直击雷作用下氧化锌电涌保护器能量配合的研究

2017-10-24陈伟，朱江，杨洋

科技与创新 2017年20期

关键词：浪涌保护器变阻器

陈伟，朱江，杨洋

（江苏省太仓市防雷中心，江苏苏州 215400）

直击雷作用下氧化锌电涌保护器能量配合的研究

陈伟，朱江，杨洋

（江苏省太仓市防雷中心，江苏苏州 215400）

在直击雷作用下多级浪涌保护器能量配合对提高浪涌保护器的保护能力有着重要的作用。通过冲击实验平台，采用了2种方案研究了在直接雷作用下，两级限压型SPD之间不同距离下能量变化的情况。研究发现，当前侧SPD1变阻器电压高于后侧SPD2变阻器电压时，且两级SPD之间通过小浪涌电流和短距离的条件下，两级SPD之间的能量配合不能有效实现；当冲击电流逐渐变大且两级SPD之间距离变大时，两级SPD能够很好地实现对能量的配合。该研究结果对SPD的选型、安装以及SPD的冲击实验均具有一定的科学指导意义。

直击雷；SPD；能量配合；过电压

随着半导体元件技术的高速发展，信息和通信系统的使用正在广泛普及。据通信部门统计，由雷击引起的电缆故障大约占了总故障的30%左右，雷电过电压损失也居水灾、火灾等灾害之首。在实际使用中，如果各级浪涌保护器能量配合存在较大的缺陷，易发生事故。因此，在直击雷作用下，多级浪涌保护器能量配合关系的分析对提高浪涌保护器的保护能力有着重要的作用。

目前，国内外的学者也对这方面的内容进行了研究，李祥超等通过开路电压波（1.2/50 μs、8/20 μs）和组合波（1.2/50 μs、8/20 μs）对多级气体放电管和ZnO压敏电阻并联后进行冲击试验，得出并联后，能加快GDT管放电速度的结论，提出组合器件的匹配方法；张栋主要研究了低压配电系统中SPD保护和配合，研究表明，在SPD配合中，线路电阻对后级SPD的分流具有一定的影响；李祥超等研究了气体放电管与压敏电阻的能量配合，研究表明，气体放电管与压敏电阻级联时，在冲击电压相同的情况下，连接导线越长，压敏电阻的电流分比越小，能量配合效果越好；还有很多学者对不同类型下电涌保护器之间的能量配合进行了研究。为了避免由于直接闪电所引起的浪涌电流对电子设备造成的影响，应充分地协调SPD之间的能量共享，通过SPD的残余电压应处于要保护的电子设备的承受范围内。

SPD之间能量配合与SPD等级、安装位置和安装方法具有密切联系。为了研究SPD系统的保护性能，本文研究了基于直接闪电作用下，两级限压型SPD系统中的剩余电压和能量配合问题。

1 实验设置及理论计算

本试验采用冲击电流发生器ICGS来模拟雷电流，将产生的10/350 μs模拟冲击电流波形，ICGS冲击平台则用于储存和采集模拟的雷电流波形，进行雷电流的频谱分析。在实验中，选择了最广泛使用的用于雷电浪涌保护的限压型SPD。图1为两级级联SPD系统的实验电路，实验电路与横截面积为6 mm2的绝缘电缆连接，并通过具有50 MHz的频率带宽的有源差分电压测量SPD的残余电压，还通过穿透型电流探针测量测试电流。表1为实验方案设置，采用2种方案，改变两级SPD之间的距离，分别对改变前、后进行了测试。

图1 实验示意图

表1 实验方案设置

当直击雷产生的浪涌电流进过前侧SPD时，如果两个SPD之间的距离较短，且雷电流的前陡度较大，前侧SPD可以先开始放电，则前侧SPD的端电压U1等于后侧SPD的端电压U2和由连接两侧SPD引线的电感感应电压降的和，计算公式为：

式（1）中：L为两级SPD之间的水平距离，并且两个并联引线的电感约为0.5～1 μH/m。

当冲击浪涌电压超过前侧SPD1的变阻器电压时，前侧SPD1开始放电，电流流入前侧SPD1。由于进过后侧SPD2的电流被两级SPD之间的引线本身的电感所抑制，因此，能够实现两级SPD之间能量的配合。当最大持续过电压为320 kV时，前侧SPD1所能承受的最大能量值为3 840 J，后侧SPD2能承受的最大能量值为640 J；当最大持续过电压为275 kV时，前侧SPD1所能承受的最大能量值为3 300 J，后侧SPD2能承受的最大能量值为550 J。

2 实验结果

使用浪涌发生器产生10/350 μs的直接雷电流，分别对两级SPD之间不同距离进行了冲击实验。图2为方案1中，前后侧SPD之间不同距离情况下的测试结果。当两个SPD之间的距离为3 m时，后侧SPD开始放电，当雷击电流小于2 kA时，后侧SPD的能量要略大于前侧SPD的能量。在12.5 kA的冲击电流下，后侧SPD的最大共享能量为900 J，该值超过后侧SPD所能承受的能量值。因此，两级SPD之间的能量配合是无效的。然而，当两级SPD间的距离为50 m时，能量集中到前侧SPD上。因此，对于方案1，两级SPD之间的距离对能量配合具有显著性的作用。从图2（a）中还可以看出，随着冲击电流的增大，后侧SPD2能量值的变化幅度相对较小，而前侧SPD1能量值递增幅度较大。

图2 方案1情况下，两级SPD不同距离下能量随冲击电流变化结果

图3 为在方案2中随着冲击电流的增加，前后侧SPD贡献能量的变化情况。从图3中可以看出，当两级SPD之间的距离为3 m，且冲击电流的大小为1 kA时，后侧SPD2的能量值占总能量值的40%；当两级SPD之间的距离为50 m时，随着冲击电流的增加，后侧SPD2共享能量的速率迅速降低。从图3中可以看出，随着冲击电流的增大，后侧SPD2能量值的变化变化幅度相对较小，而前侧SPD1能量值递增幅度较大。

图3 方案2情况下，两级SPD不同距离下能量随冲击电流变化结果

综合图2与图3可以看出，如果前侧SPD1的变阻器电压高于后侧SPD2的变阻器电压时，则在SPD之间的距离短的情况下，后侧SPD2可以先开始放电；如果前侧SPD1的变阻器电压等于后侧SPD2的变阻器电压时，则在SPD之间的距离短的情况下，前侧SPD1可以先开始放电。如果两级SPD之间没有专用退耦元件，则两级SPD能量配合应通过它们的I-V特性曲线来协调实现。当不采用附加的退耦元件时，通过连接两个限压SPD的线路本身所具有的自然阻抗来充当退耦元件的角色。

3 结论

两级限压型SPD系统的保护效率取决于SPD的型号以及安装位置。在没有专用退耦元件的SPD系统中，连接两个SPD的线路本省所具有的自然阻抗对电压限制型SPD之间能量配合具有决定性的作用。本文通过冲击实验平台，研究了在直接雷作用、两级限压型SPD之间不同距离的前提下能量的变化情况。研究得出，如果前侧SPD1变阻器电压高于后侧SPD2变阻器电压，则在两个SPD之间的小浪涌电流和短距离的条件下，两个SPD之间的能量配合不能有效实现；当冲击电流变大且两级SPD之间距离变大时，两级SPD能够很好地实现对能量的配合。

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