空氣開關間隙型和壓敏電阻型浪涌保護器之間的配合介紹！

2022-07-27 · 閱讀509

之前，我們講過了2種壓敏型浪涌保護器之間的配合規則和原則，可以查看：http://www.cmfantasia.cn/knowledge/0725481.html。

因為現在一級浪涌保護器多為開關間隙型，二級多為壓敏型。

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器之間的配合原則！

1、概述

目前配電系統最常見的配置是一級浪涌保護器用開關間隙型，二級浪涌用壓敏限壓型，見圖F.3。當在SPD2過載之前，就發生火花放電,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Ures2(i)的值未知，公式給出一個保守的結論：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,它非常接近U-I特性曲線的拐點電壓。

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

2、開關間隙型和壓敏電阻型浪涌保護器之間的去耦電感估算值計算示例

如一個現代蜂窩式通訊基站，由于內部物理空間的限制，其后方浪涌保護器的MOV可將瞬態電壓降到遠低于前方SPD浪涌保護器的間隙的觸發電壓，這將阻止間隙動作，并允許所有故障能量到達浪涌保護器的MOV。在較大的空間里，浪涌保護器之間的電纜距離要長一些,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：侵人的瞬態電涌可通過并聯回路進行疏散，使得電壓降低到不足以使間隙放電的程度。這時，下游的SPD應具有足夠的額定通流能力，獨自吸收所有能量。

當有很高的能量時，間隙不動作將使過高的能量到達下游的的浪涌保護器，并將使之破壞。級間配合可通過兩者之間足夠的串聯去耦電感來保證在超過下游SPD浪涌保護器所承受能量范圍之上的所有過電壓能量下間隙能夠動作來實現。

要求確保配合的電感值可經過簡單計算得到。首先，要知道間隙的參數，火花間隙典型的放電電壓低于4kV,時間在200ns以內。

其次，下游的浪涌保護器參數應知道，一個交流275V的典型部件，大約430V開始限制電壓，在8/20的II類試驗時，In為5kA。

然而應該知道，間隙是按I類試驗，采用10/350波或等效長尾波。下游浪涌保護器的峰值電流必須降格至能承受這類脈沖帶來的額外能量。降格因數假設為4：1，因此，峰值電流額定值將從5kA降至
1.25kA，10μs上升時間將產生125A/μs的di/dt。

確保間隙的可靠動作的電感值可以用如下公式計算:

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內放電,通過后方的SPD的電流為:
I =0.2/10*1250 A=25 A
電壓I*R在600V時:
L=4000-600/125*10-6
或
L=27.2 μH

通過這個示例,可以獲得設計這種配合的一般條件。

3、結論

若選擇帶間隙的浪涌保護器SPD1,則SPD2必須滿足以下要求。

——與I類試驗波形有關的侵人電涌:

Udyn<Uref2+L* Ipeak2/10。

——與II類試驗波有關的侵人電涌:

Uydn<Uref2+L*Ipeak2/8

這些規則給出一個的結果偏于保守。當必須采用一個較小值的L時,需用計算機模擬來檢查配合是否實現。

注:其他情況可給出更嚴格的結果。尤其是用正待考慮的長波,1EC/TC 81目前正在研究更長的波前時間:100 μs。

4、分析研究：兩個 SPD的常規配合

通過對兩個ZnO壓敏電阻浪涌保護器或間隙和ZnO壓敏電阻的研究，證明了配合問題的復雜性?？紤]到u-i曲線不易獲知，而實際中存在較大偏差，分析研究僅采用簡單的示例。

當通過第二個浪涌保護器的能量必須考慮時，進行模擬是更容易的。上述分析方法的主要目的在于讓用戶更好地理解這一現象。無論SPD浪涌保護器技術如何，上述所給出的一般性規則尤其是6.2.6中所述能量判據仍可利用。

為達到一個可接受的配合，通常要求制造廠或用戶進行模擬或試驗，或使用下述簡化的方法。有可能在設備中安裝了一個特性未知的SPD。因為設備在其壽命內可變化，應該注意在缺少配合時該浪涌保護器不會過載。

5、能力通過方法

①簡述

如GB/T21714.4-2008所述，標準沖擊參數的配合是選擇和配合SPD的過程，這種方法的主要優點是可把SPD看成是一個黑箱(見圖F.4)。這里，對于在輸入端口給定的電涌，不但開路電壓，而且輸出電流(例如進入短路)均可確定(“允許能量通過"原則)。輸出特性轉化成等值“20-復合波”電應力(開路電壓1.2/50，短路電流8/20)，這種方法的優點是對SPD浪涌保護器的內部設計不必具備專門的知識。

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(如保護電壓水平)進行比較。

對于分級保護，必須考慮能夠通過下級浪涌保護器放電(而沒有損壞)的等效輸人綜合沖擊應等于或高于前級浪涌保護器的等效輸出綜合沖擊。

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

設計去耦合元件的最嚴情況是短路回路，但對于配合的目的而言，是太嚴酷了。比較實際的作法是在其中引人一個“負載側電壓"(以下稱為“反電壓”)。

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

這個系統標稱電壓的峰值相應于SPD的最小殘壓，因此系統標稱電壓峰值可看成最小的反電壓。用短路代替一個假設的反電壓，會導致選出的去耦合元件尺寸過大。

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

注2:使用該方法的限制條件如下：

——為了確保得到一個保守的結果，在這個方法中去耦合元件應作為第二個浪涌保護器的一部分；

——為了確保得到一個保守的結果，當次級浪涌保護器包括一個開關元件時，反電壓取為0；

——由于該方法無法真實確切地模擬開關元件，當第二個浪涌保護器包括一個開關元件時，有可能結果偏低；在這種情況下，應謹慎使用這種方法；

——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的波阻抗；

——研究必須考慮SPD浪涌保護器特性曲線的公差。

②方法

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

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

根據Ⅲ類試驗的SPD試驗，已由這樣一個CWG(復合波發生器)測試。對于II類試驗的SPD的試驗,有必要認為Isc=Imax。

就直擊雷而言，上一級的SPD可根據I類試驗測試,或根據II類試驗測試。每個SPD的輸出電壓,通常會有一個波形,該波形與1.2/50及8/20的波形沒有直接關系。有必要規范實際波形以便轉變為1.2/50 和8/20波形。

可通過下列值的計算來進行:

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

一旦下級的浪涌保護器用一個開路電壓為Uoc test的CWG按照Ⅲ類試驗進行了試驗，(或在II類試驗時用一個等效的CWG，就可以立刻說配合是否滿意。只要核實Uemen>Uec CWG就足夠了。

當輸人參數給定時，浪涌保護器的輸出值可用模擬軟件來計算。不必每次進行計算，由于這些值可由制造廠來計算。

對每一個產品，對一個給定的電應力，制造廠可算出等效CWG脈沖的輸出(Iimp對I類試驗或Imax對Ⅱ類試驗或Uoc max對Ⅲ類試驗)，同時應注意浪涌保護器特性曲線的公差和任何盲點(有時，浪涌保護器輸出端的最重要的應力不是由Iimp、Imax和Uoc max的最大值決定,而是由較低的值決定)。

ZVD中為防雷 http://www.cmfantasia.cn/knowledge/0727483.html 。