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电涌保护器选择,应用和理论(第三篇篇)
2018-11-10
瞬态过电压通常由闪电和/或电切换事件引起。短暂的过电压可以通过闪电或通过电气开关事件(如电阻,电感或电容耦合)产生。大约35%的瞬态来自设施外部闪电,公用电网开关,在公用事业线上切换大电容器组,电气事故或重型电动机或附近工业的负荷。剩下的65%是在里面产生的我们的家庭和设施来自微波炉,激光打印机等未经预料的来源打开或关闭复印机,电动机,电器,榻榻米升降台,甚至灯。
3.1闪电
闪电活动可能导致主电源和数据的瞬态过电压通讯,信号或电话线。据称雷电放电的电流高达50万安培(A)在目前的防雷标准中,200 kA是可接受的上限。是闪电在没有结构防雷方案的情况下击中建筑物,这条电流将寻求通往穿过建筑物及其织物的地球 - 以不稳定和不可预测的方式。这座建筑是可能会被损坏,甚至可能着火。虽然会发生瞬态过电压,但这可能会发生只是建筑物及其内容受到严重破坏的一个方面。然而,如果闪电照射到具有结构防雷保护的建筑物上,则闪电将移动到地球以预定的方式。
闪电可能导致瞬态过电压
•直接打击传入的电力服务
•“间接”罢工,通过电阻,电感和电阻耦合到电气服务中电容效应。
3.1.1。直接打击
直接攻击高压(HV)电力电缆。对高压架空电力线的攻击是相当普遍。人们通常认为高压到低压变压器的作用消除了由此产生的瞬态过电压。事实并非如此。虽然变压器可防止瞬态线与地之间的过电压,线间瞬态通过无衰减。当高压线被雷击时,它们会闪回地面。一条线路将闪现之前其他人,将线路瞬态转换为线路和线路之间的线路 - 这些很容易通过通过变压器。此外,变压器绕组之间的电容在任何组合之间提供瞬变通过变压器的高频路径的导体。这可能会产生影响增加现有线到线瞬态的大小,以及提供通过线路的路径线对地瞬变变压器。

直接打击低压(LV)电源线或电话线。当闪电击中LV时架空电力电缆或电话线,大部分电流由于线路传播到地球闪过地面。发射相对较小(但破坏性)的雷电流部分沿着电缆或线路到电子设备。

3.1.2间接打击
3.1.2.1电阻耦合
电阻耦合是瞬态过电压的最常见原因,它会影响两者地下和架空线。当雷击升高时,会发生电阻耦合瞬变一组电气互连建筑物中的一个或多个的电势(或结构)。电互连的常见例子是
•从变电站到建筑物的供电
•建设电力供应
•从建筑物到外部闪电,闭路电视或安全设备的电源
•从交易所到大楼的电话线
•建设电话线之间
•建立LAN或数据通信线路之间
•从建筑物到外部或基于现场的传感器的信号线或电源线
图12显示了两座建筑物。每个都包含连接到地球的电子设备通过其主电源供电。数据通信线连接两个设备因而是两个不同的地球。

附近的雷击将向地面注入大量电流。电流从中流走攻击点 - 优先通过阻力最小的路径。接地电极,电气电缆和电子设备的电路(一旦损坏),都是比导线更好的导体泥。随着当前试图流动,整个过程中出现了破坏性的瞬态过电压设备的敏感部件。
当分开的接地结构仅相隔数米时,可能发生电阻耦合瞬变。电阻耦合将影响地下和架空电缆。注意:数据通信信号和电话线(“闪电障碍”)的SPD安装在线路中(即系列)。这在线路中引入了一个小阻抗,在线路上引入了一个电容。用于双绞线信令低于1 MHz,这通常不会造成任何问题。但是,在较高频率下这个阻抗和电容会引起问题。这些系统的保护器需要专门设计,以降低线路电容和电流阻抗。对于阻抗匹配系统(例如同轴有线计算机网络,例如以太网),它是必不可少的保护器阻抗匹配,以避免反射。

3.1.2.2电感耦合
电感耦合是雷电和电缆之间的磁场变压器效应。雷电放电是一种巨大的电流,每当电流流过时,就会产生电磁字段围绕它创建。 如果电源或数据电缆通过该磁场,则为电压将被捡起或诱导到它上面。

3.1.2.3电容耦合
如果长线与地球隔离良好(例如通过变压器或光隔离器),它们就可以通过它们之间的电容和充电的雷电云拉高电压。如果电压在线上升超过每端器件的击穿强度(例如光隔离器)他们会被损坏。
3.2通过电气切换事件
由电气开关事件引起的瞬态过电压是非常常见的并且可以是源相当大的干扰。流过导体的电流产生磁场能量储存。当电流中断或关闭时,磁场中的能量突然被释放了。为了消散自身,它变成高压瞬态。更多储存的能量,产生的瞬态越大。更高的电流和更长的导体,两者都有助于储存更多能量并随后释放。这就是电感负载的原因电动机,变压器和电气驱动器都是开关瞬态的常见原因
3.3通过瞬态过电压
几乎所有的电子元件和电路都以同样的方式遭受瞬态过电压损坏。工作中有两种主要的物理机制,即过热和绝缘失效 - 两者都是有效的随后的动力跟进会更糟糕。让我们考虑一个由电阻线圈制成的简单电阻器。在瞬态活动期间流过电线的电流会导致降解。多一点热量和电线会蒸发 - 破坏组件。像这样的热失效在印刷的保险丝中很常见电路板轨道,正向偏置半导体结等。除了加热之外,电流还会在电线上产生电压。如果电压差变得足够高,以刺穿电线绝缘并破坏气隙,发生闪络。这种形式的故障在反向偏置半导体结中很常见,电容器,变压器,电动机绕组等。
例如,考虑变压器绕组和接地层压。如果瞬态电压很小在绕组和地之间存在,没有电流流动且不发生加热。但是,如果一个存在较大的瞬态电压,发生闪络或绝缘击穿,以及瞬态电流流经变压器,引起加热,燃烧和电弧放电。在一个小的情况下变压器在活动结束后能够继续运作。下一个瞬态会发现它更容易闪过现在降级的绝缘层。然后这个过程可能会继续,直到发生灾难性的短暂发生电路故障。在严重的情况下,第一个瞬态将是终端!当跨电源连接的组件发生故障时,大部分物理损坏(炭化,燃烧或爆炸)是后续电流的结果。这发生在电源时电流沿着瞬态过电压产生的损坏路径向下流动。应注意,集成电路是组件和互连的集合。它们的互连行为类似于PCB轨道,其组件包括正向偏置或反向偏置结,电阻器和电容器。第三种形式的故障不是由于物理机制,而是系统的错误操作由瞬变引起的。在电源和电源转换设备中,有两个半导体设备通常串联连接在电源上以形成电桥臂。这两个设备绝不能同时进行。然而,瞬态过电压可能导致它们触发错误的时间,供应短路,带来毁灭性后果。
3.4瞬态过电压引起的问题
无论是由闪电还是电气开关引起的瞬态过电压都具有类似的效果:破坏,退化,损坏和停机。
3.4.1中断
虽然没有造成物理损坏,但系统的逻辑或模拟电平会受到干扰
•数据丢失
•数据和软件损坏
•无法解释的计算机崩溃
•锁定
•剩余电流设备(RCD)不必要的跳闸
系统可以复位(通常只需关闭和打开),然后就可以正常工作。许多
这种滋扰可能没有报道。
3.4.2降解
这有点严重。长期暴露于较低水平的瞬态过电压将会,用户不知道,降低电子元件和电路,减少设备预期寿命和增加失败的可能性。

3.4.3损坏
大的瞬态过电压可能会损坏组件,电路板和I / O卡。严重瞬态过电压可以通过烧坏的电路板在物理上表现出来,但是,通常损害不那么引人注目(见图15)。二氧化硅可能发生类似的降解集成电路(或微芯片)中的绝缘。只有在最严重的情况下,我们才能看到破裂的病例,炭化和火。实际上,这种更为壮观的损害大部分是由于动力跟进造成的而不是短暂的。当瞬态过电压导致短路故障时,这可以为电源创建路径供应。考虑在主电源上连接到线路和中性线的组件,在下面失效瞬态导致的短路情况。此时没有任何外在的损坏迹象。电流流入短路并持续直到保护装置运行或者组件失败,有时非常惊人。这也解释了为什么通常很难说多大瞬态过电压是通过观察它造成的损害来实现的。
3.4.4停机时间
不必要的中断,组件退化和损坏都会导致设备和系统停机时间,这意味着
•工作人员无法工作
•员工加班
•高级管理人员和技术专家不必要地解决问题
•可能导致的数据丢失
•生产力下降
•延迟客户
•业务损失
示例1 - 切换瞬态
一家工程公司在网络计算机辅助设计(CAD)系统上投入了大量资金。然而,系统的许多优点都被它常常出现的问题所掩盖遭遇。系统会意外崩溃,有时数小时或工作丢失或损坏电路故障似乎几乎是每月一次。起初,这些被认为是公正的'出牙问题'。但随着时间的推移,设计工作进一步落后于进度,关系随着系统的供应商变得越来越困难。只有当其中一个工程团队阅读时专业期刊中的一篇文章,他们是否意识到问题可能不是系统,而是问题环境。他们很快发现系统的失败与大型操作同时发生绘图复印机。该设备的操作导致出现瞬态切换CAD系统的主电源。
例2 - 对研究中心的雷击
对研究园区的雷击产生了广泛的影响。 PBX电话交换机是几乎完全无法操作,80%的外部电话线被取出佣金。损坏的模式清楚地表明在进入时引起的瞬态过电压电话线。在其他地方,管理区域的计算机设备遭到严重破坏,最接近击球点的。该设备与邻近的设备联网收发器,中继器和一些终端受损的建筑物 - 表示电阻性耦合瞬态过电压。
例3 - 对办公大楼的雷击
当闪电击中办公大楼时,其防雷保护器保证了闪电电流安全地运到地面 - 不会损坏建筑物或其居住者。然而,在建筑物内的主电源上感应出相当大的瞬态过电压。大楼管理系统,UPS,门禁系统等都遭受了严重损坏电话交换机,以及大量的电脑终端。在随后的几个月里,那里在最初的事件中,显然未损坏的设备出现了多次故障 - 表明组件已发生降解。

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