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新型防雷及电涌保护在控制系统与设备中的应用
 
鲁思慧
 
1、概述
如今对于雷击电过电及浪涌过电压危害的保护,必须对财产(系统、设备、建筑物)等和个人,即包含对楼宇智能自动化控制系统自动化及网络系统的保护。这是因为近年来,现代电子技术的不断发展,各种高、精、尖的电子设备不断推广和普及应用,自动化控制系统与网络系统广泛应用于各行各业中,由于这些系统的电子设备内部结构的高度集成化,耐过电压、耐过电流的水平极低,避雷针对这些电子设备的保护收效甚微,因而极易遭受雷电流的冲击而损坏,轻者使网络终端接口设备损坏、通信中断、各种信息无法传递;重者使主机损坏,致使系统与网络瘫痪,工作无法进行。又如闭路电视监控系统在建筑物内的应用越来越多,由于建筑物内的电气环境比较复杂,容易形成各种工扰源,如果未采取恰当的防范措施,各种干会通过传输线缆进入闭路电视监控系统,造成图象质量下降、系统控制失灵、运行不稳定等故障。
因此,为了使系统正常运作,防止雷击带来的惨重损失,有必要对控制系统自动化及网络系统及电子系备的雷电及浪涌过电压采取综合防护措施。
而各系统中的供电系统防雷及电涌保护又是其重中之重。为此首先对,将对电涌的危害与产生及防雷及电涌保护等技术从基本特征原理到应用上作概述。
2、瞬态过电压会造成的损坏
瞬态过电压在很大的程度上危及甚至摧毁电气和电子装置,见图1(a)所示。瞬态过电压造成的损坏率近年来明显上升。仪器设备需要长期可靠地正常工作,一旦遭到损坏,除了要支付重新购买或者修理的费用外,有关设备部件中断运行期间造成的间接损失,甚至软件和数据的丢失也会产生额外的费用。一般情况下毁坏事故留下的场景是导线损坏(见图1(b)所示),甚至建筑物电气安装系统遭到明显的机械性摧毁。
高集成度微电子系统的广泛使用使得电磁兼容(EMC)的问题愈来愈突出。直接或间接雷击对电气系统和电子系统造成很严重的危害,因而如何解决供电系统的防雷及电涌保护是楼宇或小区智能系统制造商与电气系统设计工程师梦寐以求的问题。
 
3、电源和数据线路中浪涌电压是如何产生的
瞬态过电压在大多数晴况下是由于电气设备中的开关过程和静电放电产生的。除此之外,因雷击放电和与此相关的电磁感应电磁感应,如图2所示雷击放电包括安装回路中能引起高压和电流的电磁感应场而导致电气及电子设备的毁坏。
图2
瞬态过电压从一个系统耦合到另一个系统可以是电阻性耦合方式的,也可以呈电感性或者电容性的耦台方式。此处仅以雷电放电为例对各种耦合形式作一说明。
电阻性耦合
过电压利用共同的阻抗部件从干扰源通过电路连接耦合进入干扰受体,上升特性非常陡直的电流诱发过电压,其数值主要取决于电感量和电流的变化速率,根据公式可得:UL=L di/dt,这一瞬态过电压可以通过均压等电位汇流排耦台进入相连的线路。
电感性耦合
根据感应定律,进入一根导线的电感耦合通过另一根载流导线的磁场发生。直接电感耦合的电涌使得在受影响的导线中产生了有高变化率引di/dt的浪涌电流。同时,相应的强磁场在此导线周围建立(变压器的初级绕组功能)。在其他导线中,例如在此磁场范围内的信号传辅导线中,感应出一个电压或浪涌电压(变压器的次级绕组功能),浪涌电压沿着该导线到达所连接的设备。
电容性耦合
电容性耦台始终通过有高电位差的两个点之间的电场发生。