礦山電子信息設(shè)備防雷技術(shù)的分析和研究

PAGE礦山電子信息設(shè)備防雷技術(shù)的分析和研究摘要:雷電活動可在電子信息設(shè)備上產(chǎn)生直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓兩種大氣雷電過電壓，對電子信息設(shè)備的正常使用造成了極大威脅。因為電子信息設(shè)備具有電磁兼容能力差，易受雷電危害的致命弱點，根據(jù)雷電波通過電感器、電容器、避雷器時具有不同的行為表現(xiàn)，可以對電子信息設(shè)備的防雷采用分區(qū)保護的原則，利用電感器、電容器、金屬氧化物避雷器和瞬間電壓抑制器防止感應(yīng)雷過電壓，并依照此指導(dǎo)思想給出一個已經(jīng)應(yīng)用于實際中的可靠的程控交換機防雷保護電路。關(guān)鍵詞:電子信息；防雷；分區(qū)保護；瞬態(tài)；浪涌保護防雷技術(shù)是電子信息設(shè)備使用中必須解決的一個重要問題，對電子信息設(shè)備的防雷問題從理論上和實踐上進行探討具有重要的意義。1大氣過電壓電子信息設(shè)備中的過電壓是在雷云放電時產(chǎn)生的。大氣過電壓可分為直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓兩種。感應(yīng)雷過電壓是由于電磁場的劇烈變化而產(chǎn)生的，而直擊雷過電壓是由于雷電放電電流流經(jīng)被擊物產(chǎn)生的。防止直擊雷的傳統(tǒng)作法是采用避雷引雷，在強大的雷擊電流入地的過程中，由于直擊雷電流陡度di／dt作用，引起電場和磁場的劇烈變化，在其周圍金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)脈沖過電壓，即感應(yīng)雷過電壓，作用距離達數(shù)百米之遠，增加了電子信息設(shè)備遭受感應(yīng)雷過電壓損壞的概率。感應(yīng)雷過電壓也是非常危險的，除由直擊雷產(chǎn)生外，還包括遠處放電的電磁脈沖感應(yīng)，產(chǎn)生的概率要比直擊雷更高，所以也必須給予必要的防護。2保護間隙保護間隙的結(jié)構(gòu)原理是一個與被保護設(shè)備并聯(lián)的放電間隙。在通訊系統(tǒng)中由于不象電力系統(tǒng)中放電之后有工頻續(xù)流的問題，因此放電間隙可以調(diào)整得比較小，為0.2毫米，其沖擊放電電壓UCF為200～250伏。當保護間隙的沖擊放電電壓為UCF時，被保護設(shè)備上的過電壓最大值要超過UCF一個ΔU，入射電壓的陡度越大，保護間隙與被保護設(shè)備的距離越遠，ΔU就越大。因此就必須：⑴、限制入射波的過電壓陡度。⑵、被保護設(shè)備距保護間隙不能超過一定距離。這兩個基本原則也適用于避雷器、壓敏電阻和瞬態(tài)電壓抑制器（TransientVoltageSuppressor）。在沖擊電壓作用下，間隙的擊穿電壓比直流或工頻交流電壓（即持續(xù)電壓）作用時要高。其原因是放電時延（毫秒數(shù)量級）的存在，因此使用間隙保護電子信息設(shè)備的效果不理想。同樣基于放電間隙原理的R－250真空放電管，也不能用于保護電子信息設(shè)備。當保護間隙在大氣過電壓作用下發(fā)生擊穿，將雷電流引入大地后，可以有一定的限制過電壓效果。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，價廉，但保護效果差，與被保護的設(shè)備的伏秒特性不易配合，動作后產(chǎn)生截斷波。3波穿過電感線圈波自具有波阻抗Z１的導(dǎo)線，經(jīng)電感過渡到具有波阻抗Z２的導(dǎo)線時，波頭將被拉平，這對設(shè)備的絕緣有利?，F(xiàn)以圖1來說明波的過程：當幅值為U０的無窮長直角波投射到電感線圈上時，通過線圈的電流在最初瞬間是零，隨后逐漸增大，由于線圈中的磁通不能突變，因而穿過電感在Z２上傳播的電壓與電流都是由零值逐漸增大到穩(wěn)定值。同時，反射波的波形也不再是直角波。因為波作用到電感線圈的最初瞬間相當于波到達線路的末端一樣，反射波在此瞬間為U０，以后反射的電壓從U０逐漸下降，最后達到穩(wěn)定值。因此采用串聯(lián)電感線圈可以將雷電波的波頭拉長，即降低了陡度。因為在沖擊電壓作用時，波前部分電壓上升很快，例如1/20微秒的沖擊波，電壓由零上升至最大值需時1微秒，而工頻電壓由零上升至最大值的時間為0.005秒，故沖擊波波前部分的等值頻率為：由于波前部分等值頻率很高，不大的電感量L即可獲得較大的感抗ωL。4波從電容旁經(jīng)過無窮長直角波U０從波阻抗為Z１的導(dǎo)線向波阻抗為Z２的導(dǎo)線過渡時，在結(jié)點處從電容旁經(jīng)過，如圖2所示。隨后電能和磁能重新分布，因電容器上的電壓不能夠突變，開始當波投射的瞬間，電容器的電壓等于零，電容器相當于無窮小阻抗，所有波頭的電能均轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍?。故流?jīng)電容器的電流等于入射波電流的兩倍，而在波阻抗為Z２的導(dǎo)線上的電流將為零。然后，電容器開始充電，電容器兩端電壓將開始增加，電容器后面導(dǎo)線上出現(xiàn)電流，因此就出現(xiàn)了電壓前行波，使電容器上的電壓從零增加到穩(wěn)定值。電壓U２、電流I２都隨時間從零值漸增到穩(wěn)態(tài)值，故波頭部份被拉平了。由于波前部分等值頻率很高，不大的電容量Ｃ即可獲得較小的容抗1/ωC。5波通過避雷器波投射到避雷器上時，假定避雷器接在末端（圖3），設(shè)導(dǎo)線的波阻抗為Z，入射電壓為U入(t)，那么可以得到計算避雷器兩端的壓降U，及流過它的電流i的等值電路如圖3（b）。當2U入(t)等于避雷器的沖擊放電電壓UCF時，避雷器擊穿，回路中突然有電流流過，這個電流在導(dǎo)線波阻抗Z上將產(chǎn)生壓降iZ。而在擊穿前后的一個極短的瞬間，可以認為入射電壓的瞬時值是相等的，那么：在擊穿前i＝0，U＝2Uλ＝UCF在擊穿后i＞0，U＝2Uλ－iZ＝UCF－iZ故在擊穿后，避雷器上的電壓有一突降。之后隨著入射電壓的增加，流過避雷器的雷電流、以及這個電流在閥片上的電壓降均增加。當入射電壓達最大值Uλ最大時，電流達最大值I，壓降(殘壓)達最大值UC。即在大氣過電壓的作用下，避雷器上出現(xiàn)兩個電壓峰值UCF和UC，就是決定被保護設(shè)備上過電壓的基礎(chǔ)。通常情況下，避雷器的UCF和UC的設(shè)計值比較接近，因此常根據(jù)避雷器的殘壓設(shè)計值決定被保護設(shè)備上的過電壓限值。6氧化鋅壓敏電阻結(jié)構(gòu)原理氧化鋅壓敏電阻具有良好的非線性特性，是一種新型的過電壓保護器件，可用作避雷器。其結(jié)構(gòu)是由微小的氧化鋅晶粒摻雜更為微小的氧化鉍、氧化銻、氧化錳等多種金屬氧化物粉末在高溫下燒結(jié)而成。氧化鋅晶粒是低電阻率的，其間充填的氧化鉍等多種微粒組成的晶界層是高電阻率的。在正常的交流工作電壓下，晶界層呈高阻狀態(tài)，有微安級微弱電流流過電阻體；在過電壓狀態(tài)下（如承受浪涌電壓時），晶界層上電壓梯度很高，電阻率急劇下降，流過電阻體的傳導(dǎo)電流迅速加大（類似穩(wěn)壓二極管的齊納擊穿），電能轉(zhuǎn)化為電阻體的發(fā)熱，即浪涌能量為壓敏電阻所吸收，從而抑制過電壓。氧化鋅避雷器的主要元件是氧化鋅壓敏電阻，具有優(yōu)異的非線性特性，氧化鋅壓敏電阻的典型對稱特性如圖4，限制過電壓性能是較理想的。由于在正常工作電壓下，只有微安級電阻性電流流過閥片，因此避雷器取消了串聯(lián)間隙。在過電壓作用下沒有放電時延，可以耐受多重雷擊。氧化鋅避雷器適合于通訊設(shè)備及電氣設(shè)備的過電壓保護，其最大優(yōu)點是幾乎沒有放電時延（50×10-9秒數(shù)量級），通流容量大和殘壓低。7瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)特性與選用瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)是近代才發(fā)展起來的一種高效能的保護器件，當TVS的兩極受到反向瞬態(tài)高能量電壓沖擊時，它能以10-12秒數(shù)量級的速度將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于預(yù)定值，有效地保護電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌電壓脈沖的損壞。由于其具有響應(yīng)時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、沒有損壞極限、體積小等優(yōu)點，廣泛用于通訊設(shè)備和電子設(shè)備中作各種過電壓保護之用，其特性比壓敏電阻優(yōu)越。7.1TVS的特性曲線瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)的電路符號與普通穩(wěn)壓二極管相同，其電壓－電流正向特性與普通二極管相同，反向特性與典型的PN結(jié)雪崩器件相同。圖5是TVS的電流－時間和電壓－時間曲線，在瞬態(tài)峰值脈沖電流作用下，流過TVS的電流，由原來的反向漏電流ID上升到IR時，其兩極承受的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR，TVS被擊穿，隨著峰值脈沖電流的出現(xiàn)，流過TVS的電流達到峰值脈沖電流IPP，在其兩極的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓VC以下。其后，隨著脈沖電流按指數(shù)規(guī)律衰減，TVS兩極的電壓也不斷地下降，最后恢復(fù)到起始狀態(tài)。這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護電子元器件的整體過程。7.2TVS的特性參數(shù)7.2.1最大反向漏電流IDVWM是TVS最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓，當這個反向電壓加在TVS的兩極之間時，它處于反向關(guān)斷狀態(tài)，流過它的電流應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流ID。TVS的最大反向漏電流ID一般小于5微安。7.2.2最小擊穿電壓VVBR是TVS的最小雪崩電壓，25℃時，低于這個電壓，TVS是不導(dǎo)通的。當TVS流過規(guī)定的1毫安電流（IR）時，TVS兩極間的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標準值的離散程度，可把TVS分為±5%和±10%兩種，對于±5%VBR，VWM＝0.85VBR對于±10%VBR，VWM＝0.81VBR7.2.3最大箝位電壓V當持續(xù)時間為20微秒的脈沖峰值電流IPP流過TVS時，在其兩極之間出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。VC和IPP反映了TVS器件的浪涌抑制能力。VC與VBR之比稱為箝位因子，一般在1.2～1.4之間。7.2.PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功率耗散。在給定的最大箝位電壓下，功耗PM越大，其浪涌電流的承受能力越大；在給定的功耗PM下，箝位電壓VC越低，其浪涌電流的承受能力越大。7.2.TC是從零到達最小擊穿電壓VBR的時間，對單極性TVS小于1×10-12秒，對雙極性TVS小于10×10-11秒。7.3TVS的選用TVS的具體選用按以下原則：⑴、確定被保護電路的最大工作電壓（直流電壓或交流峰值電壓）。⑵、TVS的額定反向關(guān)斷電壓VWM應(yīng)大于或等于被保護電路最大工作電壓。若選用的反向VWM太低，保護器件可能進入雪崩狀態(tài)或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。⑶、TVS的最大箝位電壓VC應(yīng)小于被保護電路的損壞電壓。⑷、在規(guī)定的脈沖持續(xù)時間內(nèi)，TVS的最大峰值脈沖功率PM必須大于被保護電路可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。⑸、根據(jù)用途選用TVS的極性，直流電路選用單極性TVS，交流電路選用雙極性TVS較為合理。在程控交換機中，話路的工作電壓為直流48伏，振鈴工作電壓為交流90±15伏，其最高峰值電壓為149伏，選用TVS應(yīng)按電壓較高的振鈴電壓計算，選TVS額定反向關(guān)斷電壓VWM應(yīng)大于或等于149伏。根據(jù)上述VWM＝0.81VBR，則計算出TVS的擊穿電壓VBR為184伏。實際選用標稱系列值180伏。8電子信息系統(tǒng)的防雷保護電子信息系統(tǒng)不僅有電源進線接口，還有信號輸入輸出接口，這些接口的線路較長，易與閃電耦合，也是感應(yīng)脈沖過電壓波侵入的主要通道，所以電子信息系統(tǒng)的致命弱點是電磁兼容能力差，易受閃電的危害。因此電子信息系統(tǒng)的防雷保護應(yīng)進行分區(qū)保護，如劃分為直擊雷保護區(qū)、非直擊雷保護區(qū)、室內(nèi)第一級建筑屏蔽保護區(qū)、室內(nèi)第二級建筑屏蔽保護區(qū)。在分區(qū)保護的原則下，進行信息防雷的系統(tǒng)設(shè)計是實現(xiàn)全方位保護的重要思想，從直擊雷保護、均壓設(shè)計、到感應(yīng)脈沖過電壓的保護等設(shè)計均不能留有缺口。根據(jù)信息防雷的需要，直擊雷的保護應(yīng)采取抑制性的措施，力求減少或避免直接雷擊，因此應(yīng)防止濫用避雷保護，宜用避雷網(wǎng)或避雷帶保護。均壓設(shè)計應(yīng)采用嚴格的一點接地網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使所有電子信息設(shè)備均從一點獲得基準零電位，即使雷電流通過一點接地網(wǎng)絡(luò)，地電位只是瞬間升高，各地線之間不會出現(xiàn)毀壞性電位差。9交換機電源防雷鑒于電子信息設(shè)備的電源系統(tǒng)極易遭受大氣過電壓和操作過電壓的損壞，以及交直流供電電源轉(zhuǎn)換時容易造成計算機瞬間斷電，致使設(shè)定程序錯亂，我們特別設(shè)計了程控交換機防雷供電電源（見圖6）。圖6中1FB為Y3W－0.5／2.3型金屬氧化物避雷器，3千安雷電沖擊電流殘壓不大于2.3倍；2FB為Y3W－0.25／1.2型金屬氧化物避雷器，3千安雷電沖擊電流殘壓不大于1.2倍；B為380伏／220伏隔離電源變壓器，采用線電壓供電技術(shù)；限流式直流穩(wěn)壓電源具有限流特性。限流特性在這個系統(tǒng)中是很重要的，因為在交流電源停電一段時間之后蓄電池端電壓將下降，當交流電源重新來電時，直流穩(wěn)壓電源對蓄電池充電電流的沖擊太大，如無限流特性，勢必造成直流穩(wěn)壓電源的損壞；D為單向?qū)щ姸O管，防止蓄電池向直流穩(wěn)壓電源倒供，蓄電池標稱電壓48伏，直流穩(wěn)壓電源輸出55伏，正常使用時讓蓄電池處于浮充電狀態(tài)；TVS為15kW系列標稱擊穿電壓VBR為75伏規(guī)格的單極性瞬間電壓抑制器，作為過壓和防雷擊保護用；程控交換機專用電源箱將直流穩(wěn)壓電源和蓄電池來的直流電源轉(zhuǎn)換成交換機的各種電壓等級的電源，供交換機正常工作使用。該供電電源的特點是：⑴、防雷性能好。⑵、對于電源內(nèi)部過電壓也能很好防護。⑶、不受電源電壓波動的影響。⑷、具有不停電性能。⑸、對于交流電源突然停電和突然來電不會干擾計算機工作。⑹、采用線電壓供電，不受相電壓不平衡造成的損壞。10交換機話路防雷根據(jù)前面分析的原理，利用電感器、電容器、氣體放電避雷器、氧化鋅壓敏電阻和瞬間電壓抑制器等元件構(gòu)成高性能的話路防雷接線，見圖7。在圖7中RD為PolySwitch自復(fù)式保險絲，它是一種高分子過流保護元件，具有以下的特點：內(nèi)阻低，在通信線路中損耗低，遇故障動作速度快，有效保護話路安全。如沒有可用0.5安的易熔合金保險絲代替。FS為雙極式通信用氣體放電管，放電電壓230伏，作線路避雷器用，對線對地過電壓起防護作用。MY為MYL1－180／1型氧化鋅壓敏電阻，通流容量１千安，標稱電壓180伏，對線間過電壓起防護作用。TVS為1.5KE180A型瞬間電壓抑制器，對話路過電壓起全面防護作用。L為電感器，作為反射雷電波用，使得FS易放電。C為電容器，利用了電容器兩端電壓不能突變的工作原理來保護程控交換機的話路不會過壓。為了進一步提高話路防雷可靠性，程控交換機話路部分接地和電源系統(tǒng)接地必須采用一點接地。參考文獻[1]瞬態(tài)電壓抑制器的特性及應(yīng)用.西安虹飛科技公司產(chǎn)品使用手冊[M].2023:1～4[2]應(yīng)洪正.正確應(yīng)用兩種不同的防雷保護方法[J].電信技術(shù)，2023,(7):34～36作者簡介林永，1977年生，男，籍貫福州，現(xiàn)