空氣開(kāi)關(guān)間隙型和壓敏電阻型浪涌保護(hù)器之間的配合介紹！

2022-07-27 · 閱讀598

之前，我們講過(guò)了2種壓敏型浪涌保護(hù)器之間的配合規(guī)則和原則，可以查看：http://www.youliou.cn/knowledge/0725481.html。

因?yàn)楝F(xiàn)在一級(jí)浪涌保護(hù)器多為開(kāi)關(guān)間隙型，二級(jí)多為壓敏型。

今天，再給大家介紹一下空氣間隙型和壓敏電阻型浪涌保護(hù)器之間的配合原則！

1、概述

目前配電系統(tǒng)最常見(jiàn)的配置是一級(jí)浪涌保護(hù)器用開(kāi)關(guān)間隙型，二級(jí)浪涌用壓敏限壓型，見(jiàn)圖F.3。當(dāng)在SPD2過(guò)載之前，就發(fā)生火花放電,這樣的情況下就完成配合了。

在火花放電前,有U1=Ures2(i)+L*di/dt ，通常，當(dāng)Ures2(i)的值未知，公式給出一個(gè)保守的結(jié)論：U1=Uref2(i)+L*di/dt。

Uref2是ZnO壓敏電阻2的參考電壓,參考電壓是電阻片的特性參數(shù),它非常接近U-I特性曲線的拐點(diǎn)電壓。

只要U1超過(guò)間隙動(dòng)態(tài)放電電壓(Udyn )時(shí),配合便完成了,并且只有很小一部分電流流經(jīng)第二個(gè)SPD浪涌保護(hù)器。這取決于ZnO壓敏電阻浪涌保護(hù)器(SPD2)的特性、間隙開(kāi)關(guān)型浪涌保護(hù)器(SPD1)的動(dòng)態(tài)放電電壓、侵人電涌的上升率和幅值、i及浪涌保護(hù)器之間的距離d (電感L、阻抗Z的阻性分量R可忽略)。

2、開(kāi)關(guān)間隙型和壓敏電阻型浪涌保護(hù)器之間的去耦電感估算值計(jì)算示例

如一個(gè)現(xiàn)代蜂窩式通訊基站，由于內(nèi)部物理空間的限制，其后方浪涌保護(hù)器的MOV可將瞬態(tài)電壓降到遠(yuǎn)低于前方SPD浪涌保護(hù)器的間隙的觸發(fā)電壓，這將阻止間隙動(dòng)作，并允許所有故障能量到達(dá)浪涌保護(hù)器的MOV。在較大的空間里，浪涌保護(hù)器之間的電纜距離要長(zhǎng)一些,這樣可提供足夠大的電感而使間隙放電。

總是存在這樣的可能性：侵人的瞬態(tài)電涌可通過(guò)并聯(lián)回路進(jìn)行疏散，使得電壓降低到不足以使間隙放電的程度。這時(shí)，下游的SPD應(yīng)具有足夠的額定通流能力，獨(dú)自吸收所有能量。

當(dāng)有很高的能量時(shí)，間隙不動(dòng)作將使過(guò)高的能量到達(dá)下游的的浪涌保護(hù)器，并將使之破壞。級(jí)間配合可通過(guò)兩者之間足夠的串聯(lián)去耦電感來(lái)保證在超過(guò)下游SPD浪涌保護(hù)器所承受能量范圍之上的所有過(guò)電壓能量下間隙能夠動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

要求確保配合的電感值可經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算得到。首先，要知道間隙的參數(shù)，火花間隙典型的放電電壓低于4kV,時(shí)間在200ns以內(nèi)。

其次，下游的浪涌保護(hù)器參數(shù)應(yīng)知道，一個(gè)交流275V的典型部件，大約430V開(kāi)始限制電壓，在8/20的II類試驗(yàn)時(shí)，In為5kA。

然而應(yīng)該知道，間隙是按I類試驗(yàn)，采用10/350波或等效長(zhǎng)尾波。下游浪涌保護(hù)器的峰值電流必須降格至能承受這類脈沖帶來(lái)的額外能量。降格因數(shù)假設(shè)為4：1，因此，峰值電流額定值將從5kA降至
1.25kA，10μs上升時(shí)間將產(chǎn)生125A/μs的di/dt。

確保間隙的可靠動(dòng)作的電感值可以用如下公式計(jì)算:

U=L*di/dt+I*R

式中:

U——火 花間隙放電電壓;
di/dt——脈沖的上升率;
I*R——下游SPD的電壓降(注意R是非線性值)。

由上式可得出L=U-I*R/(di/dt)

假定間隙在200ns內(nèi)放電,通過(guò)后方的SPD的電流為:
I =0.2/10*1250 A=25 A
電壓I*R在600V時(shí):
L=4000-600/125*10-6
或
L=27.2 μH

通過(guò)這個(gè)示例,可以獲得設(shè)計(jì)這種配合的一般條件。

3、結(jié)論

若選擇帶間隙的浪涌保護(hù)器SPD1,則SPD2必須滿足以下要求。

——與I類試驗(yàn)波形有關(guān)的侵人電涌:

Udyn<Uref2+L* Ipeak2/10。

——與II類試驗(yàn)波有關(guān)的侵人電涌:

Uydn<Uref2+L*Ipeak2/8

這些規(guī)則給出一個(gè)的結(jié)果偏于保守。當(dāng)必須采用一個(gè)較小值的L時(shí),需用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)檢查配合是否實(shí)現(xiàn)。

注:其他情況可給出更嚴(yán)格的結(jié)果。尤其是用正待考慮的長(zhǎng)波,1EC/TC 81目前正在研究更長(zhǎng)的波前時(shí)間:100 μs。

4、分析研究：兩個(gè) SPD的常規(guī)配合

通過(guò)對(duì)兩個(gè)ZnO壓敏電阻浪涌保護(hù)器或間隙和ZnO壓敏電阻的研究，證明了配合問(wèn)題的復(fù)雜性。考慮到u-i曲線不易獲知，而實(shí)際中存在較大偏差，分析研究?jī)H采用簡(jiǎn)單的示例。

當(dāng)通過(guò)第二個(gè)浪涌保護(hù)器的能量必須考慮時(shí)，進(jìn)行模擬是更容易的。上述分析方法的主要目的在于讓用戶更好地理解這一現(xiàn)象。無(wú)論SPD浪涌保護(hù)器技術(shù)如何，上述所給出的一般性規(guī)則尤其是6.2.6中所述能量判據(jù)仍可利用。

為達(dá)到一個(gè)可接受的配合，通常要求制造廠或用戶進(jìn)行模擬或試驗(yàn)，或使用下述簡(jiǎn)化的方法。有可能在設(shè)備中安裝了一個(gè)特性未知的SPD。因?yàn)樵O(shè)備在其壽命內(nèi)可變化，應(yīng)該注意在缺少配合時(shí)該浪涌保護(hù)器不會(huì)過(guò)載。

5、能力通過(guò)方法

①簡(jiǎn)述

如GB/T21714.4-2008所述，標(biāo)準(zhǔn)沖擊參數(shù)的配合是選擇和配合SPD的過(guò)程，這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是可把SPD看成是一個(gè)黑箱(見(jiàn)圖F.4)。這里，對(duì)于在輸入端口給定的電涌，不但開(kāi)路電壓，而且輸出電流(例如進(jìn)入短路)均可確定(“允許能量通過(guò)"原則)。輸出特性轉(zhuǎn)化成等值“20-復(fù)合波”電應(yīng)力(開(kāi)路電壓1.2/50，短路電流8/20)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)SPD浪涌保護(hù)器的內(nèi)部設(shè)計(jì)不必具備專門的知識(shí)。

配合方法的目的是將SPD2的輸人值(如放電電流和SPD1的輸出值(如保護(hù)電壓水平)進(jìn)行比較。

對(duì)于分級(jí)保護(hù)，必須考慮能夠通過(guò)下級(jí)浪涌保護(hù)器放電(而沒(méi)有損壞)的等效輸人綜合沖擊應(yīng)等于或高于前級(jí)浪涌保護(hù)器的等效輸出綜合沖擊。

為了可靠的配合，等效綜合沖擊應(yīng)由最壞情況決定(Imax、Umax、允許通過(guò)能量)。

設(shè)計(jì)去耦合元件的最嚴(yán)情況是短路回路，但對(duì)于配合的目的而言，是太嚴(yán)酷了。比較實(shí)際的作法是在其中引人一個(gè)“負(fù)載側(cè)電壓"(以下稱為“反電壓”)。

火花間隙下游的浪涌保護(hù)器通常包含ZnO壓敏電阻，這樣的浪涌保護(hù)器殘壓在任何情況下都比一個(gè)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的峰值要高(例如，在一個(gè)交流系統(tǒng)中標(biāo)稱電壓為240V，其峰值電壓為√2*240=340V，低于安裝的浪涌保護(hù)器的參考電壓)。

這個(gè)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的峰值相應(yīng)于SPD的最小殘壓，因此系統(tǒng)標(biāo)稱電壓峰值可看成最小的反電壓。用短路代替一個(gè)假設(shè)的反電壓，會(huì)導(dǎo)致選出的去耦合元件尺寸過(guò)大。

注1:在SPD1的特性與SPD2的特性差別很大時(shí)，這種方法可提供較理想的結(jié)果。當(dāng)SPD1的特性與SPD2的特性差別很大時(shí)，以致于在SPD2上的電涌狀態(tài)是類似侵入電流狀態(tài)。例如在一個(gè)火花間隙和MOV配合時(shí)，即滿足上述狀態(tài)。

注2:使用該方法的限制條件如下：

——為了確保得到一個(gè)保守的結(jié)果，在這個(gè)方法中去耦合元件應(yīng)作為第二個(gè)浪涌保護(hù)器的一部分；

——為了確保得到一個(gè)保守的結(jié)果，當(dāng)次級(jí)浪涌保護(hù)器包括一個(gè)開(kāi)關(guān)元件時(shí)，反電壓取為0；

——由于該方法無(wú)法真實(shí)確切地模擬開(kāi)關(guān)元件，當(dāng)?shù)诙€(gè)浪涌保護(hù)器包括一個(gè)開(kāi)關(guān)元件時(shí)，有可能結(jié)果偏低；在這種情況下，應(yīng)謹(jǐn)慎使用這種方法；

——侵人到裝置入口的電涌的波形，必須把電流波和電壓波看成是同樣波形(10/350或8/20)，電涌電流的幅值通常是可知的，而電涌電壓幅值的大小取決于系統(tǒng)的波阻抗；

——研究必須考慮SPD浪涌保護(hù)器特性曲線的公差。

②方法

下面討論的方法可給出兩個(gè)浪涌保護(hù)器之間去耦合元件(阻抗)的保守值。這意味著，如果這樣的阻抗裝在兩個(gè)浪涌保護(hù)器之間，配合將比計(jì)算預(yù)期的要好。

方法：基礎(chǔ)的方法是把每個(gè)SPD浪涌保護(hù)器的輸出表示為一個(gè)等值的復(fù)合波發(fā)生器，由空載電壓Uoc 1.2/50 和一個(gè)短路電流Isc  8/20決定,發(fā)生器的阻抗為2Ω(Uoc=2*Isc)。

根據(jù)Ⅲ類試驗(yàn)的SPD試驗(yàn)，已由這樣一個(gè)CWG(復(fù)合波發(fā)生器)測(cè)試。對(duì)于II類試驗(yàn)的SPD的試驗(yàn),有必要認(rèn)為Isc=Imax。

就直擊雷而言，上一級(jí)的SPD可根據(jù)I類試驗(yàn)測(cè)試,或根據(jù)II類試驗(yàn)測(cè)試。每個(gè)SPD的輸出電壓,通常會(huì)有一個(gè)波形,該波形與1.2/50及8/20的波形沒(méi)有直接關(guān)系。有必要規(guī)范實(shí)際波形以便轉(zhuǎn)變?yōu)?.2/50 和8/20波形。

可通過(guò)下列值的計(jì)算來(lái)進(jìn)行:

表F.3中給出了Uoc（CWG）的最大值，與CWG的Uoc等效的值相當(dāng)于SPD的輸出。

一旦下級(jí)的浪涌保護(hù)器用一個(gè)開(kāi)路電壓為Uoc test的CWG按照Ⅲ類試驗(yàn)進(jìn)行了試驗(yàn)，(或在II類試驗(yàn)時(shí)用一個(gè)等效的CWG，就可以立刻說(shuō)配合是否滿意。只要核實(shí)Uemen>Uec CWG就足夠了。

當(dāng)輸人參數(shù)給定時(shí)，浪涌保護(hù)器的輸出值可用模擬軟件來(lái)計(jì)算。不必每次進(jìn)行計(jì)算，由于這些值可由制造廠來(lái)計(jì)算。

對(duì)每一個(gè)產(chǎn)品，對(duì)一個(gè)給定的電應(yīng)力，制造廠可算出等效CWG脈沖的輸出(Iimp對(duì)I類試驗(yàn)或Imax對(duì)Ⅱ類試驗(yàn)或Uoc max對(duì)Ⅲ類試驗(yàn))，同時(shí)應(yīng)注意浪涌保護(hù)器特性曲線的公差和任何盲點(diǎn)(有時(shí)，浪涌保護(hù)器輸出端的最重要的應(yīng)力不是由Iimp、Imax和Uoc max的最大值決定,而是由較低的值決定)。

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