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電涌保護的作用

  • 2011/6/24
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電涌保護技術講座

  進入21 世紀,以信息技術改造與提升傳統產業已成為制造業發展的方向和趨勢。計算機、通信和電氣電子系統的應用已遍及國民經濟的各個行業乃至家庭,防雷與安全與防護已成為這些應用中不可或缺的一個重要內容,并日益引起大家的高度重視。因此,電涌保護技術已成為當前的一個熱點。應廣大讀者的要求,本刊編輯部邀請浙江大學葉蜚譽教授為本刊撰寫“電涌保護技術講座”。本講座共七講:第一講“電涌保護的作用”;第二講“電涌保護器的原理”;第三講“電涌保護器的電壓保護水平”;第四講“電涌保護器的通流容量”;第五講“電涌保護器的最大持續運行電流”; 第六講“電涌保護器的布局”;第七講“電涌保護系統的設計”。葉蜚譽教授1955 年交通大學電力系畢業,1957 年清華大學高電壓技術研究生畢業,先后在西安交通大學和浙江大學任教,曾任浙江大學電機系副主任。
葉教授在學術研究方面有很深的造詣,在國內、外的許多學術刊物和學術會議上發表了大量的論文。葉教授還擔任了中國建設標準化協會制定的標準“建筑物低壓電源電涌保護器選用、安裝、驗收和運行規程”(報批稿)的主要起草人。

第一講 電涌保護的作用
葉蜚譽  (浙江大學電氣工程學院,  浙江杭州310027)
摘 要:從現代防雷工程的發展和雷害事故的統計說明建筑物內電氣電子系統電涌保護的需要,然后闡明了現代防雷體系中電涌保護限制雷電電涌和操作電涌的作用。
關鍵詞: 防雷保護; 電涌保護; 電涌保護器

I.  Role  of  Surge  Protection
Ye Fei2yu
(College of Electrical Engineering , Zhejiang University , Hangzhou 310027 , China)
  Abstract : The need of surge protection for electrical and electronic systems within strucure is described from the development of modern lightning protection engingneering and the failure statistics. Then the role of surge protection reducing lightning and switching surge in modern lightning protection systems is explained.
Key words : lightning protection ; surge protection ; surge protection devices

1  防雷工程的發展
1. 1  防雷工程
人類自覺地與雷害斗爭已有長遠的歷史。從民居、軍事要塞的防雷,到工業化時代的工業防雷(主要是電力系統、野外油、礦基地,工業危險物品存儲場所) ,提出了一系列措施(接閃器、接地裝置以及避雷器) ,形成了一系列行之有效的措施。但是到了上世紀下半葉出現了新的情況,主要是以微電子為基礎的計算機行業的形成,以及以計算機為核心的現代通信、控制、精密測量行業的興起,提出了抗強電磁脈沖的問題,包括雷擊電磁脈沖(LEMP) ,主要是雷擊引起的電涌(SURGE ,指瞬態過電壓、過電流) 以及電氣系統內部產生的操作電涌。雷電的功率達到兆瓦級以上,而電子設備隨著電子器件的微型化和集成度、精密度的提高,其對電涌的耐受能力越來越差,到毫瓦級以下,兩者相差懸殊。隨著電子系統在社會生活中的重要性的提高,對其安全性的要求卻越來越高。在銀行、證券、氣象、軍事、通信、交通、電力等部門的電子設備發生了許多雷害事故,有的造成了嚴重的后果??梢哉f: 社會越是高度發展,技術越是先進,電子設備的防雷問題就越是突出。
1. 2  雷害的事例與統計
雷害損失的統計觸目驚心,電子設備雷害的事例也是很多的。例如:1995 年廣東省因雷害造成的直接經濟損失達9 000 多萬元。1996 年全省雷電災害1 196 起,直接經濟損失約1. 374 億,間接經濟損失達5 億(廣東省防雷中心提供) 。1997~1998 年,上海發生雷擊44 起,賠償損失2 億元。1998 年,上海某電子工程公司智能大樓遭雷擊,13部電梯計算機控制程序、6 只攝像機、對講系統和安保報警系統損壞,損失嚴重。1999 年8 月27日,上海市國脈通信10 個傳呼頻點遭受雷擊中斷10 h ,直接損失不過一塊板卡,但對用戶尤其是股民影響很大,保守估計經濟損失達50 余萬元。2000 年杭州市某水廠雷擊損壞辦公大樓天饋線輸入室內單元和可編程控制器監控接口卡,影響市內供水,驚動市領導。
對地區電力調度、治安、反恐或災害預報預警系統的影響更為嚴重,如深圳市110 報警系統曾遭雷擊停頓;90 年代中央氣象臺曾遭雷擊,停頓40 h ;美國、加拿大2003 年大面積停電的起因就是雷擊。
雷電是一種概率事件,具有偶然性,一段時間未受雷擊,并不說明那里以后一定不會遭受雷害。
國外統計表明,由過電壓(電涌,包括雷電) 引起的故障占總故障的比例比較大(見圖1) ,甚至大大超過了水、火災害。
圖1  雷電和過電壓危害在各種事故中的比例
(德國統計)
  根據統計,中等雷電強度地區(如杭州,年雷電日44) 每平方公里每年平均落雷3. 286次;在戶外線路所經之處兩側數百米范圍內的雷電都有可能引入雷電波;建筑物周圍1. 5~2. 0 km 公里范圍內的雷電活動可以對建筑物內無防雷措施的電子設備造成雷電電磁脈沖。因此,電子設備雷害是實際可能的,在國內外、省內外時有發生,人們不應有僥幸心理。
1. 3  電子設備雷害特點
電子設備的雷害特點在于微電子器件對過電壓承受能力較一般工業設備弱得多,任何雷電侵入途徑都可能造成雷害,過去不注意的途徑,如雷
電感應現在也會有害;微電子器件在過電壓下被被擊穿破壞的速度較一般工業設備快得多。這種情況決定了電子設備電源防雷措施必須較常規的防雷有更大的力度,僅僅外部防雷是不夠了。這使電子設備防雷成為防雷保護的一個新領域,形成對傳統防雷技術的延伸。
2  電涌保護的作用
2. 1  電涌保護
電涌保護主要是保護電子設備免受雷電電涌的危害,也兼而使電子設備免受大部分操作電涌的危害。
電涌是指瞬態電沖擊,包括電涌沖擊、電流沖擊和功率沖擊。此處所謂瞬態是指持續時間大大低于工頻周期(0. 02 s) 的瞬變過程。對地閃擊的雷電流波形的特點是上升時間極短(0. 1~幾個μs) ,而下降時間相對較長(幾十到幾百μs) 的單極性波(見圖2) 。典型操作電涌波形是疊加在工頻波形上的幾百Hz 到上百kHz 的振蕩波,整個持續時間不過幾個工頻周期(見圖3) 。雷電和操作電涌的峰值與很多因素有關,出現在建筑物內的電涌從近kV 到幾十kV ,如不加以限制會損壞電子設備。
圖2  雷電流模擬波形
圖3  操作電涌典型波形
  電子設備遭受雷害會引起電子設備的誤動;電源設備和貴重的計算機及各種硬件設備的損壞,造成直接經濟損失;引起電子設備正常工作的中斷,對社會造成不良影響和巨大的間接經濟損失;還可能在微電子芯片中留下潛伏性的隱患,使電子設備運行不穩定和加速老化,給有關系統的工作造成無窮的麻煩。
2. 2  產生雷電電涌的方式
雷電途徑和綜合防雷措施如圖4 所示。
圖4  雷電途徑和綜合防雷措施
  (1) 直擊雷引起的反擊。信息系統一般不暴露在可能直接遭受雷擊的場所,直擊雷直接破壞電子設備幾無可能。雷害破壞電子設備的方式可能是由直擊雷電流通過接地裝置時造成的高電壓使電子設備的薄弱環節擊穿。這種雷害方式稱為反擊。
(2) 侵入波。雷電擊中與電子設備連接的戶外架空線(交流配電線、信號線、電話線) ,則雷電波就會沿線傳入。這種方式稱為侵入波。由于戶外線延伸很廣,因此雷電侵入的可能性較大。
(3) 雷電感應。直擊雷電流通過引下線(如建筑物結構鋼筋) 時在室內引起電磁感應。雖然感應電壓不如前述幾種高,卻也足以破壞電子元
件,而且它最接近電子設備,在建筑物內部各處都可能出現。設備越是接近雷電流引下線,感應電壓越高。另一種情況是雷擊建筑物附近地面,雷擊通道的強電流產生的磁場也能在建筑物內部引起電磁感應。如雷電流較大,建筑物附近1. 5~2 km的雷擊就有可能影響室內的電子設備。
3  電涌保護在綜合防雷體系中地位
3. 1  現代綜合防雷體系
雖然防雷僅是建筑物及其內部各種系統的局部,但是由于雷電電涌多渠道侵入,雷電對建筑物和設備系統作用的復雜性,采用單一措施不能解
決問題,需要綜合運用各種措施,而且各種措施之間應互相配合,形成一個整體。在科學總結人類長時期防雷經驗和科學研究的基礎上,考慮現代的防雷對象,利用現代的防雷產品和建筑技術,借鑒電磁兼容概念,提出了一系列防雷措施,統一考慮、綜合治理、全方位防護,形成了現代綜合防雷體系?,F代綜合防雷體系的構成如圖5 所示。
圖5  現代綜合防雷體系構成
  為了工程設計施工的方便,常將防雷措施分為外部防雷保護(指接閃器、引下線,接地裝置) 和內部防雷保護(指等電位連接,屏蔽和電涌保護)兩方面。
3. 2  電涌保護在綜合防雷體系中的地位
電涌保護通過泄放雷電流、限制浪涌電壓來保護電子設備,是電子設備防雷的主要手段,也是內部防雷保護的主要措施,從而成為綜合防雷體
系中的重要組成部分。僅有接閃器、接地裝置,并不能避免雷電波沿線路的入侵;也不能在實際可能的低接地電阻值下防止反擊。為了保護電子設備還需要電涌保護。反過來講,電涌保護也以外部防雷保護為前提,電涌保護也應與內部防雷保護其他措施(等電位連接,屏蔽) 密切配合。除非本建筑物受到附近其他更高建構筑物提供的直接雷防護,包含電子設備的建筑物應具備一定的外部防雷保護措施。沒有接閃器,建筑物的安全都不能保證,何談內部設備的安全。建筑物的接地電阻值過大,易于發生反擊,反擊時大部分雷電流不是向地下泄放而是經SPD 流向配電變壓器,加重了SPD 的負擔。
作為一種保護措施,電涌保護器的配置和電涌保護系統的設計應與人身保護措施(直接接觸保護和間接接觸保護、漏電保護) 、短路保護等
協調,共同保證人身安全、設備安全和系統(如供電) 工作的連續性。有些設備,如醫療急救設備,設備安全與人身安全密切相關。

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