电气、电子设备电源侧的电涌保护———电涌保护器主要参数

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    电涌保护器的基本功能是通过泄放电涌电流、限制过电压从而达到保护设备的目的。SPD 设计主要针对雷电浪涌, 兼能限制电源系统内部发生的大部分操作浪涌, 因为实测显示绝大多数情况下操作过电压不高, 能量小于雷电浪涌。电涌保护器不能削减和长时间承受暂态过电压。对于雷电浪涌,SPD 能限制雷击电磁脉冲以各种方式(如地电位反击、沿线侵入、雷电感应等) 的侵袭。下面就电涌保护器的电压保护水平、通流容量、最大持续运行电压三个主要参数展开介绍。

2 、电压保护水平

211、电气、电子设备遭受雷害的后果电气、电子设备遭受雷害时可能损害的部位和后果主要有:

①其电气绝缘破坏, 很少可恢复, 整个设备必须退出运行。

②硬件损坏, 其电子电路,包括电子器件、模块和电路板的失效, 基本不可恢复, 整个设备必须退出运行, 作修理或局部更换。

③其电子电路, 包括电子器件、模块和电路板的个别环节的不正常动作引起设备的误动, 有的需要人工干预才能恢复, 有的不需要人工干预就能恢复。

④没有损坏也没有误动, 但是性能降低和潜在的劣化, 这可能是由于不重要的个别元件出问题所致。对常规的电气设备, 避免绝缘破坏, 设备不发生故障就满足要求了。但是对于信息电子设备/ 模块, 要求更广, 因为信息系统的停运、通信停止、数据丢失、失去控制也是故障, 可能产生重大间接损失。

212、电涌保护器电压保护水平的确定

    限制雷电过电压是使用SPD 最主要的目的,电压保护水平Up 是SPD 最主要的性能指标。应该首先明确电压保护水平的定义和条件。本标准遵照IEC 61643 —1 的定义。具体讲:

    对限压型SPD , 电压保护水平指的是标称雷电放电电流下SPD 两端可能出现的最大残压; 对开关型SPD , 电压保护水平指的是间隙的雷电冲击陡波下的击穿电压; 对串联组合式SPD , 电压保护水平指的是间隙的雷电冲击陡度下的击穿电压和击穿后雷电流下SPD 两端出现的最大残压两值中的较大者; 对并联组合式SPD , 电压保护水平指的是间隙的雷电冲击陡度下的击穿电压。

    电气、电子设备能避免上述各种程度损害的电涌电压可统称为冲击耐受水平。防止上述第一种损害的以绝缘冲击耐受电压表示, 对220/380V 系统具体可见表1。该表引自IEC60664 —1 和对应国家标准, 包括不同安装类别的设备, 其中Ⅰ类就是指信息电子和电力电子设备(或称敏感设备) 。防止上述第2、3、4 三种损害的以电涌抗扰度表示。有关标准中的电涌抗扰度就列出四种不同程度的要求, 分为15kV、110kV、210kV、410kV 等。对传统电气设备, 制造商只需提供绝缘冲击耐受电压。对信息电子和电力电子设备, 制造商应按有关标准(IEC61000 —4 —9 和对应国家标准) 进行有关试验(属于电磁兼容试验) , 提供电涌抗扰度数值。如未得到制造商的数据, 设备的冲击耐受水平就只能以表1 的绝缘冲击耐受电压考虑, 这基本上是合理的。

表1 　220/ 380V三相电源系统设备

SPD 电压保护水平具体数值的确定按设备安装位置、重要性、设备冲击耐受水平而定。各标准对此要求有所不同, 也要充分利用SPD 新产品性能。现在市场上已出现电压保护水平在1～115kV 的金属氧化物电阻SPD 和触发型间隙SPD (参看表2) 。由于设备的重要性和抗扰度要求程度的不同以及设备的老化, 各SPD , 尤其是设备旁的SPD , 电压保护水平Up 应低于其保护范围内被保护设备的冲击耐受水平Uw 并留有裕度。对很重要的设备要求裕度大于20 %。电压保护水平的取值在建筑物电涌保护总体布局时和作级间配合时可能还要进行调整。

3 、电涌保护器的通流容量

通流容量指SPD 的极限雷电能量承受能力,涉及SPD 在雷电流下工作的可靠性, 是决定SPD类型选择、规格和价格的主要因素。通流容量本应以最大可承受的能量表示。由于难以得到能量数据, 实际上通流容量常以一定波形下的放电电流表示。在IEC51543 —1 标准中有几个参数指标与通流容量有关: 最大放电电流Imax , 波形8/ 20μs , SPD只要承受最大放电电流Imax1～2 次; 标称放电电流In , 要求SPD 能承受In 多次(通常为15 次) ; 冲击电流Iimp , 波形10/ 350μs , SPD 只要承受最大放电电流Iimp1～2 次。SPD 的Imax大于In , 且至少2倍。表示通流容量的是最大放电电流Imax和冲击电流Iimp , SPD 的标称放电电流在确定通流容量后随之而定。

     通流容量问题主要是第一级SPD 通流容量的选取, 这是电涌保护设计的重要问题。决定通流容量要从SPD 最严酷的工作条件出发, 同时要分析雷电流的分流状况。SPD 流过的只是总雷电流的一部分, 可称为“分雷电流”。从理论分析和IEC1312 的内容看, 建筑物第一级SPD 的最严酷的工作条件是建筑物遭受直接雷击, 雷电流沿引下线到接地装置造成高电位反击的情况(除非整个建筑物受到其他建筑物的雷击屏蔽而无接闪器, 但是实际上包含电气、电子设备的建筑物很少不做接闪器保护的) 。雷击进户架空配电线也是很严酷的, 但是不普遍, 可作特定情况处理。

IEC1312 和GB50057 —94 (2000 版) 提供了一个简单的估算在LPZ0A/ LPZ0B 与LPZ1 区的界面处的SPD 的雷电流的方法: 近似认为全部雷电流i 的50 %流入建筑物防雷装置的接地装置, 其另50 % ,即i s 分配于引入建筑物的各种外来导电物、电力线、通信线等设施。流入每一设施的电流ii 等于i s/ n ( n 为上述设施的个数) 。流经无屏蔽电缆芯线的电流iv 等于电流ii 除以芯线数m , 即iv = ii/m ; 对有屏蔽的电缆, 绝大部分的电流将沿屏蔽层流走。在LPZ0B 和LPZ1 交界处的SPD 的通流容量计算和在LPZ0A 和LPZ1 交界处的SPD 基本是一样的。

    如按照IEC TS 61312 —3 附录B“雷电流分布基本模型电路图” (参见图1) 进行估算, 较上述简单估算方法进了一步, 可考虑配电变压器接地电阻和变压器与建筑物间电源线路的长度对分流的影响和线路屏蔽的影响。雷电流向电源SPD 的分流除了与连接于接地装置的所有入户电源线和信号线的金属外皮、金属管道有关以外, 还与进户电源线的长度和配电变压器中性点接地电阻有很大的关系, 因为流过变压器的电流就是流过第一级SPD的电流。这些因素的考虑可以使通流容量的确定更切合实际、更经济。

图1 　雷电流分配基本模型

Lt , Rt , Ct ———变压器绕组阻抗　Rn ———中线阻抗

Let , Ret ———变压器接地阻抗

Les , Res ———建筑物接地阻抗

Lw , Rw ———其他接地阻抗

    通流容量估算的基础是雷击总电流。IEC1312 —1 和GB50057 —94 (2000 版) 所提供的雷电流参数中, 第一类防雷建筑物按总雷电流200kA 评估(大于该电流幅值的两种极性综合概率<018 %) , 第二类防雷建筑物按总雷电流150kA 评估(大于该电流幅值的两种极性综合概率< 115 %) ,第三类防雷建筑物按总雷电流100kA 评估(大于该电流幅值的两种极性综合概率< 318 %) ; 并规定雷击总雷电流的模拟测试波形为10/ 350μs。这不是单个雷击的波形, 而是考虑一次雷闪中多个雷击电量的总和。10/ 350μs 波形中电荷量为015 Ipeak ( Ipeak为Iimp电流的幅值) 。对应上述雷电总电流的电荷为100C、75C、50C , 大于该值相应概率分别为4145 %、6147 %、10125 % (两种极性综合) 。对于通流容量这是完全可能的。所以IEC 61643 —1 和对应国标GB1880211 都规定Ⅰ类试验中最严格的动作负载试验波形为10/ 350μs 以及相应的电流幅值和电荷量。

第一级电流波形是比较接近于原始的雷击总电流, 应按照Ⅰ级试验。第二和第三级SPD 电流由于建筑物内的分流和经过金属管后的变形, 以Ⅱ类和Ⅲ类试验进行试验, 其电流波形均为8/ 20μs。如果制造商未提供10/ 350μs 波形下的通流容量的直接试验数据, 而从其8/ 20μs 波形的最大放电电流推算10/ 350μs 最大放电电流, 折算系数是一个很困难的问题。从目前收集到的一些数据看, 两种波形下的最大放电电流的比值不存在一个确定的值,这与金属氧化物电阻片的击穿机理有关。所以使用时, 应要求制造商提供作为第一级的SPD 的直接10/ 350μs 波形的试验数据。

对于后级, 在选择通流容量时可近似用折算系数10 进行估算。选定第一级SPD 的通流容量以后才能选择后面各级(第二、三、四级) SPD 的通流容量。在电涌保护的全局考虑中, 对各级SPD 的通流容量的要求是不同的: 要求第一级的通流容量最大, 因为它要承受雷电直击—反击或近区雷击时经SPD 泄放的大电流, 而如果第一级能泄放绝大部分雷电流, 则进入建筑物内部的雷电流就小, 不易造成雷电危害。如对第一级的要求能够实现, 则第二级只要承受上述雷电能量的残留部分和雷电感应能量(例如20 %) , 第三级更是只通过很少的雷电能量(例如10 %) , 其主要任务是限制电压。研究表明,如果配合得好, 可以大体上实现上述要求。本文按级间通流容量的这种关系来选取后面各级SPD 的通流容量。

每种具体情况最好按IEC 1312 —3 所列简化方法进行计算。在未进行具体计算时, 可按表3～6进行选择。为了充分考虑有利于分流的各种因素,

表3 　配电线为架空线或包含架空线段时,对通流容量的要求

　用不同的表格表示不同的通流容量要求。表3～6 均指三相SPD 相对中或相对地模块的通流容量。中对地模块的通流容量应为上述的4 倍。

   

4、最大持续运行电压

SPD 长期在电网运行电压下使用会引起老化。最大持续运行电压是SPD 可以长期承受而不明显老化的工频或近似工频的电压。最大持续运行电压的选择对SPD 在长期运行中的可靠性影响很大。限压型, 特别是以金属氧化物电阻为核心元件的SPD 的老化常表现为泄漏电流和功率损耗增大、发热和残压增大。老化与配方、工艺过程有关, 也和最大持续运行电压有关。

对后一方面, 确切地讲, 与荷电率(最大持续运行电压UC 和参考电压Uref之比UC/ Uref ) 有关。荷电率越小, 金属氧化物电阻老化越缓慢。但是现在各制造商都只提供金属氧化物SPD 的最大持续运行电压而不提供参考电压, 使选用者难以判断其老化的严重性。

另一方面, 最大持续运行电压又会制约SPD的电压保护水平。在非线性电阻的伏安特性上, 标称放电电流下的残压Ur 与参考电压Uref有一定的比例关系, 此比例称为残压比Ur/ Uref 。残压比从一个角度上反映了金属氧化物电阻片的制造水平。

最大持续运行电压取得越高, SPD 长期工作越可靠, 但是金属氧化物电阻片残压也就越高, 保护性能变差。设计者要恰当地处理两者的关系。对间隙SPD 而言, 最大持续运行电压含义有所不同, 是指不会使间隙动作的最大工频电压和电弧间隙可承受的电网恢复电压(稳态分量) 。间隙虽然不会老化, 但也不允许在电网工频电压下动作, 也不可以在动作以后不灭弧。因此对间隙型SPD 而言, 最大持续运行电压也是很重要的指标。

现在的SPD 产品不能承受、更不能削减电网的暂态过电压。暂态过电压是在电网异常情况下产生的, 如低压或高压电网中的短路、谐振, 持续时间数量级超过雷电过电压和操作过电压, 达到几十毫秒到几秒。暂态过电压与最大持续运行电压有密切关系, 所以在SPD 选用标准(如IEC 61643 —12)中, SPD 最大持续运行电压的选择是与其耐受暂态过电压的特性联系在一起的, 同时提出两项要求:①SPD 的最大持续运行电压UC 高于电网最大持续运行电压UCS。②SPD 能耐受的暂态过电压UT 高于电网暂态过电压(TOV) 。

TOV 的幅值与时间、电网接地方式及其保护方式有关, 表现为幅值和时间一一对应的一组数据。对当前的金属氧化物电阻制造水平而言, 长于5s的作用时间就可以看作持续作用了, 实际上暂态过电压指短于5s 的过电压。SPD 耐受暂态过电压能力应该用标准规定的暂态过电压耐受试验考验, 而此试验的电压以最大持续运行电压为基准。选定的最大持续运行电压和暂态过电压耐受试验共同组成了SPD 耐受长时间和较长时间电压的能力。

最大持续运行电压UC 的选取与电源系统的情况( 配电网接地型式的选择, 如TN2S , TN2C ,TT) , 配电变压器机壳与低压侧中点共地与否, 高压中点接地与否, 电网质量等有关。SPD 模块接入位置(相对中、相对地) 不同, 则暂态过电压不同, 对最大持续运行电压的要求也不同。在满足GB1880211 对暂态过电压性能试验要求(暂态过电压1145U0 , 1173U0 , 时间5s 和012s ,U0 电网标称工作相电压) 的条件下

TN 系统: L2N , L2PE 不小于1115U0；

TT 系统: L2N 不小于1115U0；

L2PE , N2PE 不小于1155U0

如电压偏差超过规定的10 % , 谐波使电压加大的情况, 可较上述要求再提高。如未经GB 1880211 对暂态过电压性能试验要求, 为了保证可靠性, 就要直接按暂态过电压的数值要求最大持续运行电压:

TN 系统: L2N , L2G不小于1145U0

TT 系统: L2N 不小于1145U0

L2G, N2G不小于1173U