器對(duì)瞬態(tài)現(xiàn)象的電壓限制能力,與雷電流輻值及波形性質(zhì)有關(guān)。一般通過(guò)雷電流越小,殘壓就越低。在末級(jí)保護(hù)里,殘壓必須低于設(shè)備絕緣強(qiáng)度。
3防雷器的選用
為了使防雷器的防護(hù)能力取得理想的效果,應(yīng)注重“在合適的地方合理地裝設(shè)合適的防雷器”,防雷器的選擇十分重要。
(1)進(jìn)入建筑物的各種設(shè)施之間的雷電流分配情況如下:約有50%的雷電流經(jīng)外部防雷裝置泄放入地,另有50%的雷電流將在整個(gè)系統(tǒng)的金屬物質(zhì)內(nèi)進(jìn)行分配。整個(gè)過(guò)程中絕大部分能量在LPZO(shè)A區(qū)、LPZO(shè)B區(qū)和LPZ1區(qū)交界處轉(zhuǎn)移。這個(gè)評(píng)估模式用于估算在LPZO(shè)A區(qū)、LPZO(shè)B區(qū)和LPZ1區(qū)交界處作等電位連接的等電位連接器、防雷器的通流能力和金屬導(dǎo)線的規(guī)格。該處的雷電流為10/350μs電流波形。在各金屬物質(zhì)中雷電流的分配情況如下:各部分雷電流幅值取決于各分配通道的阻抗與感抗,分配通道是指可能被分配到雷電流的金屬物質(zhì),如電力線、信號(hào)線、自來(lái)水管、金屬構(gòu)架等金屬管線及其它接地,一般僅以各自的接地電阻值就可以大致估算。在不能確定的情況下,可以認(rèn)為接地電阻相等,即各金屬管線平均分配電流。
(2)在電力線架空引入,并且沒有處在防直擊雷保護(hù)裝置保護(hù)之下,電力線可能被直擊雷擊中時(shí),電力線上的雷電流將增大。進(jìn)入建筑物內(nèi)保護(hù)區(qū)的雷電流取決于外引線路、防雷器放電支路和用戶側(cè)線路的阻抗。如內(nèi)外兩端阻抗一致,則電力線被分配到一半的雷擊電流。在這種情況下必須采用具有防直擊雷功能的防雷器。
(3)影響電力線雷電流分配的其它因素:
變壓器端接地電阻降低將使電力線中分配電流增大;
供電線纜長(zhǎng)度的增加將使電力線中分配電流減少,并使幾根導(dǎo)線中有平衡的電流分配;
過(guò)短的電纜長(zhǎng)度和過(guò)低的中性線阻抗將使電流不平衡,從而引起差模干擾;
供電線纜并接多個(gè)用戶將降低有效阻抗,導(dǎo)致分配電流增大,在連成網(wǎng)狀的供電狀態(tài)下,雷電流主要流入電力線,這是多數(shù)雷損發(fā)生在電力線處的原因。
(4)后續(xù)的評(píng)估模式用于評(píng)估LPZ1區(qū)以后防護(hù)區(qū)交界處的雷電流分配情況。由于用戶側(cè)絕緣阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于防雷器放電支路與外引線路的阻抗,進(jìn)入后續(xù)防雷區(qū)的雷電流將減少,在數(shù)值上不需特別估算。一般要求用于后續(xù)防雷區(qū)的電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。后續(xù)防雷區(qū)防雷器的選擇應(yīng)考慮各級(jí)之間的能量分配和電壓配合,在許多因素難以確定時(shí),采用串并式電源防雷器是個(gè)好的選擇。串并式是根據(jù)現(xiàn)代雷電防護(hù)中許多應(yīng)用場(chǎng)合、保護(hù)范圍、層次區(qū)分等特點(diǎn)提出的概念(相對(duì)于傳統(tǒng)的并式防雷器而言)。其實(shí)質(zhì)是經(jīng)能量配合和電壓分配的多級(jí)放電器與濾波器技術(shù)的有效結(jié)合。串并式有如下特點(diǎn):
應(yīng)用廣泛:不但可以按常規(guī)進(jìn)行應(yīng)用,也適合保護(hù)區(qū)難以區(qū)別的場(chǎng)所;
濾波器本身對(duì)雷電感應(yīng)的抑制;
感性退耦器件在瞬態(tài)過(guò)電壓下的分壓、延遲作用,以幫助實(shí)現(xiàn)能量配合;
減少過(guò)電壓、過(guò)電流的上升速率,以實(shí)現(xiàn)低殘壓與長(zhǎng)壽命以及極快的響應(yīng)時(shí)間。
(5)防雷器的其它參數(shù)選擇取決于各個(gè)被保護(hù)物體所在防雷區(qū)的級(jí)別,其工作電壓以安裝在此電路中所有部件的額定電壓為準(zhǔn)。串并式防雷器還需注意其額定電流。
4防雷器的安裝
(1)電源線應(yīng)實(shí)現(xiàn)多級(jí)防護(hù),多級(jí)防護(hù)是以各防雷區(qū)為層次,對(duì)雷電能量的逐級(jí)減弱(能量分配),使各級(jí)限制電壓相互配合,zui終使過(guò)電壓值限制在設(shè)備絕緣強(qiáng)度之內(nèi)(電壓配合)。在下列情況下,多級(jí)防護(hù)成為必須:
某一級(jí)防雷器失效或防雷器某一路失效;
安裝的防雷器的通流能力小于應(yīng)轉(zhuǎn)移的雷電流;
防雷器的殘壓高于設(shè)備的絕緣強(qiáng)度;
線纜在建筑物內(nèi)長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)。
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