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弱电设备的浪涌保护           
弱电设备的浪涌保护
作者:佚名 文章来源:不详 点击数: 更新时间:2008-9-24 9:19:16
    
                                        河南驻马店市电业局  吴风华  

      随着电子技术,尤其是微电子技术、计算机技术、大规模集成电路技术的发展,和在电力系统中应用的日益广泛,以电子技术应用为特征的弱电设备(系统),在电力系统所占据的地位日显重要;这些设备和系统对于强电的防护能力,相对于普通的电气设备和用分离元器件组装的电子设备而言,要脆弱得多 ,由于雷电等浪涌对这些设备的破坏所造成的危害也显得日益突出。

在生产实际中,我们经常会遇到某些电子设备板卡、芯片等损坏,而找不到确切原因的情况,尤其是变电所中的电子设备,如电力通信设备、远动自动化设备、微机保护设备、图像监控系统等等。研究表明,这种情况的发生,不少都是由浪涌所造成。

现代电子设备(系统)对浪涌所具有的灵敏特性,决定了对其进行特殊防护的必要性。同时,这些电子设备与浪涌耦合渠道又是立体多通道的,不是一般性防护措施所能完成的,必须综合电子设备的运行环境,采取相应的防护手段和措施。对电子设备接口采取必要的浪涌防护手段,是保证其正常运行的根本措施和保障。

国内外专家学者对此都进行了大量的实验和研究,IEC(国际电工委员会)、ITU(国际电信联盟)等组织都制定了相应的防雷电及电磁脉冲的标准,如IEC 1024、IEC 1312、ITU的K系列等。IEC 1024、IEC 1312相继公布了雷电流参数和雷电波形,并对雷电保护区(LPZ)的划分、系统的分级保护和浪涌过电压保护器(SPD)的各项指标进行了规定。我国的国家标准《建筑物防雷设计规范》(GB 50057-94)、信息产业部《移动通信基站防雷与接地设计规范》(YD 5068-98)等也都对雷电电磁脉冲的防护进行了规定。

随着研究的不断的深入和认识的不断提高,目前,人们的注意力已从过去单纯的防雷逐步转向综合浪涌干扰防护。

1 浪涌的基本原理

浪涌(surge),又叫突波,是存在于供电系统中的一种极为普遍的电压/电流瞬间过大的波动现象。国外一些资料将浪涌分为四个组成部分:

浪涌最主要的来源是雷电,它可以通过电力线传导,也可能是在低压电源线上或信号线上感应产生;浪涌的另一个来源是公用电网,开关操作时,在电力线上产生的过电压。研究发现,低压电力线上80 %以上的浪涌产生于建筑物内部的设备,诸如来自空调机、空压机、电弧焊机、电泵、电梯、开关电源和其它一些感性负荷的浪涌。浪涌产生原因见表1。



浪涌不同于一般意义上的过电压,因为它不仅幅值高,而且发生的时间极为短暂,一般的过电压保护因为其反应速度低而对其无能为力。

为了测试设备和系统对于雷击及其它浪涌的敏感性,人们在对雷击及其它浪涌进行观察分析的基础上,制定了一系列的标准。在标准中对各种浪涌的波形、幅值等指标做了明确规定,标准浪涌波形如图1所示。用于仿真雷击、静电放电和快速瞬态的测试波形,一般描述为双指数函数。


  
几种典型浪涌波的幅值频谱,如图2所示。



2 抑制浪涌的原理

从图2几种雷击波涌的频谱曲线图可以看出,浪涌波形的波前时间越短,则其所包含的频带越宽,频率越高。对电子设备电磁兼容来说,高频是辐射干扰的主要原因。可以发现,快速静电放电脉冲虽然只有50 ns的波长,10 kV电压脉冲,对于50 Ω电阻的放电能量也只有E = 100 mJ。可是它的第一拐点频率达2.66 MHz,第二拐点为48 MHz,这么高的频率对于电子设备的正常运行是极大的挑战。

幅值频谱分析表明许多浪涌呈现低频特征,即主要能量集中在频率较低的频段。但是由于非常低的能量就会引起集成电路的状态混乱或损坏,因此在浪涌波形中所含的高频能量,即使比例较低,也足以影响采用半导体技术的电路正常运行。事实上对采用集成电路技术的电子设备的损害,或误动大多都是由于浪涌能量造成的。通常认为集成电路装置的受损能量级为100 mJ。

低频能量可以通过硅二极管、压敏电阻、接地和控制环路面积进行消除,但高频能量必须通过滤波和屏蔽技术控制。

分析显示大部分浪涌能量是低频。瞬态也存在高频问题,测试波形包含很大能量,在低频段很窄的频段内可含100 mJ,从浪涌能量分析可以看出在显著高频区,残余能量也都大于100 mJ。

能量计算表明,对于快速上升时间的双指数曲线,大约50%以上的总能量存在于第一拐点以下,50%以下总能量存在于第一拐点频率以上,而大约1%的总能量包含在第二拐点频率以上。

低压交流电源线上的浪涌是与过电压有联系的,但又不等同于过电压,因为浪涌既包括电压的瞬变,又包括电流的瞬变。同样道理抑制浪涌也不等同于过电压保护。过电压保护是线路和电气设备绝缘完好性的保障,而抑制浪涌是低压系统和电子设备可靠运行,及电磁兼容的保障。

常用的浪涌抑制器件为气体放电管、氧化锌压敏电阻、瞬态电压抑制器、硅二极管等。它们工作原理不同,但它们有相似的伏安特性,即两端电压低于规定电压时,通过电流很小,而当两端电压高于规定电压后,通过电流会呈指数规律增长。这一伏安特性能使其同时满足抑制浪涌泻流和限幅的要求,因而也就成为抑制浪涌的主导器件。尤其是氧化锌压敏电阻,不仅限幅电压可以很低,导通电流也可以很大,价格又便宜,已经成为电气设计师首选的浪涌抑制器件。

最近开发研究的各种纳秒级瞬态抑制器件,以及从前实际应用的大电流吸收能力的开关管,使得研制电力通信接口浪涌抑制器成为可能。目前浪涌抑制器根据使用场合不同具有不同的限流水平和泄流能力。浪涌抑制器的分类大致如下:

(1)限幅型:氧化锌压敏电阻具有较高电能吸收能力和纳秒级响应时间,具有低限幅和快速反应能力的TVSs 等。工作原理是稳压。这种原理工作的器件泻流能力较差,功率较小。

(2)开关型:主要指气体放电管,它响应较慢,瞬态的发生可能快于它的响应时间。主要是根据短路原理把浪涌通过保护接地线返回,而防止进入通信设备。这种原理工作的器件续流问题,影响了其使用范围。

(3)混合型:这主要是指MOV或TVS与开关管的联合使用,这种类型综合利用大功率器件与快速响应器件的优势,具有广阔的使用和开发前景,但是由于不具备频率选择功能,而不适应通信接口中使用。

(4)正弦波跟踪型:这是一种新技术,它能跟踪交流正弦波,对通过其它保护装置上的微小尖峰和瞬态做出响应。它只对瞬态干扰进行分析而做出响应,是其中包括数据、信号、电话等通信中,实现浪涌抑制的理想选择,也是目前国内外有关专家努力研究的热点。

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