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1.电涌的基本术语

电涌保护器(SPD) surge protective device
用于限制瞬时过电压和泄放电涌电流的电器,它至少包含一个非线性的元件。
电压开关型SPD voltage switching type SPD
没有电涌时具有高阻抗,有浪涌电压时能立即转变成低阻抗的SPD。电压开关型SPD常用的元件有放电间隙、气体气体放电管、闸流管(硅可控整流器)和三端双向可控硅开关元件。这类SPD有时也称作“短路型SPD”。
电压限制型SPD voltage limiting type SPD
没有电涌时具有高阻抗,但是随着电涌电流和电压的上升,其阻抗将持续地减小的SPD。常用的非线性元件是:压敏电阻和抑制二极管。这类SPD有时也称作“箝位型SPD”。
复合型SPD combination SPD
由电压开关型元件和电压限制型元件组成的SPD。其特性随所加电压的特性可以表现为电压开关型、电压限制型或两者皆有。
保护模式 modes of protection
SPD保护元件可以连接在相对相、相对地、相对中线、中线对地及其组合。这些连接方式称作保护模式。
标称放电电流(In) nominal discharge current
流过SPD具有8/20波形的电流峰值,用于II级试验的SPD分级以及I级、II级试验的SPD预处理试验。
冲击电流(Iimp) impulse current
它由电流峰值Ipeak和电荷量Q确定。其试验应根据动作的试验的程序进行。这是用于I级试验的SPD分类试验。
II级试验的最大放电电流(Imax) maximum discharge current for class II test
流过SPD,具有8/20波形电流的峰值,其值按II级动作负载的程序确定。Imax>In。
最大持续工作电压(Uc) maximum continuous operating voltage
允许持久地施加在SPD上的最大交流电压有效值或直流电压。
续流(If) follow current
冲击放电电流以后,由电源系统流入SPD的电流。续流与持续工作电流Ic有明显区别。
额定负载电流(IL) rated load current
能对SPD保护的输出端连接负载提供的最大持续额定交流电流有效值或直流电流。
电压保护水平(Up) voltage protection level
表征SPD限制接线端子间电压的性能参数,其值可从优先值的列表中选择。该值应大于限制电压的最高值。
残压(Ures) residual voltage
放电电流流过SPD时,在其端子间的电压峰值。
暂态过电压(TOV)特性 temporary overvoltage (TOV) characteristic
SPD承受一个暂态过电压UT至规定持续时间tT时的工作状况。
插入损耗 insertion loss
在给定频率下,连接到给定电源系统的SPD的插入损耗定义为:电源线上紧靠SPD接入点之后,在被试SPD接入前后的电压比,结果用dB表示。
1.2/50冲击电压 1.2/50 voltage impulse
视在波前时间(从峰值的10%上升到90%的时间)为1.2μs,半峰值时间为50μs的冲击电压。
8/20冲击电流 8/20 current impulse
视在波前时间为8μs,半峰值时间为20μs的冲击电流。

2.电涌的来源

电涌可来自电气装置外部,也可来自电气装置内部,主要由以下几方面造成:
雷电

范围:在雷击点数公里范围内
   电压幅值:KV级
   脉冲电流:KA级

工业操作

开关操作造成的过电压
  - 电气线路的开/关(断路器,熔断器,继电器,马达等……)
其他过电压
  - 射频干扰(电子线路……)
  - 谐波(配电系统……)
  - 相/地线故障(IT系统……)
  - 中性点故障

静电ESD
人体等效于100-300pF电容
在化纤地毯上行走=可充电达25-40Kv
接触放电造成的典型的过电压5-15Kv/25ns
对集成电路危害尤其显著
核暴电磁脉冲NEMP

3.防雷器件性能比较

以下为常用防雷元器件性能比较:
火花间隙(Arc chopping)

原理为两个形状象牛角的电极,由绝缘材料分开,彼此间有很短的距离。当两个电极间的电位差达到一定程度时,电荷将穿过两个角型的空间打火放电,由此将过电流释放入地。

优点:放电能力强,通流容量大(可做到100KA以上),漏电流小;
缺点:残压高(2-4KV),反应时间慢(≤100ns),有跟随电流(续流)。

金属氧化物压敏电阻(Metal Oxside Varistor)

该元件在一定温度下,导电性能随电压的增加而急剧增大。它是一种以氧化锌为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻。没有脉冲时呈高阻值状态,一旦响应脉冲电压,立即将电压限制到一定值,其阻抗突变为低值。

优点:通流容量大,残压较低,反应时间较快(≤25ns),无跟随电流(续流);
缺点:漏电流较大,老化速度相对较快。
气体放电管(Gas Discharge Tube)

它是一种陶瓷或玻璃封装的、内充低压惰性气体的短路型保护器件,一般分两电极和三电极两种结构。其基本的工作原理是气体放电。当极间的电场强度超过气体的击穿强度时,就引起间隙放电,从而限制了极间的电压,使与气体放电管并联的其它器件得到保护。

优点:通流量容量大,绝缘电阻高,漏电流小;
缺点:残压较高,反应时间慢(≤100ns),动作电压精度较低,有跟随电流(续流)。

瞬态抑制二极管(Transient Voltage Suppressor)

是一种专门用于抑制过电压的元器件。其核心部分是具有较大截面积的PN结,该PN结工作在雪崩状态时,具有较强的脉冲吸收能力。

优点:残压低,动作精度高,反应时间快(<1ns),无跟随电流(续流);
缺点:耐流能力差,通流容量小,一般只有几百安培。

CITEL公司将各种元件扬长避短,利用自己独特的技术优势,制成了代表着业界最高水平的电涌保护器。

4.无线通信基站电涌保护

无线通信中心 户外机房

基站尤其容易遭到雷电的干扰,这是因为它完全暴露在外(位于高处或旷野),使用敏感设备、必须保证运作的连续性。

有效地保护移动通信基站,需要如下全面的方案:
如果有遭受直击雷的危险,就必须采取防直击雷的保护措施(避雷针);
针对感应雷的影响,采取保护所有接口的措施(电源,电话,数据,天线和其他线路的浪涌保护);
优化线路与接地网的连接。

5.两种同轴保护技术的比较

西岱尔提供两种同轴保护技术:“气体放电管”同轴保护技术和“1/4波长”同轴保护技术。
“气体放电管”同轴保护技术

气体放电管在常态下是一种绝缘体,与被保护的设备并联。当发生过电压,气体放电管达到了脉冲放电电压时,线路会在短时间内发生短路,从而将电涌引导至接地网络。
当电涌电压消失后,气体放电管恢复到绝缘状态,等待下一次电压的来临。
气体放电管是可更换式,方便维修和更换。
脉冲放电电压取决于过电压上升率。过电压上升速度(dv/dt)越高,电涌保护器的脉冲放电电压也随之升高。
一般特征 :
    驻波比<1,2
    插入损耗<0,2dB
    带宽=0到3GHz
    最大放电电流 Imax=20kA(8/20μs)
    接头:7/16, N, BNC, TNC, SMA, UHF, 7/8 cable, F

“1/4(1/4λ)波长”同轴保护技术

另外一种方法就是不使用气体放电管,而是采用一种四分之一波长的短路杆,所以被称为“四分之一波长”同轴保护器。
此短路杆连接电缆芯线和外部接地,起带通滤波器的作用。通过调整机械尺寸(参数),滤波器可做成窄带或宽带。由于雷电频谱较低(从几百kHz到几MHz),滤波器将把它从正常的频率信号中过滤掉。

一般特征:
    驻波比<1,2
    插入损耗<0,2dB
    带宽: - 430-460Mhz
        - 870-950 Mhz
        - 1700-1950 Mhz
        - 870-2200 Mhz
        - 1700-2200 Mhz
    最大放电电流 Imax=100kA(8/20μs)
    冲击放电电流 = 50kA(10/350μs)(取决于接头型号)
    接头:7/16, N, BNC, TNC, 7/8cable

指标

气体放电管

1/4波长

原理

间隙放电/低通滤波

低通滤波

残压

间隙放电程度:数百伏,随后弧光电压。所有频率信号被短路(使输入信号亦被短路)。

数伏。保持正常的信号传输。

带通滤波器

直流——3GHz

窄带 (GSM, DCS1800, PCN1900, DECT,GPS,etc.) 宽带 (ex: 800-2200MHz)

馈电

兼容

非兼容

8/20μs放电电流

20kA

取决于接头型式: 100kA for 7/16; 50kA for N

寿命

一般,取决于气体放电管。

很长

接头

N,BNC,TNC,UHF,SMA,7/8cable,7/16

7/16,N,TNC,BNC,7/8cable

6.国内外主要防雷标准

1.国际电工委员会
建筑物防雷设计规范(IEC1024)
雷电电磁脉冲的防护(IEC1312)
低压配电系统的电涌保护器(SPD)(IEC61643)
2.欧美国家防雷标准
低压配电系统的电涌保护器(SPD)(法国NFC 61740)
低压配电系统的电涌保护器(SPD)(美国UL 1449)
低压配电系统的电涌保护器(SPD)(德国VDE 0675)
低压配电系统的电涌保护器(SPD)(英国BS 6651)
3.中国相关防雷标准
建筑物防雷设计规范(GB 50057-94)
低压配电系统的电涌保护器(SPD)第1部分:性能要求和试验方法(GB 18802.1-2000)
微波站防雷与接地设计规范(YD2011-93)
通信局(站)接地设计暂行技术规定(综合楼部分)(YDJ26-89)
移动通信基站防雷与接地设计规范(YD5068-98)
通信工程电源系统防雷技术规定(YD5078-98)
建筑物电子信息系统防雷技术规范(GB50343-2004)
 
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