电源通道SPD的参数选择研究与探讨毕业论文.doc

电源通道SPD的参数选择 摘要介绍了SPD的基本功能后, 阐述SPD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的重要性、基本概念、术语、相关标准和选择方法。可作为电气、电子设备电源侧电涌保护设计的基础。关键词防雷保护电压保护水平 通流容量 最大持续运行电压引言由于信息系统应用越来越广泛和各种设备的现代化程度的不断提高, 防雷工程已从过去以人身安全和建筑物本体结构的防护扩展到建筑物内设备的保护, 从而电涌保护得到了更普遍的重视。电涌保护的主要对象是以微电子芯片为基础和计算机技术为核心的各种信息设备(计算机系统、通信系统、控制系统和精密测量系统) , 以大功率电子器件为基础的电力电子设备(变流器, 变频器, UPS 等) , 以及包含信息模块和电力电子模块的传统电气设备(如智能开关柜) 等。这些设备可通称为电气、电子设备。近年来, 电涌保护成为建筑电气设计的新内容, 国内外电涌保护器产品（简称SPD）大量使用, 电涌保护工程公司大量涌现。与此同时, 有关SPD及其应用的国际、国内和行业标准陆续制订出来, 各防雷主管部门正在加强对电涌保护的管理。但是在电涌保护工程中还有许多问题不清楚或不明确, 各项标准之间并不完全一致, 甚至术语也不相同。我国的电涌保护工程业务量极大, 但毕竟开展时间不长，这就使得上述问题的解决有待深入研究和实践。但是认真消化有关标准, 准确掌握基本参数, 也是一个必要的基础。电涌保护设计的基本问题一是电涌保护器的基本参数选择, 二是电涌保护器的布局。本文主要阐述第一个基本问题。SPD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。SPD不能削减和长时间承受暂态过电压。对于雷电涌,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SPD的分类和电压保护水平、通流容量、最大持续运行电压三个主要参数展开介绍。1 过电压过电压有多种多样, 其中常见的有雷电过电压、系统过电压和地电位反击过电压.1.1 雷电过电压1.1.1 直击雷雷云之间、雷云对地面的建筑物或其他物体, 对其放电所产生的电击称之为直接雷击.雷击过电压的能量有时非常强, 雷电的放电电流一般为20 kA40 kA , 雷电流在闪击中直接进入金属管道或供电线路时, 它们沿着金属管道或供电线路可以传送到很远的地方. 除了沿管道或供电线路产生电或热效应, 破坏其机械和电气连接外,还会危及有关操作和使用人员的安全.1.1.2 感应雷雷云放电时, 对设备、线路或其他物体的静电感应和电磁感应所引起的过电压称之为雷电感应或感应雷击. 带有大量负电荷的雷云所产生的电场E 将会在架空明线上感应出被电场束缚的正电荷. 雷云间、雷云对地放电时, 云层中的负电荷在一瞬间消失了(严格说是大大减弱) , 那么, 线路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去了束缚, 在电势能的作用下, 这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击, 从而对电气设备产生不同程度的影响. 雷击发生的交变电磁场, 其能量将感应于线路并最终作用到设备上(由于避雷针的存在, 建筑物上落雷机会反倒增加, 内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了) , 对用电设备造成极大危害. 感应雷虽然没有直击雷猛烈, 但其发生的几率比直击雷高得多. 据统计,80 %雷击事故是由感应雷引起. 直击雷只发生在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害, 感应雷则不论雷云对地闪击或者雷云对雷云之间的闪击, 都可能发生并造成灾害. 此外, 直击雷一次能袭击一个小范围的目标, 而一次雷闪击可以在较大的范围内多个小局部同时产生感应雷过电压, 并且, 这种感应过电压可以通过电力线、电话线等传输到很远, 至使雷害范围扩大. 1.2 系统过电压由于系统参数变化而引起的电磁能转化或传递所造成的电压升高称为系统过电压. 当电流在导体上流动时, 会产生磁场, 储存能量, 电流截面积越大, 导线越长, 存储能量越大, 所以, 当大型负载(特别是电感性负载) 电气设备开关时, 便会产生瞬时过电压. 系统过电压有工频过电压、操作过电压、谐振过电压之分. 一般防系统过电压是通过电容、电感、继电器和电涌保护器等措施.1.3 地电位反击雷击大地或接闪器、引下线和接地体等防雷装置, 引起地电位上升而波及附近的电子设备, 对设备产生反击, 损害设备对地的绝缘.2 电源SPD分类建筑物防雷设计规范第6.4.11条中提到了电压开关型SPD、限压型SPD，是按SPD的结构原理和动作特性分类的。2.1 开关型SPD其核心保护元件是各种开关型器件，如开放的空气间隙、封闭的气体放电管。开关型器件是非线形器件，伏安特性不连续，在小电压时基本上为开路状态，电压高到一定程度时两极间的电阻突然降低，转化为导通状态。常见的电压开关型SPD是间隙型。其伏安特性可见图1。2.2 限压型SPD其核心保护元件为非线形电阻元件，具有连续的伏安特性，既随着电流的增大电阻连续的减小。常见的限压型SPD是金属氧化物制成的压敏电阻（简称MOV）。其伏安特性见图2。两种结构原理的SPD，其优缺点比较见表1。表1 两种结构原理的SPD的优缺点比较 特性类型响应时间通流能力动作平衡性动作分散性续流电压保护水平Up泄露电流老化间隙较慢50KA(10/350us)突变大很大可自熄高基本没有不会MOV较快25nsIn20KA(8/20us)平稳无极小较底有会注：1.“动作平稳性”指SPD的阻抗是否突变（突变会引起电路的振荡和干扰）2.“动作分散性”指击穿电压的分散性，使电压保护水平发生变化。 图1 间隙型开关型SPD的伏安特性 图2 MOV限压型SPD的伏安特性3 电压保护水平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、电子设备能避免电气绝缘破坏, 整个设备必须退出运行这种程度损害的电涌电压以绝缘冲击耐受电压表示。 对220/ 380V 系统具体可见表2。该表引自IEC60664 1标准。表2 220/ 380V三相电源系统设备绝缘耐冲击过电压值(112/ 50s)耐冲击过电压类别冲击耐压值/ kV642.51.5设备类型和位置电源线路进入建筑物入口处的设备配电线路设备分支线路设备用电设备特殊需要保护的设备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。4 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/ 20s , SPD只要承受最大放电电流Imax12 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/ 350s , SPD 只要承受最大放电电流Iimp12 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。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。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。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0.8 %) , 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 1.5 %) ,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 3.8 %) ；并规定雷击总雷电流的模拟测试波形为10/ 350s。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/ 350s 波形中电荷量为0.5 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4.45 %、6.47 %、10.25 % (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 都规定类试验中最严格的动作负载试验波形为10/ 350s 以及相应的电流幅值和电荷量。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。配电线为架空线或包含架空线段时，通常情况下可按表3进行粗略选择。表3 SPD通流容量参数Iimp、InSPD安装位置要求安装I级分类实验的SPD线路第二级第三级 通流容量 接线形式Iimp（kA）每模块In(kA)每模块In(kA)每模块In(kA)每模块共模接线12.51553“3+1”接线L-PE12.51553N-PE506020125 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UC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。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。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TN-S , TN-C ,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GB18802.1 对暂态过电压性能试验要求(暂态过电压1.45U0 , 1.73 U0 , 时间5s 和012s , U0 电网标称工作相电压) 的条件下TN 系统: L-N , L-PE 不小于1.15 U0TT 系统: L-N 不小于1.15 U0； L-PE , N-PE 不小于1.55 U0 因为TT制系统,如果配电系统内发生对地故障,中性点产生偏移,会是非故障相对地电压升高,加重相对地间SPD的负担,所以相对地的UC值要选得较高.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。6结束语电涌保护器是电涌保护的载体。掌握SPD 的主要参数是进行电涌保护设计的基础。电压保护水平是电涌保护最主要的参数, 也是实施过电压限制的目标。通流容量是SPD 在电涌下的极限泄漏能力, 关系其在电涌下的可靠性。最大持续运行电压是SPD 能长期承受的工频电压, 关系其长期运行下的可靠性, 也制约了电压保护水平的降低。这三个参数密切相关, 互相制约, 共同决定了SPD 性能, 故不能孤立看待。Selection of Power Side SPD Abstract Reviewing surge protecti