關(guān)于浪涌保護(hù)器的中心議題:
- 浪涌保護(hù)器的工作原理
- 浪涌保護(hù)器的分類
- SPD在防雷中的重要性
- SPD在計算機(jī)信息系統(tǒng)中的應(yīng)用
- SPD應(yīng)用的問題
1 引言
電涌保護(hù)器(Surge Protective Device,SPD)又稱浪涌保護(hù)器,是用于帶電系統(tǒng)中限制瞬態(tài)過電壓和導(dǎo)引泄放電涌電流的非線性防護(hù)器件,用以保護(hù)耐壓水平低的電器或電子系統(tǒng)免遭雷擊及雷擊電磁脈沖或操作過電壓的損害。近年來,電子信息系統(tǒng)(如電視、電話、通信、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等)發(fā)展迅猛,電子信息設(shè)備大量涌現(xiàn)和普及。這類系統(tǒng)和設(shè)備比較昂貴和重要,其工作電壓、耐壓水平很低,極易受到雷電電磁脈沖的危害,為此需采用SPD做過電壓保護(hù)。
由于各國遵循的標(biāo)準(zhǔn)不一樣,產(chǎn)品的規(guī)格沒有統(tǒng)一,參數(shù)的標(biāo)識也各自有側(cè)重,遠(yuǎn)不如其他電氣產(chǎn)品規(guī)范,給設(shè)計選型帶來很大不便。在工程設(shè)計中,常見品牌按產(chǎn)地劃分主要分為國產(chǎn)產(chǎn)品、歐洲產(chǎn)品和美洲產(chǎn)品。國產(chǎn)產(chǎn)品參數(shù)設(shè)置較亂,規(guī)格多樣,殘壓較高。規(guī)范產(chǎn)品的型號設(shè)置有的仿歐洲產(chǎn)品,有的遵循國標(biāo)定參數(shù),大部分產(chǎn)品都標(biāo)注In與Imax。由于國產(chǎn)產(chǎn)品對應(yīng)用場所要求較低,建筑物等級不高,設(shè)備耐壓值大,所以一些參數(shù)要求可適當(dāng)放松。
歐洲產(chǎn)品一般標(biāo)注最大放電電流,產(chǎn)品型號也是根據(jù)這個參數(shù)設(shè)定的。例如歐洲某著名品牌XXX65、XXX40,其中數(shù)值65、40就是 Imax。但我國標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定要用標(biāo)稱放電電流In來進(jìn)行選型,這是目前在工程設(shè)計中遇到的一個尷尬情況。經(jīng)查該產(chǎn)品資料,XX65的In值不超過20 kA,XX40的In值不超過15 kA。如果依照GB50343建議值,這兩種產(chǎn)品只能用于設(shè)備末端三級保護(hù),但在實(shí)際設(shè)計中,卻裝在了一、二級上,這明顯與國家標(biāo)準(zhǔn)的選型參數(shù)不符,且殘壓較高,普通型號一般超過1 200 V,一旦接線環(huán)境不好,很容易突破設(shè)備耐壓值。一般歐系產(chǎn)品Uc值較小,且投機(jī)取巧標(biāo)注線電壓,因此在選型時,較容易出現(xiàn)誤導(dǎo)。
2 SPD概述
2.1 SPD的工作原理
電涌保護(hù)器適用于220/380V低壓電源保護(hù),是一種非線性元件,根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,電涌保護(hù)器是主要抑制傳導(dǎo)過來的線路過電壓和過電流的裝置。電涌保護(hù)器起到保護(hù)作用,基本要求是必須承受預(yù)期通過的雷電電流,并且通過電涌最大鉗壓,有效熄滅在雷電流通過后產(chǎn)生的工頻續(xù)流,把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi),或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入地,保護(hù)被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。
電涌保護(hù)器的類型和結(jié)構(gòu)按不同的用途有所不同,但至少包含一個非線性電壓限制元件。常用電涌保護(hù)器有MOV(Metal Oxide Varistor)同氣體放電管等。電涌包含強(qiáng)大的能量因此不能被阻止。基于這種原因,保護(hù)敏感電氣設(shè)備免受電涌損壞的策略是把電涌從設(shè)備分流后流入大地。
浪涌保護(hù)器MOV由三部分組成:中間是一根金屬氧化物材料,由兩個半導(dǎo)體連接著電源和地線。當(dāng)產(chǎn)生浪涌時MOV立即動作,響應(yīng)時間為1~3毫微秒。MOV中的“V”是變阻器,在響應(yīng)的一瞬間,MOV的電阻從最大值降到近乎零歐姆,過電流經(jīng)MOV流入大地。被保護(hù)電氣設(shè)備繼續(xù)在正常工作電壓下運(yùn)行。其半導(dǎo)體元件具有隨電壓變化而改變電阻的性質(zhì)。當(dāng)電壓低于某個特定值時,半導(dǎo)體中的電子運(yùn)動產(chǎn)生高電阻。反之,當(dāng)電壓超過該特定值時,電子運(yùn)動會發(fā)生變化,半導(dǎo)體電阻降低接近零歐姆。電壓正常,浪涌保護(hù)器MOV閑在一旁,不影響電力線路。
價浪涌保護(hù)器MOV優(yōu)劣的指標(biāo):(1)箝位電壓:表示將導(dǎo)致MOV接通地線的電壓值。箝位電壓越低,表示保護(hù)性能越好。(2)能量吸收/耗散能力:此標(biāo)稱值表示浪涌保護(hù)器在燒毀前能夠吸收多少能量,單位為焦耳。其數(shù)值越高,保護(hù)性能就越好。(3)響應(yīng)時間:浪涌保護(hù)器不會立刻斷開,它們對電涌做出響應(yīng)會有略微的延遲。
另一種常見的浪涌保護(hù)裝置是氣體放電管。這些氣體放電管作用與MOV相同,它們將多余電流從火線移到地線,通過在兩根電線之間使用惰性氣體作為導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)此功能。當(dāng)電壓處于某一特定范圍時,該氣體的組成決定了它是不良導(dǎo)體。如果電壓出現(xiàn)浪涌并超過這一范圍,電流的強(qiáng)度將足以使氣體電離,從而使氣體放電管成為非常良好的導(dǎo)體。它會將電流傳導(dǎo)至地線,直到電壓恢復(fù)正常水平,隨后又會成為不良導(dǎo)體。
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2.2 浪涌保護(hù)器的分類
SPD是電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置,其作用是把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi),或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入地,保護(hù)被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊。
2.2.1 按工作原理分類
按其工作原理分類, SPD可以分為電壓開關(guān)型、限壓型及組合型。
(1)電壓開關(guān)型SPD。在沒有瞬時過電壓時呈現(xiàn)高阻抗,一旦響應(yīng)雷電瞬時過電壓,其阻抗就突變?yōu)榈妥杩?,允許雷電流通過,也被稱為“短路開關(guān)型SPD”。
(2)限壓型SPD。當(dāng)沒有瞬時過電壓時,為高阻抗,但隨電涌電流和電壓的增加,其阻抗會不斷減小,其電流電壓特性為強(qiáng)烈非線性,有時被稱為“鉗壓型SPD”。
(3)組合型SPD。由電壓開關(guān)型組件和限壓型組件組合而成,可以顯示為電壓開關(guān)型或限壓型或兩者兼有的特性,這決定于所加電壓的特性。
2.2.2 按用途分類
按其用途分類, SPD可以分為電源線路SPD和信號線路SPD兩種。
(1)電源線路SPD
由于雷擊的能量是非常巨大的,需要通過分級泄放的方法,將雷擊能量逐步泄放到大地。在直擊雷非防護(hù)區(qū)(LPZ0A)或在直擊雷防護(hù)區(qū) (LPZ0B)與第一防護(hù)區(qū)(LPZ1)交界處,安裝通過Ⅰ級分類試驗(yàn)的浪涌保護(hù)器或限壓型浪涌保護(hù)器作為第一級保護(hù),對直擊雷電流進(jìn)行泄放,或者當(dāng)電源傳輸線路遭受直接雷擊時,將傳導(dǎo)的巨大能量進(jìn)行泄放。在第一防護(hù)區(qū)之后的各分區(qū)(包含LPZ1區(qū))交界處安裝限壓型浪涌保護(hù)器,作為二、三級或更高等級保護(hù)。第二級保護(hù)器是針對前級保護(hù)器的殘余電壓以及區(qū)內(nèi)感應(yīng)雷擊的防護(hù)設(shè)備,在前級發(fā)生較大雷擊能量吸收時,仍有一部分對設(shè)備或第三級保護(hù)器而言是相當(dāng)巨大的能量,會傳導(dǎo)過來,需要第二級保護(hù)器進(jìn)一步吸收。同時,經(jīng)過第一級防雷器的傳輸線路也會感應(yīng)雷擊電磁脈沖輻射。當(dāng)線路足夠長時,感應(yīng)雷的能量就變得足夠大,需要第二級保護(hù)器進(jìn)一步對雷擊能量實(shí)施泄放。第三級保護(hù)器對通過第二級保護(hù)器的殘余雷擊能量進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的耐壓等級,假如兩級防雷就可以做到限制電壓低于設(shè)備的耐壓水平,就只需要做兩級保護(hù);假如設(shè)備的耐壓水平較低,可能需要四級甚至更多級的保護(hù)。
(2)信號線路SPD
隨著信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,由于網(wǎng)絡(luò)線路多,電子設(shè)備的耐壓水平低,雷擊對信息系統(tǒng)的危害越來越大。雷電對信息系統(tǒng)的危害主要是雷擊電磁脈沖造成的,包括沿線路傳導(dǎo)的雷電過電壓波、雷電流在接地線產(chǎn)生的高電位反擊、雷擊電磁場的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。對電磁脈沖的防護(hù)措施有攔截、分流、等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽、接地、合理布線等。在信號線路上安裝SPD是信息系統(tǒng)防電磁脈沖的一個重要措施,它可以同時起到攔截、分流、等電位聯(lián)結(jié)的作用。信號線路SPD應(yīng)連接在被保護(hù)設(shè)備的信號端口上。其輸出端與被保護(hù)設(shè)備的端口相連,有串接和并接之分,一般是串聯(lián)安裝在信號線路上。因此,在選擇信號SPD時,應(yīng)選用插入損耗較小的SPD。
2.3 SPD在防雷中的重要性
根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-94(2000年版)的規(guī)定,在LPZ0B,LPZ1,LPZn+1防雷區(qū)建筑物應(yīng)視情況采取防止感應(yīng)雷、靜電或電涌措施感應(yīng)雷是由雷閃電流產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁場變化(電磁脈沖感應(yīng)或靜電感應(yīng))在導(dǎo)體上感應(yīng)出的過電壓、過電流形成的雷擊,對建筑物內(nèi)的電氣設(shè)備,尤其低壓電子設(shè)備威脅巨大。建筑物內(nèi)部設(shè)備防雷保護(hù)的重點(diǎn)是防止感應(yīng)雷入侵。在感應(yīng)雷的防護(hù)當(dāng)中,電涌保護(hù)器(SPD)是不可缺少的裝置,它能根據(jù)各種線路中出現(xiàn)的過電壓過電流及時做出反應(yīng),泄放線路中的過電流或?qū)€路上的過電壓進(jìn)行鉗制,從而達(dá)到保護(hù)電氣設(shè)備的目的。
靜電、電涌和感應(yīng)雷的性質(zhì)一樣,都可以通過電涌保護(hù)器(SPD)加以抑制。靜電產(chǎn)生的另一種形式是由于摩擦或電子設(shè)備的高速運(yùn)行,在人體和電子設(shè)備上產(chǎn)生大量靜電電荷,人與物、物與物間易發(fā)生高壓放電現(xiàn)象,放電后極易損壞精密的電子設(shè)備;電涌日常產(chǎn)生的面很廣,如電源的開和關(guān),電源的插拔,電梯、電閘門、電動機(jī)的啟動和停止,電鉆、電焊、電氣設(shè)備損壞和電線短路等都會產(chǎn)生電涌。另外,電涌也常發(fā)生在電源系統(tǒng)內(nèi)部,電源干線、支線、發(fā)電機(jī)、變配電裝置、UPS、交直流電源、甚至電氣設(shè)備終端都可能發(fā)生[2]。與雷電相比,雖然電涌的脈沖電壓較低,但其脈沖寬、持續(xù)時間長,強(qiáng)度仍然不小,但足以干擾和損壞電氣設(shè)備。
3 SPD在計算機(jī)信息系統(tǒng)中的應(yīng)用
現(xiàn)代計算機(jī)信息系統(tǒng)大多由大規(guī)模集成電路組成,微電子器件的絕緣強(qiáng)度低,而這些敏感電子設(shè)備的工作電壓卻在不斷降低,其數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大,因而它們受過電壓特別是雷電襲擊而受到損害的可能性就大大增加,其后果可能使整個系統(tǒng)運(yùn)行中斷,并造成難以估量的經(jīng)濟(jì)損失。雷電和浪涌電壓成為信息時代的一大公害。
3.1 電源系統(tǒng)的防雷設(shè)計
(1)主配電屏。三相線上加裝3只MC50-B模塊,并分別加上空氣開關(guān),在N線和地線之間加裝MC125-B/NPE模塊。
(2)UPS保護(hù)。在每個相線與中線之間加裝V20-C模塊,并在每個模塊前加裝空氣開關(guān),在N線與地線之間加裝V20-C/NPE模塊。
(3)需要保護(hù)的重要設(shè)備端。使用CNS32D對其電源線加以保護(hù)。
(4)弱電設(shè)備的電源保護(hù)。使用V20-C防雷模塊或VF系列電源精細(xì)保護(hù)模塊。
電源防雷器示意圖如圖1所示,其中MC50-B/3+NPE為3個高能石墨間隙防雷器和1個MC125-B/NPE模塊的組合,V20-C/3+NPE/AS為增強(qiáng)型帶聲光功能的防雷器。防雷器及空氣開關(guān)分別安裝于相應(yīng)的MCCB旁。
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3.2 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的防雷設(shè)計
在進(jìn)出機(jī)房的百兆雙絞線兩端都加裝RJ45S-E100/4-F網(wǎng)絡(luò)防雷器;光纖線不需加裝防雷器,但其加強(qiáng)芯應(yīng)在入戶處接地處理。在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)出線端口處也安裝RJ45S-E100/4-F網(wǎng)絡(luò)防雷器,從而形成多級保護(hù)。
4 SPD應(yīng)用中的幾個問題
4.1 SPD的連接線和接地線導(dǎo)體的截面積
SPD的連接線和接地線一般采用多股銅線,其接地線截面積應(yīng)大于連接線的截面積,并按與SPD連接的等電位聯(lián)結(jié)排主接地線截面的50%確定。安裝在電氣裝置電源進(jìn)線端或靠近進(jìn)線處的Ⅱ級分類試驗(yàn)的SPD,其接地線應(yīng)為不小于4 mm2的多股銅線。對于防直擊雷的Ⅰ級分類試驗(yàn)的SPD,其接地線宜為不小于16 mm2的多股銅線。當(dāng)采用其他材質(zhì)導(dǎo)線時,其截面積應(yīng)與上述銅導(dǎo)線截面等效。SPD兩端引線應(yīng)短而直,避免形成過大環(huán)路。
4.2 SPD的附件
現(xiàn)有大部分電源系統(tǒng)SPD產(chǎn)品都像微型斷路器一樣采用模塊化導(dǎo)軌安裝形式,有單極和一體化的多極產(chǎn)品,有固定式和芯體可插拔更換的插拔式兩種安裝形式。為了監(jiān)視SPD的老化和運(yùn)行狀態(tài),采用金屬氧化物電阻元件的限壓型SPD,帶有老化顯示及過載熱分?jǐn)嘌b置和失效指示功能。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行需要還可裝設(shè)工作狀態(tài)監(jiān)視報警模塊或遠(yuǎn)程監(jiān)控輔助觸頭。間隙型SPD 可選用運(yùn)行狀態(tài)指示器和雷擊計數(shù)器的產(chǎn)品。
4.3 SPD的過流保護(hù)
SPD安裝線路上應(yīng)有過電流保護(hù)器件,并參照制造商的建議配置。當(dāng)采用斷路器時,應(yīng)采用具有C型脫扣曲線的延時型脫扣器,其額定電流第一級不小于50 A(可選63 A),以后各級不小于20 A(可選32 A)。當(dāng)采用熔斷器時,其配置原則與斷路器相同。當(dāng)SPD裝于剩余電流保護(hù)裝置(RCD)的負(fù)荷側(cè)時,為防止電涌電流通過時,RCD誤動作,可采用帶延時的S型剩余電流保護(hù)器。對特別重要的負(fù)荷設(shè)備可采用對大氣過電壓不敏感的SI型剩余電流保護(hù)器,且應(yīng)具有不小于3 kA(8/20μs)的電涌電流抗干擾能力。
5 結(jié)論
電涌保護(hù)器(SPD)是綜合防雷系統(tǒng)的重要組成部分,有著不可替代的作用。電涌保護(hù)器(SPD)的連接電路根據(jù)不同需要,有不同的形式,在做好屏蔽(線路、機(jī)房、設(shè)備)、等電位連接和建立聯(lián)合共同接地系統(tǒng)后,將其保護(hù)認(rèn)真做深、做細(xì)、做好,筑起一道雷電、靜電和電涌無法逾越的防線,才能真正保障信息系統(tǒng)和電氣設(shè)備的安全。