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雷电浪涌防护一级测试波形的选择——8/20波形和10/350波形的比较研究
添加时间:2007/11/28    浏览次数:[ 2163 ]    [ 字体:   ]

本文以Dion Neri Bruce Glushakow 所著的白皮书为基础,该白皮书经IEEE审核后被确定为学术理论性文件。

  开始论述之前,我们先关注一下这样一个事实:多年来,美国的浪涌保护器(又称瞬态电压抑制器TVSS)的测试方案都以ANSI/IEEE C62.41(美国国家标准委员会/电气电子工程师协会C62.41标准)为测试规范。而在实际应用中,按照该标准进行设计、生产、测试的浪涌保护器在全球市场上取得了良好的应用效果。

一、历史回顾:10/350 作为一级测试波形的由来

  1995年以前,包括美国在内的大多数国家都采用8/20 波形测试浪涌保护器,“国际电气规范”(IEC)也采用相同的做法。但此后,在IEC 61643标准文件中,却对安装在建筑物进线处的浪涌保护器引入了新的“配电系统1级防护”测试方案。为了适应IEC 61643对冲击脉冲电流(Iimp)的要求,测试机构不得不将测试波形改为10/350。而这一变化的所谓“理论基础”是:10/350的波形更接近于直接雷击的波形参数,因此,在对此类进行浪涌保护器(IECSPD)的有效性测试时采用10/350波形比8/20波形更合适。

  然而,在经过大量可靠的跟踪调查之后,
IEEE认为对测试方案做出类似的改动根本不具备充分的理由,因此仍然坚持采用8/20波形。但在现实中,IEC引入的“配电系统1级防护”测试新方案却在浪涌保护器市场上造成了混乱:在某些欧洲生产商的鼓动下,“配电系统1级浪涌保护器” 在设计、生产上按照10/350测试脉冲为参考,采用真空管作为防护元件,并宣称该种保护器成为所谓“主流”。他们依据很简单:“既然直接雷击的波形只能用10/350波形的脉冲进行模仿,所以,ANSI/IEEE所主张的8/20波形的测试规范就不足以起到防护直接雷击的作用。”

IEC选择10/350 的技术依据

  按照IEC的“新要求”,测试“防护直接雷击的浪涌保护器”时应采用10/350波形冲击脉冲,而测试“防护间接雷击的浪涌保护器”时应采用8/20波形。

  从右图可见,
100kA10/350波形脉冲的放电强度是20kA 8/20 波形脉冲的125倍。

125 × 0.4 = 50

  照此类推:我们可以得出以下结论:

  如果使用压敏电阻
MOV作为浪涌抑制元件,设计一个能防护100kA 10/350 波形的冲击脉冲的保护器,它所具备的放电能力必须相当于防护2500kA8/20波形冲击脉冲的能力。

  以上结论的计算过程发表在
IEC的规范文件中,并以此作为理论依据证明:“按10/350波形测试设计的保护器的防护能力比按8/20波形测试的保护器要高20倍以上。”

三、对10/350波形的采用的争议

  我们讨论这样的结论是否正确之前,先看看这样一些事实:

  1
.按8/20设计的浪涌保护器的实际应用状况

  多年来,在所有采用ANSI/IEEE标准测试的低压浪涌保护器的市场上,至今没有,也没有必要设计出浪涌能力在2500kA的保护器。其原因在于:

  (1)多年现实的应用告诉我们:即使是在雷电现象最恶劣的地方,浪涌能力在
8/20波形400kA的保护器所具有的防护水平,对付极端恶劣的直接雷击事件都已经绰绰有余。
  (2)在世界范围内,采用
8/20测试波形的保护器在保护敏感电子设备免遭直接雷击的打击时所表现出的性能一直非常稳定可靠。

  2IEC内部关于是否应该采用10/350波形也存在争议

  1995
年,10/350测试波形首先出现在IEC 61312-1 标准文件中。但在此前后,IEC内部对是否采用10/350波形存在着不同的看法,这种反对意见随着人们对直击雷认识的提高,反对的声音也越来越高。

  在
1995年召开的TC 81委员会会议上,通过多方游说,18个选举国家中的14个对10/350测试波形议案投了赞成票,并通过议案。2000年,在对“IEC 61312-32000”修改案进行投票时,19个选举国家中投赞成票的国家减少为13个。从此我们可以看出,到2000年,在IEC内部有近1/3的国家对10/350测试波形持反对态度。

IEEE 对直击雷的研究

  IEC 61312-1 标准文件推出以后,IEEE C 62.41.2-2002 标准文件对“首次雷击(first-stroke lightning) 进行了评估,评估范围包括了IEC 61312文件中规定的“半峰值时间”为350毫秒的冲击脉冲(10/350波形),并得出以下结论:

  “
IEC所谓‘高能量浪涌的防护要求’是建立在有限的数据分析基础之上,其原因在于:当我们把这样的‘要求’和按照IEEE C62 系列文件所设计的浪涌保护器的实际应用效果相比较时,就发现这种‘要求’不可靠。”

  IEEE
的这次评估审查了以下三方面的问题:

  (1)10/350波形是谁首先提出的,依据是什么?
  (2)在决定浪涌保护器的测试波形时,到底应该以什么样的技术数据为依据?

  (3)10/350
波形和直接雷击的相似性到底有多少?

  1.什么叫10/350 波形?

  10/350
是表示冲击脉冲电流时间变化的数据。其中10(微秒)表示冲击脉冲到达90%电流峰值的时间,而350表示从电流峰值到半峰值的时间(T2)。

  事实上,不管成因是否为雷击,任何一个持续时间在
350毫秒的高峰值电流(Ipeak)对于任何一种以半导体元件为主的保护器都是致命的。

  现在我们可以明确:

  
IEC 61312-1 标准文件的制定者们采用了10/350波形这个事实。然而,通过该标准文件的IEC TC 81委员会会议还在其标准文件中宣称“采用10/350测试波形的理由就是:常见雷击的‘半峰值’时间就是350毫秒。”

  2.确定10/350测试波形到底应该以什么样的技术数据为基础?

  既然
IEC 确定10/350波形是根据这样的理由,现在我们对这种理由的正确性做出分析。

  (1)IEC 61643-1
号文件将IEC 61312-1指定为雷电浪涌测试参数的唯一规范性文件。(请参见IEC 61643-1号文件143页的附录A
  (2)IEC 61643-1
号文件有关雷电电流的参数的确定依据仅仅只是凭借于1975年和1980年发表在国际电气杂志上的两篇文章。

  现在,我们就对这两篇文章进行分析。

1975年文章

  在分析K·Berger结论之前,我们先看看IEC 61312-1文件的测试波形的选择依据:

  IEC 61312-1文件的主要依据是“首次阳性雷击 (first positive stroke)”的参数。对于这种做法,TC 81委员会在该文件的附录A中这样解释到:“我们认为,在所有的闪电中,90%的闪电为阴性,10%为阳性。但由于首次阳性闪电的构成为:首次雷击长时雷击,所以首次阳性放电能量很大,因此,雷击的峰值参数应该以此作为依据。就1级防护来说,尽管首次阳性雷击的出现机率低于10%,但其各项数据可以涵盖所有闪电中的99%,因此,雷电参数的峰值,如电流峰值参数Ipeak,闪电电荷参数Qf ,短时雷击参数Qs ,具体能量参数W/Q,都应该以此为依据。另外,大多数阴性闪电的峰值远远低于首次阳性直击雷,虽然有些阴性闪电的参数可以比首次阳性直击雷还要高,但比例在所有闪电中不足1%,因此可以忽略不计。

  换句话说,
IEC 61312-1文件的制定者们认为:只要他们考虑到了那些出现虽然机率较低,但持续时间较长的“首次阳性雷击 (first positive stroke)”,就可以确保“安全”。但对于这样的结论,连1975年文章的作者K·Berger自己都认为是片面的。

  1975
年,从事雷电研究的瑞士电气工程师K·Berger在国际电气杂志上发表文章,认为直击雷的电流波形近似10/350波形。

  现在我们来分析一下他得出该结论的关键因素:

  雷击采集地点:位于瑞士
Lugano湖边附近的San Salvatore山上的一所雷电监测站。

问题1:将高塔引雷造成的回击雷当成直击雷

K·Berger文章中所提到的 阳性云地闪电 的探测地点是位于有高塔的山顶上,这和位于山顶的没有高塔的其它建筑的雷电情况不同。有高塔的山顶建筑会引雷。事实上,在K·Berger探测到的所有闪电中,除一次例外,其余的闪电的构成都是先由高塔向上引雷,然后是向下的雷击。而的IEC 61312-1文件却以此为依据,将这种山顶高塔回击雷当作所谓“占自然雷击10%的阳性直击雷”。然而在现实环境中,高塔引雷所引发的回雷击事件在所有雷击事件中的比例还远不到1%

  现在我们知道,
IEC 61312-1文件的制定者们以K·Berger的研究结果为依据,把阳性的回击雷(positive return strokes) 看作是首次阳性直击雷,并得出结论:“首次阳性雷击”的电流峰值Ipeak比阴性的雷击要高得多。但这种认识却是值得怀疑的,依据如下:

  20
世纪末,“美国国家雷电探测网NLDN”对6千万次闪电进行了研究,结果显示:阳性或阴性的地高峰值电流闪电(LPCCG)占其中的146万次,比例为2.46%。而对于所有Imax75kA的闪电,阴性地高峰值电流闪电在数量上大大超过阳性地高峰值电流闪电。由此可见,IEC有关阴性雷和阳性雷电流大小的结论是站不住脚的

问题2:对阳性回击闪电的波形和阴性闪电的波形的理解

IEC 61312-1文件认为,阳性回击闪电的波形和阴性闪电的波形存在着很大的差异。然而,“美国国家雷电探测网NLDN”的研究却证明这两种波形在很大程度上是类似的。

1980年文章

1980年,国际电气杂志发表的一篇文章认为,雷击事件的电流波形近似10/350波形。IEC再次接受了文章的观点。但在国际范围内,包括欧洲其它的权威机构,对此种观点并没有表示赞成。例如总部位于法国的知名非政府国际组织“大型配电系统国际理事会(CIGRE)”的专家们就对此持反对态度,其双语杂志《Electra也拒绝刊登任何支持类似观点的学术文章。

  (
CIGRE成立于1921年,其创建宗旨是促进各国电气工程师及专家之间的知识信息交流,并开展学术研究。)

  310/350波形和直接雷击的相似性到底有多少:雷击持续时间研究

  说实话,雷击事件可能是自然界中最难以琢磨的现象之一。其中的主要原因是由于雷电现象研究本身难度很大,因此,在现阶段最可靠的依据就是实际应用效果和大规模的调查研究的结果。目前,大量的研究证明以下的事实是值得信赖的:  

  (1)2001年,“高压电气工程”的作者J·R·Lucas 在其文章中提出,在计算雷电浪涌时,回击雷过程中出现的高电流是唯一比较特殊的情况。在这一过程中,电流的波形可以表示为:

       i = I(e-alpha x t – e-beta x t)

  其中波前时间为0.5~10毫秒,波尾时间为30~200毫秒。
  但
通常来说,雷击电流波形的波前时间应为6毫秒,波尾时间为25毫秒(6/25)
  
(2)韩国电力公司进行一项为期5年的研究。结果发现,在他们所监测到的雷击中,95%的半峰时间不到22毫秒,而平均峰值时间为10.82毫秒。
  (3)1977
年,在日本举行的一项研究中,发现平均半峰时间为40毫秒。
  (4)美国国家海洋
&大气管理局(NOAA) 经研究提出:“回击雷的峰值电流的变化范围在5~200kA,而半峰时间的变化范围在20~50毫秒。

  从以上研究中我们看出:除了回击雷这一例外(
0.5~10 / 30~200),大多数直击雷的比较接近8/20波形。

五、IEEE采用的直击雷测试波形

在对雷电浪涌环境,测试波形及测试程序进行了广泛深入的调查研究之后,IEEE最终确定应用于浪涌保护器测试的波形,并在IEEE C62.41.2-2002标准文件中推荐采用:

  (1)配电系统
CB类:1.2/50 ~ 8/20 混合波,前者用于电压测试,后者用于电流冲击测试。
  (2)配电系统
A类:100kHz 环波(模拟低幅瞬态电压和电磁射频干扰)

IEEE 有关雷电浪涌防护的标准文件包括C62.45-2002C62.41.1-2002C62.41.2-2002,技术材料总共292页。按照IEEE标准设计生产的浪涌保护器广泛应用在世界上电子设备最敏感,数量最密集的地方,实际应用效果在世界范围长期得到肯定。


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