顧菊平 張棖

摘 要：針對限壓型SPD之間能量配合的問題，根據(jù)傳輸線理論及電路理論對雷電流的傳輸過程進(jìn)行分析，通過ICGS沖擊電流發(fā)生器進(jìn)行沖擊試驗，結(jié)果表明：波的傳輸理論及電路理論能夠正確性解釋5?H退耦電感代替5m線纜的合理性；采用5 m導(dǎo)線或5?H無磁環(huán)電感作為退耦元件時，第一級SPD與第二級SPD的分流比均為9∶1左右，第一級SPD泄放大電流，釋放90%以上的能量，而第二級SPD主要起到限制殘壓的作用，很好的達(dá)到了能量配合的效果；在選擇帶有磁環(huán)的電感作為退耦元件時，應(yīng)當(dāng)考慮到磁飽和現(xiàn)象對于能量配合所產(chǎn)生的影響，適當(dāng)加大退耦元件的電感值。

關(guān)鍵詞：傳輸線理論 電涌保護(hù)器 退耦元件 能量配合

中圖分類號：TM23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0110-03

根據(jù)GB-50057建筑物的防雷設(shè)計規(guī)范中要求，各防雷區(qū)交界處及被保護(hù)設(shè)備處安裝的SPD，其允許的電壓保護(hù)水平和殘壓值必須符合各級電力裝置絕緣配合的要求，并滿足被保護(hù)設(shè)備的抗沖擊性要求[1]。安裝在LPZ1區(qū)與LPZ2區(qū)交界面處的第二級SPD應(yīng)考慮由雷電流引發(fā)的電磁場的作用及進(jìn)一步降低第一級避雷器的殘壓。這樣，在實際選擇安裝SPD的過程中，針對一些建筑物內(nèi)部的設(shè)施設(shè)備，特別是保護(hù)低壓電力系統(tǒng)和敏感的信息系統(tǒng)設(shè)備時，為了限制各種入侵的雷電電涌，可能需要裝設(shè)多級SPD以逐級削減雷電瞬態(tài)過電壓能量，直到滿足保護(hù)設(shè)備的安全性要求。所以，在多級SPD設(shè)計以及實踐的過程中，常常會出現(xiàn)一系列由于能量配合而引起的問題，其中最典型的是SPD無法逐級動作，若后一級SPD比前一級先動作，不僅會使次級SPD打壞，還將給被保護(hù)設(shè)備帶來巨大的隱患。所以在工程應(yīng)用中，根據(jù)IEC 62305-4和IEC 61643-12等相關(guān)防雷規(guī)范的要求，兩個限壓型SPD之間的線路長度應(yīng)大于5 m。當(dāng)實際條件無法滿足5 m的長度時，為了能有滿足SPD內(nèi)部間的多級保護(hù)，則需要相對應(yīng)的器件來實現(xiàn)能量配合[2]。

1 電路理論的分析

在實際的工程實踐中，由于內(nèi)部物理空間的限制，考慮到兩限壓型SPD之間的距離小于電源的波長，故針對具體的兩級SPD能量配合時應(yīng)當(dāng)在傳輸理論的基礎(chǔ)上通過電路理論對集中參數(shù)進(jìn)行分析（如圖1所示）[3-4]。

當(dāng)兩級限壓型SPD距離小于5 m時，后方的MOV可將瞬態(tài)電壓降到遠(yuǎn)低于前級MOV的啟動電壓，這將阻止MOV1動作，因此，在較大的空間條件下，SPD之間的線纜距離要長一些，這樣可提供足夠大的電感而使MOV1觸發(fā)。不能滿足SPD級間的線路距離要求時，前一級浪涌保護(hù)器不動作將使過高的能量到達(dá)后方SPD，同樣會將后方的SPD打壞。所以兩者之間的配合可通過串聯(lián)退耦電感來保證前級SPD在后級動作前啟動，泄放大電流[5-7]。

退耦元件的電感值應(yīng)當(dāng)確保兩級壓敏電阻可靠動作，其計算公式如下：

（1）

式中：為MOV1的放電電壓；

為脈沖的上升率；

為后方MOV2的電壓降，（注意R是非線性值）。

由上式可得出：

（2）

根據(jù)常用壓敏電阻便的參數(shù)以及上式可以估算出電感值約等于5?H[8-9]。經(jīng)過測量，每米的導(dǎo)線電感量約為1?H，綜合考慮多種因素，如響應(yīng)時間25ns的不確定性、不同種壓敏電阻特性的分散性等。實際工程中用5?H的退耦電感來替代導(dǎo)線，從而實現(xiàn)兩個限壓型SPD間的能量配合[10]。

2 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

為了進(jìn)一步驗證傳輸理論及電路理論對于分析兩級限壓型SPD能量配合問題上運用的正確性，進(jìn)行了三組實驗。當(dāng)距離要求不能夠滿足5 m時，通過實驗來正確選擇退耦元件電感值的大小[11-12]。

2.1 實驗設(shè)備及元件

FC-2G防雷元件測試儀，TH2818元件自動分析儀，ICGS雷電沖擊試驗平臺，本實驗統(tǒng)一采用34 mm×34 mm的壓敏電阻片，參數(shù)值分別為：UC=385V，In=20 kA，Imax=40 kA，UP=2 kV。

2.2 用5 m的導(dǎo)線作為退耦元件

如圖1連接方式將，利用5 m導(dǎo)線作為退耦元件，將靜態(tài)參數(shù)相同的兩個限壓型SPD并聯(lián)連接。先測量總通流和殘壓，再測量流過后級壓敏電阻的通流和殘壓。測量結(jié)果如表1所示。

圖2是這種接法在10kV的8/20?s電流波沖擊下總通流和總殘壓與后級壓敏電阻上的殘壓和通流的波形圖（①表示殘壓，②表示通流）。

通過表1可知，當(dāng)兩個靜態(tài)參數(shù)相同的限壓型SPD通過5 m導(dǎo)線并聯(lián)時，兩級的平均分流比為89.7%和10.3%，再結(jié)合圖3，可以看出兩級的總通流和第一級通流的陡度較大，上升趨勢十分明顯，這都說明了在這種連接方式下，前級SPD主要起到泄放大電流的作用，而后級SPD除了泄放少部分雷電流之外還起到箝壓的效果，使負(fù)載上的電壓小于其本身的耐受沖擊電壓。同時，隨著沖擊電壓的增大，兩級的殘壓都在增大，但上升趨勢比較緩慢，這與傳輸理論的分析結(jié)果一致。

2.3 用5?H無磁環(huán)電感作為退耦元件

如圖1連接方式將，利用5?H的無磁環(huán)電感，將靜態(tài)參數(shù)相同的兩個限壓型SPD并聯(lián)連接。先測量總通流和殘壓，再測量流過后級壓敏電阻的通流和殘壓。測量結(jié)果如表2所示。

由表2可知，當(dāng)兩個靜態(tài)參數(shù)相同的限壓型SPD通過5?H的無磁環(huán)電感連接時，兩級的平均分流比為88.3%和11.7%。比較圖3和圖4可知，無論是分流比還是各級通流的上升趨勢都與5 m導(dǎo)線連接時的情況基本接近，這說明，用同等值的無磁環(huán)電感代替5 m導(dǎo)線來實現(xiàn)兩級限壓型SPD之間的能量配合是合理的。

2.4 用5 m導(dǎo)線等值的5?H帶磁環(huán)電感作為退耦元件

利用磁導(dǎo)率為5000 H/m的磁環(huán)制作退耦電感，如圖1連接方式將，將靜態(tài)參數(shù)相同的兩個限壓型SPD并聯(lián)連接。先測量總通流和殘壓，再測量流過后級壓敏電阻的通流和殘壓。測量結(jié)果如表3所示。

通過表3可知，當(dāng)兩限壓型SPD之間并聯(lián)5?H的帶磁環(huán)電感時，兩級之間分流比平均值為76.7%和22.3%。這說明，在實際的電路中，雖然這種情況下前級SPD的主要作用仍然是泄放大的雷電流，后級除了泄放小部分雷電流之外也還能夠箝壓，但其配合的效果與5 m導(dǎo)線作為退耦電感時差別較大。這是因為，當(dāng)大電流通過帶磁環(huán)電感時出現(xiàn)了磁飽和現(xiàn)象，使電感的值減小。這個并聯(lián)電路的電壓計算情況

（3）

其中Ures1和Ures2分別是前級和后級壓敏電阻上的殘壓值，出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象后，使得電感上的壓降減小，從而使Ures2增大，進(jìn)而使后級SPD上的電流變大，這與電路理論的分析基本一致。因此，我們在用帶磁環(huán)電感作為退耦元件時應(yīng)考慮到其可能出現(xiàn)的磁飽和現(xiàn)象[13-15]。

3 結(jié)語

（1）采用5 m導(dǎo)線或5?H無磁環(huán)電感作為退耦元件時，第一級壓敏電阻與第二級壓敏電阻之間的分流比均為9∶1左右，這說明在實際電路中，第一級壓敏電阻主要作用是泄放大電流，釋放90%以上的能量，而第二級壓敏電阻除了泄放少部分雷電流之外，主要起到限制殘壓的作用，很好的達(dá)到了能量配合的效果。

（2）實驗表明：在選擇帶有磁環(huán)的電感作為退耦元件時，由于磁飽和現(xiàn)象，使得第二級壓敏電阻的分得的電流明顯增大，殘壓也隨之升高。為了避免這種現(xiàn)象，在實際設(shè)計中應(yīng)適當(dāng)增大退耦元件電感值。

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