雷电浪涌和内部浪涌的防护

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雷电浪涌和内部浪涌的防护
航天科工深圳集团东方华创投资有限公司
一、浪涌对电气电子设备的危害应引起重视
年来,随我国现代化程度的提高,电子系统向网络化、 智能化迅猛发展,而电子器件 普遍存在绝缘强度低、过电压和过电流耐受能力差、 对电磁干扰敏感等弱点,一旦受到直接雷击 或其附近区域发生雷击,雷电过电压、过电流和脉冲电 磁场会通过供电线、仪表信号线、电缆汇线槽、 穿线管等途径到达电子设备,威胁电子设备的正常工作 和安全运行。如果防护不当,轻则使仪表设备工作失灵, 重则使仪表设备永久性损坏,严重时还可能造成人员 伤亡、 生产事故。因此,现代电子系统的设计 必须高度重视防雷浪涌和内部浪涌的防护。
串联型浪涌抑制器的接法 理想目标
<100 V ATN®
6,000 V <450 V TSN®
电源
SPD
负载设备
没有连线长度问题
• 电源系统的浪涌保护

应设置分级防护
电源线路电涌保护器标称电流参数
信息系统浪涌保护
• • • • 信息系统浪涌保护器分: 网络信号浪涌保护器 监控信号浪涌保护器 天馈信号浪涌保护器
如何知道您的供电系统存在浪涌?
• 您碰到过 “电压波动吗?”
198 210 215 235 225 220
如何知道您的供电系统存在浪涌?
• 在正常工作情况下,您的机器设备会启动 和停止吗?
如何知道您的供电系统存在浪涌?
• 您的设备是否出现无理由的复位?
如何知道您的供电系统存在浪涌?
• 您和其他公司的供电系统是否由同一输电 线馈电?
• 电气线路上出现的短暂电压突然升高现象.
什么是 “浪涌”?
• 这种现象通常只持续几纳秒至几毫秒. .000000001 秒
什么是 “浪涌”?
• 浪涌出现时的电压和电流值超过正常值两 倍以上. > 500 伏
什么是 “wk.baidu.com涌”?
220 伏 0伏
瞬间浪涌的波形?
脉冲型浪涌
根据 IEEE的定义, 这种浪涌的电压 在几微秒里从几百伏至2万伏
单屏蔽
双屏蔽
(三)合理布线
(四)接地
(五)安装(SPD)浪涌保护器
浪涌抑制器如何保护设备
浪涌能量转化为热 并散 发 SPD SPD 器件导通,对浪涌呈现 低阻抗
并联型浪涌抑制器 (正确接法)
理想目标 <450 V TSN® 6,000 V <100 V ATN®
电源
负载设备
SPD
短于6 英寸的连线
减少停机时间 降低维修费用 延长设备寿命
保障系统安全
安装浪涌抑制器前后 客户变频设备维修费 用一览
•安装TVSS之前21个变 •安装TVSS之后21个变频 频控制设备的维修费用 控制设备的维修费用
雪铁龙案例
客户变频设备采用常规压敏 电阻和 SinetamerSPD产品 效果对比 • 采用压敏电阻的5台变频 • 采用SPD的5台变频
内部80%
信息来源:美国通用电气公司,电路保护技术期刊:"Current Scene"
据统计:内部浪涌占整个浪涌的 80%。
二、雷电
• 1、直击雷,雷电击在避雷针、避雷带及建 筑物或炼油塔的某部位。 • 2、雷电电磁辐射;雷击点强大的磁场向四 周辐射 • 3、雷电流在电源和信号线上的分流; • 4、雷电感应:雷电流从引下线泄放过程中 在周围形成强大的交变磁场,处于磁场内 的金属导体上产生感应电压。 • 5、雷击部位形成的局部高电位 • 6、雷电部侵入
0 -0 .5 -1 -1 .5 -2 -2 .5
Y
0
1
2
3
Time
4
(三)、 全模保护
全模(10模)保护设计—全通 路防护
火线 火线 火线 零线 地线
火线
火线
火线 零线 地线
4模
7模 10 模
(四). 多元件矩阵
实现全模保护的混合矩阵
零线 火线 1 Active Tracking Network (ATN®) Filter 独一无二的专利技术
ECS产品和其他产品的比较
Sinetamer产品
项目 1.对外过 通流能力最大 通流能力 电压防 可达300KA以 最大为 100KA 护能力 上 具有正弦波跟 踪能力和限压 2.对内部 限幅功能,消 过电压 解部分内部浪 防护能 涌,抑制高次 力 谐波,降低能 耗 Sinetamer产品比其他产品 通流能力大,有更长的产品 使用寿命和更强的耐受雷电 流冲击的能力 Tinetamer产品与其他产品 相比,不但能防止雷电脉冲 的大电流冲击,还能精确的 消除内部浪涌、尖冲、凹陷、 高次谐波等电力污染,提高 能效。 而其他产品只有防雷作用, 不能有效抑制内部电力污染
• 南京某军校实验室 • 时间: 2008年7月22日 地点: 南京某 军校实验室 • 故障现象: 1、直流供电电路中无名噪声(电磁 脉冲)严重,无法消除; • 2、系统进行通信连接时频繁死机。 • 试验方案: 1、在电脑直流供电电路中串接ECS SPD1(型号:ST-ICPS-5DC-3) • 2、在通信线路中串接ECS SPD2(型号:ST-CL5-2) (均未接地) • 试验结果: 直流电源线接入SPD1后,电路中 噪声幅度大大减小,而SPD1的输出端波形和输
Bus
(六)、独有的化学封装技术, 器件性能不降解 免维护
• 快速吸热(防晒霜效应),造就弱 接地要求


改传统泄流式防雷为吸热式防雷
帮助MOV防潮,确保性能多年不
降解,防水、防潮、防盐雾

紧固内部器件,实现360度安装
(七)其他免维护设计理验
免维护
• 浪涌记数 • 遥讯(C型干触点) • 声光告警
2KM
雷电:地电势上升
邻近的雷电击中地 – 建筑物间由电缆连 接 电缆两头的地可能有几十千伏的电势 差 浪涌电流沿着电缆侵入设备端口
200kV
80kV
地电势 0 雷击点的距离
10kV
雷电波侵入
直接雷击击中电力线路或引下 线疏导雷电流时,在电力线路上 会产生雷击过电压并在电力线缆 周围产生强大的电磁脉冲,凡是 在此电磁脉冲范围内的各种电力、 信号及控制线路都会感应出过电 压,这部分过电压将会沿各种线 路传输到后端的设备,从而引起 设备的误动作或损坏。
雷电侵入的路径
雷电:直接雷击
附近或几公里以外的直 接雷击
浪涌在电力导体、地和通信线间产生几千伏的电 压差
通信线
雷电:感应耦合
雷电击中从地面 感应到电流的物 体
感应电流
电磁场 雷电释放电流
Building metal work
电源、数据线
雷击即便没有直接击中建筑物,也会对建筑物内的微电子设备造成损坏,因为只要雷击中心点发 生在距建筑物半径2Km范围内,在此范围内的空间里就会产生极强的电磁场,所有从这个电磁场 中穿越的供电线路,网络和信号线路等,都会因电磁感应而在线路上产生一个浪涌电压,并沿着 线路进入大楼内的设备输入端口,从而将电子设备摧毁.
--深圳特区报6 月14日头版
内部浪涌是怎样损坏无防护的设备 的? 将器件的绝缘层最
薄弱处打穿
X 正常电流
X
X
X X
无电流到地 X X
X
引起内部到地的短路 和燃烧 X X
X
X
X
内部浪涌的危害:多次过零,改变 逻辑特性
四、雷电浪涌和内部浪涌的防护
(一)等电位连接
• 为了消除雷电瞬态电流路径与金属物体之间的击穿放电, 可以将所有现场仪表的所有金属外壳、构架、生产装置的 金属设备、设施、仪表控制室内的设备、组件和元件的金 属外壳、金属设施连接在一起,并且与仪表控制室的防雷 接地系统相连接,形成完善的等电位连接。
低阻抗总线
火线 2
火线 3
能承受高强度浪 涌电流的总线
地线
浪涌抑制元件
(五). 故障保护
ECS产品:元件级---内部每个元件均 配备热脱扣和电脱扣保护装置
• 在设计上和浪涌 保护元件实现合 理配合,熔丝的 电流承受能力和 浪涌保护器的最 大电流承受能力 相同; • 任何单点故障不
故障保护的等级分析
(一)、纳秒级的响应速度 快速吸收和输导浪涌
只有纳秒级的反应速度才能对所有的浪 涌进行有效抑制
(二). ORN滤波 方式
安装TVSS之后对“赃电”的清 洁效果
Dirty Pow er 赃电
2 1 .5 1 0 .5
0 .5 1 .5 2 .5 3 .5
增强型滤波器
MOV Clamping Voltage
如何知道您的供电系统存在浪涌?
• 您有空调、压缩机、泵或马达吗?
内部浪涌对设备的危害
美国通用电机
美国空军
1.降低器件寿 命
2.直接损坏设备
3.停机待产
―由于近日雷电影响,机荷 高速各收费口出现大面积停 机,导致交通堵塞。”
“受供电质量和瞬变影响,我们在珠三 角区的激光设备平均每月要维修10台, 每更换一块单板需要30万元,停机损失 每天2万元” --德国某厂商华南服务经理 姚先生
其他产品
备注
无正弦波 跟踪,不 能抑制高 次谐波等 电力污染
3.残压
在20KA电 在20KA电流 Sinetamer产品比其他产品 流冲击下, 冲击下,残压 的残压要低很多,提高了对 残压为
5.内部 封装
内部采用化学封 装技术
内部无化 学封装
Sinetamer产品与其他产品相 比,通过专利的化学封装不 仅将各元件固定封装在电路 板上,而且有利于吸收浪涌 所产生的热能,提高元器件 的性能,延长元器件的使用 寿命,具有防火、防爆、防 尘、防水等功能。

ECS产品性能介绍
SineTamer产品家族
ST型 (B、C 区)
ITD型
ST-SPT 型 (B、A 区)
LA或RM 型 (B、C 区)
产品主要性能
• 1、响应速度小于 1 纳秒,快速吸收浪 涌。 • 2、专利的正旋波RON跟踪滤波算法, 精确过滤浪涌。 • 3、真正的十模保护,阻断浪涌所有可 能通路,洁净用电环境。 • 4、混合多元及热、电双保险熔断设计, 造就数年免维护的卓越品质。 • 5、完善的电脱扣与热脱扣相结合的故 障保护,确保运行安全。
浪涌的内因 用电设备
用电设备
浪涌的内因
电气线路干扰比例分析
• 电压不足 / 过高:电力中 断:
11% 0.5%
11.5%
脉冲式瞬变(尖刺)
振荡衰减式瞬变
39.5% 49.0%
}
88.5%
•结论: •在所有的有害线路干扰中,有近90%是由于 瞬变现象所造成。

内部浪涌现象
每周期只产生 2 个浪涌 变频驱动器 每小时 产生 432,000 浪涌
设备 • 历时一年的维修费用 设备 • 历时一年的维修费用
结论:
采用Sinetamer SPD的变频设备的 维修费用之相当于 前者的三分之一
案例分析:Mobil石油公司
安装Sinetamer方案后MTBF的改 善
Annual Pre-Install Maintenance: $7,814,718 TVSS Installed Cost: $2,679,350 Annual Post-Install Maintenance: $2,865,107 Yearly Maintenance Savings: $4,949,611 Payback Period in Years: 0.54
三、内部浪涌
内部浪涌的来源数据分析
主要来源:
•内部 – 用电设备的开关等
外部20%
主要是指配电、微电子设备的运 行所引起的电压瞬变、凹陷、尖 峰、高次谐波等 据统计:内部浪涌占整个浪涌的 80%。
内部80%
信息来源:美国通用电气公司,电路保护技术期刊:"Current Scene"
约有80%浪涌是来自于客户内部的电网
Sinetamer产品比其他产品响 应时间快,避免因设备来不 及动作而出现死机等现象, 能够精确过滤高次谐波,而 其他产品因反应时间慢,无 法过滤高次谐波等内部浪涌 Sinetamer产品能提供更长时 间的品质保证
6.响应 时间
≦1ns
一般在25 ns
7.质保 期
10-20年
1-3年
(八)、典型案例和使用效 果
瞬间浪涌的波形?
振荡型浪涌
根据IEEE的定义, 这种浪涌的电压 值在几微秒至几毫秒内从几百伏至 6000伏
浪涌的来源
• 用电线路出现 “浪涌”或“尖刺”的原因 • 既可以来自外部,也可以来自于内部。
主要来源:
外部20%
• 内部80%
外部20%
•外部—主要是雷击 •内部 – 用电设备的开关等
主要是指配电、微电子设备的运 行所引起的电压瞬变、凹陷、尖 峰、高次谐波等
电 话
电 源
信息 线
PE
空调管
配电箱
暖气片
水管 暖 气 天然气
(二)屏蔽
1、建筑物或房间外部屏蔽:
用钢筋和金属框架构成的大 空间屏蔽
2、线路屏蔽 (1)采用屏蔽电缆时,其屏蔽层应至少在 两端并易在防雷区交界处做等电位连接。 当系统要求只在一端做等电位连接时,应 采用双层屏蔽,外层屏蔽按上述要求处理。
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