新型防雷及電涌保護在控制系統(tǒng)與設備中的應用魯思慧1、概述如今對于雷擊電過電及浪涌過電壓危害的保護，必須對財產（系統(tǒng)、設備、建筑物）等和個人，即包含對樓宇智能自動化控制系統(tǒng)自動化及網絡系統(tǒng)的保護。這是因為近年來，現(xiàn)代電子技術的不斷發(fā)展，各種高、精、尖的電子設備不斷推廣和普及應用，自動化控制系統(tǒng)與網絡系統(tǒng)廣泛應用于各行各業(yè)中，由于這些系統(tǒng)的電子設備內部結構的高度集成化，耐過電壓、耐過電流的水平極低，避雷針對這些電子設備的保護收效甚微，因而極易遭受雷電流的沖擊而損壞，輕者使網絡終端接口設備損壞、通信中斷、各種信息無法傳遞；重者使主機損壞，致使系統(tǒng)與網絡癱瘓，工作無法進行。又如閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)在建筑物內的應用越來越多，由于建筑物內的電氣環(huán)境比較復雜，容易形成各種工擾源，如果未采取恰當?shù)姆婪洞胧鞣N干會通過傳輸線纜進入閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)，造成圖象質量下降、系統(tǒng)控制失靈、運行不穩(wěn)定等故障。因此，為了使系統(tǒng)正常運作，防止雷擊帶來的慘重損失，有必要對控制系統(tǒng)自動化及網絡系統(tǒng)及電子系備的雷電及浪涌過電壓采取綜合防護措施。而各系統(tǒng)中的供電系統(tǒng)防雷及電涌保護又是其重中之重。為此首先對，將對電涌的危害與產生及防雷及電涌保護等技術從基本特征原理到應用上作概述。2、瞬態(tài)過電壓會造成的損壞瞬態(tài)過電壓在很大的程度上危及甚至摧毀電氣和電子裝置，見圖1A所示。瞬態(tài)過電壓造成的損壞率近年來明顯上升。儀器設備需要長期可靠地正常工作，一旦遭到損壞，除了要支付重新購買或者修理的費用外，有關設備部件中斷運行期間造成的間接損失，甚至軟件和數(shù)據(jù)的丟失也會產生額外的費用。一般情況下毀壞事故留下的場景是導線損壞見圖1B所示，甚至建筑物電氣安裝系統(tǒng)遭到明顯的機械性摧毀。高集成度微電子系統(tǒng)的廣泛使用使得電磁兼容EMC的問題愈來愈突出。直接或間接雷擊對電氣系統(tǒng)和電子系統(tǒng)造成很嚴重的危害，因而如何解決供電系統(tǒng)的防雷及電涌保護是樓宇或小區(qū)智能系統(tǒng)制造商與電氣系統(tǒng)設計工程師夢寐以求的問題。3、電源和數(shù)據(jù)線路中浪涌電壓是如何產生的瞬態(tài)過電壓在大多數(shù)晴況下是由于電氣設備中的開關過程和靜電放電產生的。除此之外，因雷擊放電和與此相關的電磁感應電磁感應，如圖2所示雷擊放電包括安裝回路中能引起高壓和電流的電磁感應場而導致電氣及電子設備的毀壞。圖2瞬態(tài)過電壓從一個系統(tǒng)耦合到另一個系統(tǒng)可以是電阻性耦合方式的，也可以呈電感性或者電容性的耦臺方式。此處僅以雷電放電為例對各種耦合形式作一說明。電阻性耦合過電壓利用共同的阻抗部件從干擾源通過電路連接耦合進入干擾受體，上升特性非常陡直的電流誘發(fā)過電壓，其數(shù)值主要取決于電感量和電流的變化速率，根據(jù)公式可得ULLDIDT，這一瞬態(tài)過電壓可以通過均壓等電位匯流排耦臺進入相連的線路。電感性耦合根據(jù)感應定律，進入一根導線的電感耦合通過另一根載流導線的磁場發(fā)生。直接電感耦合的電涌使得在受影響的導線中產生了有高變化率引DI/DT的浪涌電流。同時，相應的強磁場在此導線周圍建立變壓器的初級繞組功能。在其他導線中，例如在此磁場范圍內的信號傳輔導線中，感應出一個電壓或浪涌電壓變壓器的次級繞組功能，浪涌電壓沿著該導線到達所連接的設備。電容性耦合電容性耦臺始終通過有高電位差的兩個點之間的電場發(fā)生。4、對智能摟宇防雷及電涌的保護41電涌的保護與有效保護電路”的設計方案411瞬態(tài)浪涌是由于閃電放電、電氣系統(tǒng)的開關操作和靜電放電而引起的沒有限壓和泄流保護措施，閃電放電所包含的能量對于即使非?？煽康慕ㄖ锏牡蛪弘娫磥碚f也還是太大了。盡管浪涌電壓僅在百萬分之一秒的范圍內瞬時發(fā)生，仍能夠摧毀電子電路或擊穿印刷電路板。為了防止瞬態(tài)浪涌摧毀電氣系統(tǒng)，所有處于危險中的接口，如信號輸入和電源，必須安裝防雷及電涌保護器。根據(jù)需要，應在保護電路中單獨或組合安裝諸如放電間隙、氣體放電管、壓敏電阻和抑制二極管之類的元件，因為各元件的限壓水平和通流量不同。通過“有效保護電路”見圖3所示，我們可以完全地防止浪涌電壓的侵害。圖3412“有效保護電路”的設計方案“有效保護電路”的設計方案保護方案的第一步是列出所有需要保護的設備和保護區(qū)域見圖3中天饋、數(shù)據(jù)、過程控制和低壓配電系統(tǒng)。然后對所有登記的設備所需的保護級別進行評價。必須把被保護的系統(tǒng)或設備看成是在一個受保護的區(qū)域內，如圖3所示。在所有的交叉點“線路一保護電路”，應安裝與需保護裝置的具體電路類型或接口的標稱數(shù)據(jù)相匹配的防雷及電涌保護器。如此保護電路之內的區(qū)域將是安全的，不可能受外部耦合浪涌電壓的侵害。A電源根據(jù)所選擇的電涌保護器和預期的環(huán)境影響，保護系統(tǒng)的電源和設備所需的電涌保護器的應用示意圖，見圖4所示。圖4B測量和控制系斷過程控制領埔中的接口對浪涌電壓要比電源系統(tǒng)敏感得多，因此須使用帶組合保護電路的電涌保護器作為對其的保護。保護器應安裝在信號軸入的前端，以避免電涌電壓沿著保護器和接口之間的導線路徑耦合所帶來的危險?；倦娐烦什⒙?lián)的，即由氣體放電管、壓敏電阻和抑制二極管組成的去耦并聯(lián)電路。這樣可以達到20KA及以下的浪涌放電能力、非常準確地將電壓限制在極低值，并實現(xiàn)非常短的響應時間，使用電感或電阻進行去耦。C數(shù)據(jù)和通信接口在數(shù)據(jù)和通信終端信號輸入的保護電路中，使用了快速反應抑制二極管和大功率氣體放電管的組合。由于能量配合需要，使用純電阻器件作為去耦元件。與接口相匹配的保護器將浪涌電壓限制到足夠低，使得殘壓不再對該接口造成危險，保護電路通常作用于共模和差模電路，即信號芯線之間和芯線與地之間。不僅要遵循電氣規(guī)范，而且保護器還必須與要保護的接口匹配，實際應用中會遇到大量不同的接口方式，多種多樣的保護器可適應幾乎所有不同類型的接口。42采用串聯(lián)間隙式氧化化鋅防雷模塊保護方案不失為簡單方便功能特征采用串聯(lián)間隙后的氧化鋅防雷模塊，其間隙可保證閥片只在過電壓保護動作過程隨高電壓，時間極短100PS內，在其它情況下閥片對于電網電壓，或處于隔離狀態(tài)純間隙時，或處于低電位狀態(tài)復合間隙電阻分壓，大大改善閥片長期工作條件，還可免受暫態(tài)過電壓危害和溫度熱損傷，保證閥片溫度不超過55，從而保證避雷器壽命達20年以上。圖5為串聯(lián)間隙式氧化化鋅防雷模塊結構示意。圖5串聯(lián)間隙式氧化鋅防雷模塊采用積木式模塊可插拔更換，并且具有防呆功能，通過不同角度的防呆插口孔有效的防止了不同電壓模塊與底座誤插。通過不同數(shù)量的組合可適用于多路交直流供電系統(tǒng)。目前中達電通推出了RPM220、RPM380、RPM220A、RPM380A系列串聯(lián)間隙式氧化鋅防雷模塊，其中RPM220、RPM380系列額定通流容量為20KA，最大通流容量為40KA，RPM220A、RPM380A系列額定通流容易為40KA，最大通流容易為80KA。5、網絡設備的外部與內部防護措施網絡設備的外部防護首先是使用建筑物的避雷針將主要的雷電流引人大地；其次是在將雷電流引人大地的時候盡量將雷電流分流，避免造成過電壓危害設備；第三是利用建筑物中的金屬部件以及鋼筋作為不規(guī)則的法拉第籠，起到一定的屏蔽作用；第四是建筑物各點的電位均衡，避免由于電位差危害設備；第五是保障建筑物有良好的接地，降低雷擊建筑物時接地點電位升高而損壞設備。網絡設備的內部防護除了電源部分防護外應建立良好的接地體系統(tǒng)，所有防雷系統(tǒng)都需要通過接地系統(tǒng)把雷電流泄人大地。所以，良好的接地系統(tǒng)是設備和人身安全的保障，也是限制地電位升高的手段。另外系統(tǒng)防干擾的屏蔽問題、防靜電感應等都需要通過建立良好的接地系統(tǒng)來解決。網絡系統(tǒng)設備接地電阻除另有規(guī)定外一般不宜大于4，當采用公用接地系統(tǒng)時阻值不應大于1。選擇合適的S型等電位聯(lián)結并接地聯(lián)結方式，如圖6所示。圖6這種接法中，PE線不僅保護接地，還是設備的信號接地線，因網絡設備的工作頻率高于工頻，所以PE線具有較大阻抗，使得設備間信號線的噪聲較高，此方法簡單易行，常用于設備本身抗干擾能力較強而工作頻率較低的場合。6、用防雷接地技術解決監(jiān)控視頻中的干擾中應該說防雷接地技術有多種，值此就視頻信號“地”與顯示器“地”接地技術分析。視頻電纜屏蔽層是接地的，如果視頻信號“地”與顯示器“地”相對“電網地”的電位不同，即兩處接地點相對電網“地”的電壓差不同，那么通過電源在攝像機與顯示器之間形成電源回路，這樣50HZ的工頻干擾進入顯示器中，從它的電氣聯(lián)接可以看出消除50HZ工頻干擾的方法有兩種一是想辦法使各處的“地”電位與“電網地”的電位完全相同，或者切斷形成地環(huán)流的路徑。由于工程環(huán)境比較復雜，使各處“地”完全等電位比較困難，只能通過加大攝像機供電線纜的線徑，盡可能降低地回路的電阻?；蛘卟捎们袛嗟丨h(huán)流回路的方法，在攝像機或顯示器端有一端不接地，通常在顯示器端不接供電電源的地，這樣雖不能完全消除干擾但可大大減少50HZ的干擾。如果電源線上耦合上高頻噪聲，即使視頻電纜的屏蔽電纜的屏蔽再好，也會將噪聲送至顯示器，因此攝像機的供電電源線最好也要屏蔽。系統(tǒng)調試時若發(fā)現(xiàn)干擾存在，可采用調制和解調的方法將噪聲濾除，在攝像機端設一調制器將視頻信號搬移到幾十兆赫茲的頻度段上，在顯示器端設一低通濾波器將低于8MHZ的信號全部濾除，再經過解調將視頻圖像還原。7、新型串并聯(lián)系列瞬態(tài)抗浪涌抑制器在通信網絡與能源動力新領域中的應用隨著經濟技術的發(fā)展，TVSS應用不再局限于電力電器設備，而是進入剄通信網絡與能源動力新領域之中，如衛(wèi)星、微波通信、網絡伺服器及程控交換機等會出現(xiàn)瞬態(tài)高壓浪涌之設備，見圖7所示的ACV系列并聯(lián)型系列瞬態(tài)抗浪涌抑制器ACV230111RKE與S系列并聯(lián)型瞬態(tài)抗浪涌抑制器S230Y333及F系列串聯(lián)型瞬態(tài)抗浪涌抑制器。圖7（點擊看大圖）TVSS瞬態(tài)電壓浪涌抑制器在串并聯(lián)瞬態(tài)抗浪涌抑制器中的應用原理在正常青況下，電流經線路供給負載，而TVSS處于高阻斷狀態(tài)。當有浪涌出現(xiàn)時，TVSS對其超過鉗位電平的部分尖脈沖幅值予以短路，導通時間為納秒NS級，見圖8的并聯(lián)型系列瞬態(tài)抗浪涌抑制器與圖9ABC所示的串聯(lián)型系列瞬態(tài)抗浪涌抑制器原理圖。圖8ACV與S系列并聯(lián)型瞬態(tài)抗浪涌抑制器圖8中，鉗位電壓值為一般電子設備可承受有最大瞬間電壓，TVSS與負載并聯(lián)，當浪涌被吸收后，重新處于高阻斷狀態(tài)。在工作過程中，相線相線，相線中線，相線地線，中線地線都具有浪涌抑制模塊全方位位進行保護。其S系列產品為大型瞬態(tài)抗浪涌抑制器100KA400KA；而ACV系列小型瞬態(tài)抗浪涌抑制器40KA80KA。F系列串聯(lián)型瞬態(tài)抗浪涌抑制器圖9A為實際較普遍的F系列串聯(lián)型瞬態(tài)抗浪涌抑制器原理是采用低通串聯(lián)混合技術，圖9A它由并聯(lián)的TVSS模塊和串聯(lián)的環(huán)波濾波及正弦波跟蹤電路共同組合而成，在圖4中所。經并聯(lián)的TVSS部分能吸收大于鉗位電平的高壓浪涌，串聯(lián)的低通濾波器用于消除出現(xiàn)于相線中線間的高頻差模干擾，輸出給負載平滑的正弦波，具體功能為MOV金屬電氧化物壓敏電阻陣列是TVSS的一種，特點是快速反應，吸收高壓浪涌見圖9B；電路分流元件。跟蹤正弦波，吸收尖脈沖，見圖9C；串聯(lián)模塊電感，平滑波形正弦波跟蹤濾波器，消除