趙喜軍 鄒偉華 王小進(jìn)
(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司七一二研究所,武漢 430064)
繼電保護(hù)產(chǎn)品防雷設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是浪涌電壓抑制和雷電電磁輻射干擾的防護(hù)。浪涌電壓主要有兩種破壞形式:一是沿(各種)線路侵入電子設(shè)備;二是地電位升高和地電位不均,進(jìn)而由地電位不均形成地電位反擊。本文著重介紹和分析在雷擊發(fā)生時(shí)接地裝置的電位升高的成因及其帶來(lái)的電壓反擊的機(jī)理以及對(duì)地電位反擊的防護(hù)。
在雷擊發(fā)生前,接閃器、引下線和整個(gè)接地裝置都處于與大地相同的零電位,這時(shí)在它們之間不存在電壓分布不均的問(wèn)題。而在接閃后,當(dāng)雷電流流過(guò)引下線和整個(gè)接地裝置的時(shí)候,由于雷電流是一個(gè)頻率很高的脈沖電流波,由它產(chǎn)生的雷電過(guò)電壓也是一個(gè)高頻脈動(dòng)電壓波,因?yàn)榉植紖?shù)的影響,雷電流在接地裝置各部分造成的電壓降是不相等的,于是在接地裝置各部分之間就存在電壓分布不均,從而產(chǎn)生雷電沖擊電壓。
研究雷電沖擊電位(壓)升高之前應(yīng)明確了解遠(yuǎn)處接地裝置和本地接地裝置兩者的區(qū)別,即“遠(yuǎn)地”與“本地”的區(qū)別。在沒(méi)有雷電活動(dòng)的時(shí)候,兩個(gè)地的電位都一樣,都處于零電位,沒(méi)有電位差。而當(dāng)“本地”接地裝置泄放雷電流時(shí)它們的區(qū)別就顯現(xiàn)出來(lái)了。雷電流會(huì)在“本地”接地裝置上產(chǎn)生電壓降。而就“本地”接地裝置上相對(duì)于“遠(yuǎn)地”而言具有的高電位。即 “本地”相對(duì)于“遠(yuǎn)地”的零電位有了電位的升高。
從遠(yuǎn)處引入建筑物的電源線、通信線和其它線路,它們連接在遠(yuǎn)處的地上,其自身的工作電壓就是以“遠(yuǎn)地”電位為參考點(diǎn)的電壓。因此它們?cè)谝齺?lái)工作電壓的同時(shí)也引來(lái)了遠(yuǎn)處大地的參考零電位。在雷擊發(fā)生之前,“本地”接地裝置被認(rèn)為是處于零電位,比那些外引導(dǎo)線和設(shè)備的工作電位都低。而在雷擊發(fā)生的短時(shí)間內(nèi),在“本地”接地裝置上產(chǎn)生的這個(gè)瞬間電壓升高就成為一個(gè)相對(duì)于外引導(dǎo)線和設(shè)備的真實(shí)的電壓升高了。一旦在這個(gè)電壓下發(fā)生電擊,其方向就是從“本地”接地裝置擊向這些外引導(dǎo)線和設(shè)備,所以稱為反擊。認(rèn)識(shí)它的本質(zhì)對(duì)于防護(hù)它的危害具有十分重要的意義。
電力系統(tǒng)的輸電線路在正常運(yùn)行情況下三相線路是帶有額定高電壓的,而架空地線和桿塔是接地的,處于零電位。當(dāng)雷擊桿塔頂或架空地線時(shí),雷電流通過(guò)桿塔接地電阻向大地泄放。由于桿塔或接地引下線具有電感和電阻,桿塔的接地裝置也有電感和電阻,雷電流在這些接地電阻和電感上將產(chǎn)生很高的過(guò)電壓。 這個(gè)過(guò)電壓是出現(xiàn)在桿塔頂端懸掛或安裝絕緣子的地方。它高出線路對(duì)地電壓數(shù)倍。這時(shí),線路導(dǎo)線上的(輸電)電壓相對(duì)于雷電沖擊電壓是低電壓了,原本接地而現(xiàn)在卻處于高電壓的桿塔將向線路導(dǎo)線發(fā)生反擊和閃絡(luò)放電。
當(dāng)通過(guò)引下線或避雷針?biāo)狗爬纂娏鲿r(shí),沿引下線或避雷針?biāo)?huì)有電壓降。若與引下線或避雷針?biāo)R近的設(shè)備之間的空氣間隙不足以承受此電壓降時(shí),則會(huì)出現(xiàn)擊穿放電,稱為旁側(cè)閃擊,將危及鄰近的設(shè)備。 為了防止旁側(cè)閃擊的發(fā)生,其它設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu),包括其它接地裝置和構(gòu)架,必須與防雷引下線或獨(dú)立避雷針?biāo)乃芙Y(jié)構(gòu)保持一個(gè)間隙距離。由于雷電沖擊放電電壓與很多因素有關(guān),如電壓的波形、作為電極的構(gòu)架的結(jié)構(gòu)形式、電壓的極性以及大氣環(huán)境條件等,因此,只能對(duì)該間隙進(jìn)行比較粗略的計(jì)算。按電力部門(mén)頒布的規(guī)程,該間隙不得小于5 m。
防雷接地網(wǎng)在泄放雷電流時(shí)會(huì)有電壓升高,此電壓直到無(wú)窮遠(yuǎn)處才衰減為零,即大地零電位。因此在防雷接地網(wǎng)與其它接地系統(tǒng)或接地極之間也會(huì)有電壓升高。防雷接地網(wǎng)與另一設(shè)備的接地點(diǎn)之間的如果相距太近,在它們之間就會(huì)發(fā)生放電和閃絡(luò),從而危及接在這些接地系統(tǒng)上的設(shè)備的安全。為了避免這種放電的發(fā)生,電力系統(tǒng)的防雷規(guī)程要求防雷接地網(wǎng)必須與其它接地體相距一定的地中距離,按電力部門(mén)頒布的規(guī)程,該距離不得小于3 m。
如果不能將防雷接地網(wǎng)與其它接地網(wǎng)分開(kāi)到上述足夠的距離,那就只好將它們聯(lián)接在一起,形成共用接地系統(tǒng)。
各種用電設(shè)備都是要接地的。設(shè)備接地后,它的電位就與接地裝置的電位一起變動(dòng)。在雷電沖擊下,地電位升高,接地設(shè)備的電位也跟著一起升高。在設(shè)備與接地裝置之間本無(wú)電位差,似乎不存在電位反擊的問(wèn)題,可是,設(shè)備不是孤立的,它與外界還有各種聯(lián)系,這些與外界聯(lián)系的線路引來(lái)了遠(yuǎn)地的零電位。于是在設(shè)備與這些外引線路之間將發(fā)生電位反擊。反擊主要發(fā)生在:(1)電源供電線路和相聯(lián)的電源變壓器;(2)引入(出)室內(nèi)設(shè)備的通信、控制、信號(hào)以及數(shù)據(jù)采集等線路和聯(lián)接在這些線路上的接口設(shè)備。
為了提高繼電保護(hù)產(chǎn)品的可靠性和操作人員的安全性,必須對(duì)地電位的反擊采取防護(hù)措施。其方法之一是確保繼電保護(hù)產(chǎn)品和系統(tǒng)良好接地,避免系統(tǒng)地和繼電保護(hù)產(chǎn)品之間形成反擊。第二種防護(hù)方法是在繼電保護(hù)產(chǎn)品的關(guān)鍵部位如電源入口和通訊接口采用電壓瞬變和浪涌的防護(hù)器件,使反擊電壓迅速被旁路,從而使進(jìn)入繼電保護(hù)產(chǎn)品中的反擊電壓幅度大大降低。
瞬變電壓抑制二極管(TVS):TVS器件在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下,在承受到高能量的瞬時(shí)過(guò)壓脈沖時(shí),其工作阻抗能立即降至很低以允許大電流通過(guò),并將電壓箝制在預(yù)定水平,從而有效地保護(hù)電子產(chǎn)品中的精密元器件免受損壞[3]。雙向TVS可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率,并把電壓箝制在預(yù)定水平,雙向TVS適用于交流電路。TVS的最大優(yōu)點(diǎn)是箝位系數(shù)小,所謂箝位系數(shù)是指 TVS上流過(guò)的電流在最大時(shí)的端電壓與流過(guò)的電流為最小時(shí)的端電壓的比值。箝位系數(shù)越小,抑制瞬變電壓的效果越好。TVS器件的其它優(yōu)點(diǎn)是體積小、響應(yīng)速度快(小于1 ns),每次經(jīng)受瞬變電壓后其性能不會(huì)下降和可靠性高等。缺點(diǎn)是電容大、耐電流量小。
氣體放電管:它的優(yōu)點(diǎn)是耐電流量大和靜電容量小,缺點(diǎn)是點(diǎn)火電壓高,在直流電壓下不能恢復(fù)到截止?fàn)顟B(tài),因而不能用于防護(hù)低電壓電路,經(jīng)多次電壓瞬變和浪涌后其性能會(huì)下降。采用氣體放電管進(jìn)行保護(hù)時(shí),一定要將放電管安裝在被保護(hù)器件的引入端,將其上端接在線路的入口處。氣體放電管的伏秒特性與被保護(hù)設(shè)備的伏秒特性也要正確配合,也就是要根據(jù)線路的特點(diǎn)來(lái)選擇氣體放電管,其放電電壓一定要小于被保護(hù)設(shè)備的電壓,即放電管的沖擊擊穿電壓,在任何時(shí)候都要比被保護(hù)設(shè)備的沖擊放電電壓低,這樣才能有效地保護(hù)電子設(shè)備。
金屬氧化物壓敏電阻:如ZnO壓敏電阻,它是以氧化鋅為主要原料制造的半導(dǎo)體陶瓷元件,利用ZnO電壓的非線性來(lái)吸收瞬變電壓和浪涌。這種壓敏電阻器件的電壓范圍很寬,可從幾伏到幾千伏,吸收浪涌電流可從幾十到幾千安培,它反應(yīng)速度快、非線性指數(shù)大、無(wú)極性、無(wú)續(xù)流、壽命長(zhǎng)、成本低。缺點(diǎn)是箝位系數(shù)小,呈負(fù)溫度系數(shù),經(jīng)多次電壓瞬變和浪涌后其性能會(huì)下降,因而不適用IC,且使用溫度范圍低,不能采用氣密性封裝,其可靠性也不高等。一般地說(shuō),壓敏電阻器常常與被保護(hù)器件或裝置并聯(lián)使用,在正常情況下,壓敏電阻器兩端的直流或交流電壓應(yīng)低于標(biāo)稱電壓,即使在電源波動(dòng)情況最壞時(shí),也不應(yīng)高于額定值中選擇的最大連續(xù)工作電壓,該最大連續(xù)工作電壓值所對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱電壓值即為選用值。
繼電保護(hù)產(chǎn)品對(duì)外的端口主要有五類:電源端口、開(kāi)入量端口、開(kāi)出量端口、模擬量端口和通訊端口[4]。但易于以“遠(yuǎn)地”為參考的端口只有電源和通訊,因此這兩個(gè)端口的防雷設(shè)計(jì)特別是防止電壓反擊的問(wèn)題就尤為突出。
電源端口的防雷設(shè)計(jì),主要是在輸入之間和輸入對(duì)地之間并聯(lián)壓敏電阻、TVS管或氣體放電管,或幾種器件的組合,來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的配合和保護(hù)特性。對(duì)于通訊口除了正常的光耦或網(wǎng)絡(luò)變壓器的隔離外,對(duì)RS232/485、CAN等通訊,還應(yīng)該在兩根通訊線間及每根通訊線對(duì)地之間安裝瞬態(tài)電壓抑制器件,以防止地電位反擊造成損壞[5]。
(1)對(duì)防雷設(shè)計(jì)中的“地”,要有正確的認(rèn)識(shí)。當(dāng)沒(méi)有雷電流從接地裝置流過(guò)時(shí),“地”是處于零電位的。而當(dāng)有雷電流流過(guò)時(shí),“地”的電位就不是零電位了,而將會(huì)有電壓升高,并出現(xiàn)電壓不均。
(2)在做防雷設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)將“地”區(qū)分為“本地”和“遠(yuǎn)地”?!斑h(yuǎn)地”即是我們選做零電位的參考地,也是從外界引入的電源線、信號(hào)線和其它導(dǎo)線的地。它的電位是不變的零電位。而“本地”的電位將因雷電流的流過(guò)而升高。
(3)“本地”電位因雷電流的流過(guò)升高后,所有聯(lián)接在它上面的設(shè)備的電位將隨著“本地”電位的升高而同時(shí)升高。因此,雖然“本地”相對(duì)于參考零電位有很大的電壓升高,但這個(gè)電壓升高對(duì)于正確聯(lián)接到它上面的設(shè)備不會(huì)造成危害。
(4)“本地”電位因雷電流的流過(guò)升高后,將會(huì)對(duì)聯(lián)接到“遠(yuǎn)地”的所有設(shè)備和線路造成電壓反擊。這個(gè)電壓反擊將對(duì)這些設(shè)備和線路造成嚴(yán)重的危害。
[1]中華人民共和國(guó)電力工業(yè)部. DL/T621-1997. 交流電氣裝置的接地.
[2]中華人民共和國(guó)建設(shè)部 GB50057建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范.
[3]白同云,呂曉德。電磁兼容設(shè)計(jì)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2001.
[4]程利軍等.微機(jī)保護(hù)抗電快速瞬變脈沖群干擾研究.第8屆全國(guó)繼電保護(hù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.北京:中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì),2001.
[5]張三慶.電快速瞬變脈沖群和浪涌干擾機(jī)理與抑制技術(shù)研究.北京:華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文,2003.