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防雷之凯文式接法的应用

时间:2011/6/27 13:32:28  作者:沃德  来源:沃德(防雷)实业研究中心  查看:151  评论:0
内容摘要:    近期常有用户询问关于防雷箱安装的问题,特别是凯文式接线的意义。根据我们的经验,结合标准规范的要求,给大家作一个简要说明。    根据GB50057-94(2000年版)《建筑物防雷设计规范》第6.4....

    近期常有用户询问关于防雷箱安装的问题,特别是凯文式接线的意义。根据我们的经验,结合标准规范的要求,给大家作一个简要说明。
    根据GB50057-94(2000年版)《建筑物防雷设计规范》第6.4.4条的要求:为使最大电涌电压足够低,其两端的引线应做到最短。当引线长,产生的电压大,可能时,也可采用图中的c、d图接线(图c即为凯文式接线)。
 

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A点为交流配电箱。
B点为机房接地母排。
假设A点到防雷箱的距离为1米,则L1的电感量大约为1uH。
假设防雷箱到B点的距离为5米,则L2的电感量大约为5uH。
开关电源交流输入侧得到的剩余电压(残压)=L1的残压+防雷箱的残压+L2的残压,并不仅仅是防雷箱的残压。
假设通过防雷箱的雷电流为20KA:
防雷箱的残压为1500V
L1的残压=L1*di/dt=1uH*20KA/10uS=2KV
L2的残压=L2*di/dt=5uH*20KA/10uS=10KV
则最终开关电源交流输入侧得到的剩余电压(残压)=2+1.5+10KV=13.5KV。
远远大于防雷箱的1500V电压,也远远超过开关电源2500V的耐压,结果失去了防雷的保护效果,导致开关电源会因雷击损坏。

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A点为交流配电箱。
B点为机房接地母排。
采用凯文式接法后,虽然A点到防雷箱的距离为6米。
而开关电源交流输入侧得到的剩余电压(残压)=防雷箱的残压。
也就是说把L1和L2的长度变为0。
假设通过防雷箱的雷电流为20KA:
防雷箱的残压为1500V。
L1的残压=L1*di/dt=0uH*20KA/10uS=0KV。
L2的残压=L2*di/dt=0uH*20KA/10uS=00KV。
则最终开关电源交流输入侧得到的剩余电压(残压)=1.5KV。
基本上等于防雷箱的1500V残压,也远小于开关电源2500V的耐压,结果防雷的保护效果很好,开关电源不会因雷击损坏。
当然,凯文式接线方法只是缩短SPD引线的一种较好的方法,如果有条件采用应尽可能采用,但是并不是所有地方都可以采用该方式,它的最大的缺陷是在大容量的配电系统中由于母线线径很大(或采用铜排),而SPD的接线端子容量有限,无法作此种方式连接。另外,由于电源线要先到SPD,再由SPD到配电设备或用电设备,不可避免地增加了两个接头,如果处理不得当,例如接触不良、接点氧化、松脱等,在电流较大时导致接点发热,轻者导致供电中断,严重的还会造成起火燃烧等恶性事故,这是有先例教训的。因此,凯文式接线方式并不是万能良药,还需要根据实际情况选择性地利用。
 
下面我们列举一个采用普通并联式接线方式与采用凯文式接线方式在基站环境的具体应用:

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      上图是普通并联式接线,由于安装前没有仔细考虑安装位置和布线,结果SPD的连线长度远远大于规范要求的0.5m的要求,开关电源进线端的残压等于防雷箱的残压加上6-9m导线的残压,防雷箱肯定起不到应有的保护效果。许多基站安装防雷箱后,雷击过后防雷箱也动作了(有雷击计数),但开关电源还会被雷击损坏,用户在厂家的误导下认为防雷箱容量太小,然后再加装大容量的防雷箱,实际改善效果并不明显。可以说,这与防雷箱的安装施工不规范有很大的关系。
1.    根据GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》第5.4.1.5条的要求:浪涌保护器连接导线应平直,其长度不宜大于0.5m。
2.    根据YD/T5098-2001《通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范》第5.0.3条的要求:电源用箱式SPD接线端子与相线和零线之间的连接线长度,若接线上却有困难,可视具体情况适当放宽连接线长度,但其截面积应适当增大;SPD接地线的长度应小于1m,且应就近接地。
根据以上标准规范的要求,安装防雷箱时,选择安装位置和布线方式都要尽量使其两端的引线做到最短,其目的就是为了减少过长的引线而引入的额外的残压对设备的危害,避免降低SPD对设备的保护效果。

电气设备机房的电涌防护
        随着电子技术快速发展,集成电路对电压和电流脉冲的敏感程度越来越高,外部电涌过电压和内部电涌已成为电子设备损坏和工作中断的主要因素之一。保证精密电子设备系统能正常工作的基本要求是电涌防护设计应正确并很好的协调配合,以免外部电涌过压及内部电涌所导致的设备损坏。另外,必须选用合格并且品质优秀的产品。

  新建及改扩建工程的重要电气设备机房应采用高品质电源电涌防护器,对整个电气系统提供完善的电涌防护措施,同时语音、数据及图象等金属导体有线传输的弱电网络也应做好电涌防护,这是确保该类设备正常工作的重要技术环节。

1 电涌的产生

  电涌是微秒量级的异常大电流脉冲,其波头时间一般在0.25~20μs,其单位能量一般在2.5~10MJ/Ω。它可使电子设备受到瞬态过电压的破坏。每年半导体器件的集成化都在提高,元件的间距在减小,半导体的厚度也在变薄。这使得电子设备受到瞬态过电压破坏的可能性越来越大。如果一个电涌导致的瞬态过电压超过一个电器设备的承受能力,那么这个电器元件或设备或者被完全破坏,或者使用寿命大大缩短。

  雷电是导致电涌最明显的原因,雷电击中输电线路导致巨大的经济损失。每一次电力公司切换负载而引起的电涌都缩短各种计算机、通讯设备、仪器仪表和PLC的使用寿命。另外,大型电机设备、电梯、发电机、空调、制冷设备等也会引发电涌。UPS也可能被电涌摧毁。

  建筑物顶部的接闪器在防直击雷时可将大部分的放电分流入地,避免建筑物的严重损坏。UPS不间断电源处理电压的严重下降。二者非常有用,但都不能保护计算机免受电涌的破坏,而且UPS本身集中使用了很多微处理器,也有可能被电涌摧毁。

  27年前,IBM发现电涌更为常见的来源是电力公司的电网开关和大型电力设备(如空调和电梯)。每天都有这样的电涌通过配电盘进入工作室破坏电子设备或缩短其使用寿命。因此,在美国几乎所有的有计算机或其它敏感电气设备的建筑都安装了电涌保护器。

  1999年11月15日北京五星级酒店式管理的高调大厦写字楼里的计算机被电涌袭击,一部分计算机主板被破坏,一部分计算机被反复启动,有的计算机主板被电涌袭击后使用寿命缩短一半。

2 电涌防护原理

  电涌防护采用电涌防护器,一般电涌防护器采用MOV技术,它和火花间隙技术是不同的。

  电涌不能被阻止,因为它包含的能量太强。正是由于这种原因,保护敏感电气设备免受电涌损坏的策略是把电涌从设备分流。理想的电涌防护器在电力线上应是觉察不到的,而当电压达到一定的限值时,应立即动作,分流多余的能量入地。

  MOV工作原理正是如此,直到电涌出现,它才动作,否则就静止地挂在电源线上,充当电源正常运行时的“守护神”。当电压升高达到顶先设定的水平时,MOV立即动作,响应时间为1~3毫微秒。MOV中的“V”是变阻器,在响应的一瞬间,MOV的电阻从完全值降到近乎零欧姆。MOV使瞬态高。



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