《1 电涌保护技术讲座第一讲电涌保护的作用.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《1 电涌保护技术讲座第一讲电涌保护的作用.pdf（4页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第一作者:叶蜚誉(1935-),男,教授,浙江省电力学会高电压技术专业委员会副主任,主要研究方向为高电压技术、电力系统电磁环境及信息系统防雷保护等。专题讲座电涌保护技术讲座【编者按】进入21世纪,以信息技术改造与提升传统产业已成为制造业发展的方向和趋势。计算机、通信和电气电子系统的应用已遍及国民经济的各个行业乃至家庭,防雷与安全与防护已成为这些应用中不可或缺的一个重要内容,并日益引起大家的高度重视。因此,电涌保护技术已成为当前的一个热点。应广大读者的要求,本刊编辑部邀请浙江大学叶蜚誉教授为本刊撰写“电涌保护技术讲座”。本讲座共七讲:第一讲“电涌保护的作用”;第二讲“电涌保护器的原理”;第三讲“
2、电涌保护器的电压保护水平”;第四讲“电涌保护器的通流容量”;第五讲“电涌保护器的最大持续运行电流”;第六讲“电涌保护器的布局”;第七讲“电涌保护系统的设计”。叶蜚誉教授1955年交通大学电力系毕业,1957年清华大学高电压技术研究生毕业,先后在西安交通大学和浙江大学任教,曾任浙江大学电机系副主任。叶教授在学术研究方面有很深的造诣,在国内、外的许多学术刊物和学术会议上发表了大量的论文。叶教授还担任了中国建设标准化协会制定的标准“建筑物低压电源电涌保护器选用、安装、验收和运行规程”(报批稿)的主要起草人。对叶教授给予本刊的指导、支持和帮助,在此表示诚挚的谢意!也希望广大读者对本讲座内容的意见和建议
3、反馈编辑部,以便我们及时加以改进。第一讲 电涌保护的作用叶蜚誉(浙江大学电气工程学院,浙江 杭州310027)摘 要:从现代防雷工程的发展和雷害事故的统计说明建筑物内电气电子系统电涌保护的需要,然后阐明了现代防雷体系中电涌保护限制雷电电涌和操作电涌的作用。关键词:防雷保护;电涌保护;电涌保护器中图分类号:TM862 文献标识码:A 文章编号:100125531(2004)0220054204I.RoleofSurgeProtectionYe Fei2yu(College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,
4、China)Abstract:The need of surge protection for electrical and electronic systems within strucure is described from the de2velopment of modern lightning protection engingneering and the failure statistics.Then the role of surge protection reducinglightning and switching surge in modern lightning pro
5、tection systems is explained.Key words:lightning protection;surge protection;surge protection devices1 防雷工程的发展1.1 防雷工程人类自觉地与雷害斗争已有长远的历史。从民居、军事要塞的防雷,到工业化时代的工业防雷(主要是电力系统、野外油、矿基地,工业危险物品45低压电器(20042)第一讲 电涌保护的作用存储场所),提出了一系列措施(接闪器、接地装置以及避雷器),形成了一系列行之有效的措施。但是到了上世纪下半叶出现了新的情况,主要是以微电子为基础的计算机行业的形成,以及以计算机为核心的现代
6、通信、控制、精密测量行业的兴起,提出了抗强电磁脉冲的问题,包括雷击电磁脉冲(LEMP),主要是雷击引起的电涌(SURGE,指瞬态过电压、过电流)以及电气系统内部产生的操作电涌。雷电的功率达到兆瓦级以上,而电子设备随着电子器件的微型化和集成度、精密度的提高,其对电涌的耐受能力越来越差,到毫瓦级以下,两者相差悬殊。随着电子系统在社会生活中的重要性的提高,对其安全性的要求却越来越高。在银行、证券、气象、军事、通信、交通、电力等部门的电子设备发生了许多雷害事故,有的造成了严重的后果。可以说:社会越是高度发展,技术越是先进,电子设备的防雷问题就越是突出。1.2 雷害的事例与统计雷害损失的统计触目惊心,电
7、子设备雷害的事例也是很多的。例如:1995年广东省因雷害造成的直接经济损失达9 000多万元。1996年全省雷电灾害1 196起,直接经济损失约1.374亿,间接经济损失达5亿(广东省防雷中心提供)。19971998年,上海发生雷击44起,赔偿损失2亿元。1998年,上海某电子工程公司智能大楼遭雷击,13部电梯计算机控制程序、6只摄像机、对讲系统和安保报警系统损坏,损失严重。1999年8月27日,上海市国脉通信10个传呼频点遭受雷击中断10 h,直接损失不过一块板卡,但对用户尤其是股民影响很大,保守估计经济损失达50余万元。2000年杭州市某水厂雷击损坏办公大楼天馈线输入室内单元和可编程控制器
8、监控接口卡,影响市内供水,惊动市领导。对地区电力调度、治安、反恐或灾害预报预警系统的影响更为严重,如深圳市110报警系统曾遭雷击停顿;90年代中央气象台曾遭雷击,停顿40 h;美国、加拿大2003年大面积停电的起因就是雷击。雷电是一种概率事件,具有偶然性,一段时间未受雷击,并不说明那里以后一定不会遭受雷害。国外统计表明,由过电压(电涌,包括雷电)引起的故障占总故障的比例比较大(见图1),甚至大大超过了水、火灾害。图1 雷电和过电压危害在各种事故中的比例(德国统计)根据统计,中等雷电强度地区(如杭州,年雷电日44)每平方公里每年平均落雷3.286次;在户外线路所经之处两侧数百米范围内的雷电都有可
9、能引入雷电波;建筑物周围1.52.0 km公里范围内的雷电活动可以对建筑物内无防雷措施的电子设备造成雷电电磁脉冲。因此,电子设备雷害是实际可能的,在国内外、省内外时有发生,人们不应有侥幸心理。1.3 电子设备雷害特点电子设备的雷害特点在于微电子器件对过电压承受能力较一般工业设备弱得多,任何雷电侵入途径都可能造成雷害,过去不注意的途径,如雷电感应现在也会有害;微电子器件在过电压下被被击穿破坏的速度较一般工业设备快得多。这种情况决定了电子设备电源防雷措施必须较常规的防雷有更大的力度,仅仅外部防雷是不够了。这使电子设备防雷成为防雷保护的一个新领域,形成对传统防雷技术的延伸。2 电涌保护的作用2.1
10、电涌保护电涌保护主要是保护电子设备免受雷电电涌的危害,也兼而使电子设备免受大部分操作电涌的危害。电涌是指瞬态电冲击,包括电涌冲击、电流冲击和功率冲击。此处所谓瞬态是指持续时间大大低于工频周期(0.02 s)的瞬变过程。对地闪击的雷电流波形的特点是上升时间极短(0.1几个s),而下降时间相对较长(几十到几百s)的单极性波(见图2)。典型操作电涌波形是叠加在工频波形上的几百Hz到上百kHz的振荡波,整个持续55第一讲 电涌保护的作用低压电器(20042)时间不过几个工频周期(见图3)。雷电和操作电涌的峰值与很多因素有关,出现在建筑物内的电涌从近kV到几十kV,如不加以限制会损坏电子设备。图2 雷电
11、流模拟波形图3 操作电涌典型波形 电子设备遭受雷害会引起电子设备的误动;电源设备和贵重的计算机及各种硬件设备的损坏,造成直接经济损失;引起电子设备正常工作的中断,对社会造成不良影响和巨大的间接经济损失;还可能在微电子芯片中留下潜伏性的隐患,使电子设备运行不稳定和加速老化,给有关系统的工作造成无穷的麻烦。2.2 产生雷电电涌的方式雷电途径和综合防雷措施如图4所示。图4 雷电途径和综合防雷措施(1)直击雷引起的反击。信息系统一般不暴露在可能直接遭受雷击的场所,直击雷直接破坏电子设备几无可能。雷害破坏电子设备的方式可能是由直击雷电流通过接地装置时造成的高电压使电子设备的薄弱环节击穿。这种雷害方式称为
12、反击。(2)侵入波。雷电击中与电子设备连接的户外架空线(交流配电线、信号线、电话线),则雷电波就会沿线传入。这种方式称为侵入波。由于户外线延伸很广,因此雷电侵入的可能性较大。(3)雷电感应。直击雷电流通过引下线(如建筑物结构钢筋)时在室内引起电磁感应。虽然感应电压不如前述几种高,却也足以破坏电子元件,而且它最接近电子设备,在建筑物内部各处都可能出现。设备越是接近雷电流引下线,感应电压越高。另一种情况是雷击建筑物附近地面,雷击通道的强电流产生的磁场也能在建筑物内部引起电磁感应。如雷电流较大,建筑物附近1.52 km的雷击就有可能影响室内的电子设备。3 电涌保护在综合防雷体系中地位3.1 现代综合
13、防雷体系虽然防雷仅是建筑物及其内部各种系统的局部,但是由于雷电电涌多渠道侵入,雷电对建筑物和设备系统作用的复杂性,采用单一措施不能解决问题,需要综合运用各种措施,而且各种措施之间应互相配合,形成一个整体。在科学总结人类长时期防雷经验和科学研究的基础上,考虑现代的防雷对象,利用现代的防雷产品和建筑技术,借鉴电磁兼容概念,提出了一系列防雷措施,统一考虑、综合治理、全方位防护,形成了现代综合防雷体系。现代综合防雷体系的构成如图5所示。图5 现代综合防雷体系构成 为了工程设计施工的方便,常将防雷措施分65低压电器(20042)第一讲 电涌保护的作用为外部防雷保护(指接闪器、引下线,接地装置)和内部防雷
14、保护(指等电位连接,屏蔽和电涌保护)两方面。3.2 电涌保护在综合防雷体系中的地位电涌保护通过泄放雷电流、限制浪涌电压来保护电子设备,是电子设备防雷的主要手段,也是内部防雷保护的主要措施,从而成为综合防雷体系中的重要组成部分。仅有接闪器、接地装置,并不能避免雷电波沿线路的入侵;也不能在实际可能的低接地电阻值下防止反击。为了保护电子设备还需要电涌保护。反过来讲,电涌保护也以外部防雷保护为前提,电涌保护也应与内部防雷保护其他措施(等电位连接,屏蔽)密切配合。除非本建筑物受到附近其他更高建构筑物提供的直接雷防护,包含电子设备的建筑物应具备一定的外部防雷保护措施。没有接闪器,建筑物的安全都不能保证,何
15、谈内部设备的安全。建筑物的接地电阻值过大,易于发生反击,反击时大部分雷电流不是向地下泄放而是经SPD流向配电变压器,加重了SPD的负担。作为一种保护措施,电涌保护器的配置和电涌保护系统的设计应与人身保护措施(直接接触保护和间接接触保护 漏电保护)、短路保护等协调,共同保证人身安全、设备安全和系统(如供电)工作的连续性。有些设备,如医疗急救设备,设备安全与人身安全密切相关。收稿日期:2004201214(上接第10页)5模型改进前、后静态特性分析结果对比 根据上面提到的改进方案,可对铁芯的高度和线圈的参数进行优化。优化前、后模型的吸力特性结果比较(在相同的电压条件下)如图8所示。图8 优化前、后
16、吸力特性比较 由图8可见,改进后模型的吸力特性较原模型较大提高。这样,就可降低模型的吸合电压,实现吸力特性与反力特性的良好配合。6 结束语本文从有限元仿真的角度出发,采用虚拟样机技术,利用ANSYS对交流接触器操作电磁铁磁系统的静态特性进行分析,并根据得到的分析结果,提出了对铁芯和线圈的参数的优化方案。分析比较改进前、后模型的静态特性,发现该参数优化方法具有一定的应用价值。【参 考 文 献】1 张冠生.电器理论基础(修订本)M.北京:机械工业出版社,1989.2Paulo I K oltermann,Assumpcao Bastos J P,Srgio R Ar2ruda.A Model fo
17、r Dynamic Analysis of AC ContactorJ.IEEE Transactions on Magnetics,1992,28(2).3Sang2Baeck Y oom,et al.Shape Optimization of SolenoidActuator Using the Finite Element Method and NumericalOptimization TechniqueJ.IEEE Transactions on Mag2netics,1997,33(5).4Sadowskj N,Bastos J P A,Albuquerque A B,et al.
18、AVoltage Fed AC Contactor Modeling using 3D Edge Ele2ment J.IEEE Transactions on Magnetics,1998,34(5).5Shen D,Meinier G,Coulomb L L,et al.Solution ofMagnetic Fields and Electrical Circuits Combined ProblemsJ.IEEE Transactions on Magnetics,1985,21(6).6Kawase Y,Ito S.Analysis of Attractive Force of Pull2typeSingle Phase A.C.ElectromagnetsJ.IEEE Transactionson Magnetics,1990,26(2).收稿日期:200321022975第一讲 电涌保护的作用低压电器(20042)