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興義市防雷中心工程師淺談系統防雷工程
發布時間:2015/5/15 17:20:02 點擊次數:

興義市防雷中心工程師淺談系統防雷工程

 興義市防雷中心工程師:防雷是一個系統工程,從防雷設計到與系統配合,從關聯試驗到現場運行,存在著許多需要試驗驗證問題,只有進行了充分的可靠性評估,才能保證系統在雷擊和惡劣的供電條件下正常運行,將故障率降到最低。但是,對系統防雷的可靠性評估,是一項復雜、繁瑣的工作,需要通過許多試驗來進行驗證,甚至需要對現場雷擊損壞的產品進行剖析,才能獲取產品存在的缺陷。所以,對于系統防雷的可靠性評估,需要從系統設計方案開始就提前介入,這樣可以全面考慮系統將面臨的雷擊問題。下面,就如何進行系統防雷的可靠性評估談談個人的看法。
   一、系統設計前的防雷可靠性評估
    1、對系統的應用場景進行評估
    需要對系統應用場景進行詳細的評估,了解系統前端的防雷配置和接地情況,分析系統可能遭受雷擊的原因;
    2、對將要采用的保護電路進行評估
    針對不同防雷要求的系統,應該采用不同的保護電路。需要對保護電路的保護效果、關聯影響等各種因素進行評估;
    3、對選擇的防雷元器件進行評估
    如何選擇合適的防雷元器件,是實現可靠防雷保護的關鍵。首先所選的防雷元器件應該滿足布板面積、高度的要求;其次在通流能力、殘壓等方面需要滿足系統的判據要求;最后需要對使用的防雷元器件,在高溫、高濕(系統運行條件)方面,失效保護方面進行全面評估,從而保證系統的正常運行;
    4、對防雷與系統整體配合的評估
    對于防雷與系統整體的配合,需要進行相應的試驗驗證,可以重點關注下面各項試驗驗證的要求。
    二、防雷元器件和系統的試驗驗證評估
    對防雷元器件和系統進行試驗驗證,是保證系統防雷安全可靠的一個重要環節。試驗驗證將一一對應防雷元器件和系統的關鍵技術指標進行測試。下面是試驗驗證需要進行的驗證項目:
    1、防雷元器件的通流能力
    根據不同系統的防雷等級要求,選擇的防雷元器件也有所不同,例如:在浪涌4kV以下的系統,防雷元件可以選擇TVS,就能夠滿足系統的測試要求;6kV/3kA以上可選20D的壓敏電阻或TMOV(包括簡易TMOV);5kA以上應選用脫扣模塊、TMOV、多間隙放電管等。
    2、防雷元器件的耐高低溫、高濕特性
    按照目前系統運行的實際環境,根據各系統不同的要求,對在其系統中使用的防雷元器件進行相應的高低溫、濕度的試驗。例如:在RRU的環境試驗中,系統內部的實際運行溫度已經達到了90°左右,這就要求安裝在系統內部的防雷元器件能夠在90°溫度的條件下正常運行。根據高溫試驗的要求,防雷元器件需要進行1000小時的高溫試驗,才能確定防雷元器件在高溫條件下的使用壽命。
    3、防雷元器件的抗雷電沖擊能力
    在系統內部使用的防雷元器件,如果沒有特殊要求,應該重點關注防雷元器件的額定通流能力,并且需要留出一定的余量,只有這樣才能保證系統在遇到雷擊和過電壓時,只要不出現強雷擊等狀況,系統都能夠正常運行。例如:系統電源端口的防雷能力要求滿足20kA時,我們在選擇防雷元器件時,首先要求防雷元器件需要滿足系統的試驗沖擊次數,現在提出的要求是20次,這對防雷元器件的標準額定沖擊次數15次(國標、行標都是按照15次的要求制定的)的要求本身就提高了,也就是說防雷元器件必須提高耐沖擊能力才能滿足要求,所以防雷元器件的額定通流能力就必須提高,并且有一定的余量。
    4、防雷元器件的安全性評估
    防雷元器件除了需要保護系統免遭雷擊、過電壓的損壞,還需確保在自身損壞時,能夠安全脫離電源系統,避免發生因防雷元器件失效引起燃燒、爆炸等導致系統損壞的故障。所以,對所選用的防雷元器件一定要進行熱穩定試驗、大電流脫扣試驗、工頻耐受試驗和阻燃試驗等等。例如:當系統額定工作電流為63A時,在考慮系統短路電流>63A的前提,對所選用的防雷元器件做大電流脫扣試驗時,應該選擇75A、100A的電流等級上進行。如果電源輸入端口配置有空開的話,大電流脫扣試驗的電流需要大于等于空開的額定電流。
    5、防雷元器件外形結構的評估
    安裝在系統內部PCB板上的防雷元器件,外形結構將直接影響占板面積、安裝空間和通流能力等等,應盡量避免防雷元件采用平鋪疊層的安裝模式,因為采用平鋪疊層安裝,很容易造成單只防雷元件擊穿損壞起弧時,將疊在一起的其他防雷元件燒壞,出現短路燃燒損壞系統。所以應盡量選擇獨立帶有失效保護的防雷元器件。例如:在通流能力要求比較大的系統中,由于受到高度限制,不能夠采用脫扣模塊或TMOV,就選擇壓敏電阻元件進行多個并聯方式,平鋪疊層安裝在系統的電源板上,來滿足高度和通流的要求。這種保護模式存在主要問題是上面描述的狀況,另外在失效保護方面也存在保險絲的匹配問題。所以,在這種情況下,應盡量考慮選擇能夠滿足要求的模塊化防雷元器件。
    6、不同防雷元器件的選型
    防雷元器件的選型是按照安全、可靠、經濟、適用的原則,根據系統對防雷的不同要求來選擇不同的防雷元器件。從安全可靠的角度出發,在系統內部使用的防雷元器件盡量選用自帶失效保護功能的防雷元器件。例如:帶脫扣功能的防雷模塊、帶溫度保險絲的TMOV或簡易TMOV、帶脫扣功能的多間隙放電管等。
    7、系統防雷的試驗驗證
    系統防雷的試驗驗證是一項針對性、關聯性很強的工作。試驗主要針對系統可能遭受雷擊各種環境條件和雷擊強度。進行試驗時,需要盡量模擬現場可能遇到的各種情況,按照系統能夠承受的額定通流能力進行沖擊,從沖擊試驗中出現的問題查找原因,確定改進方案。例如:系統進行通電和斷電、接地與不接地等等的雷擊試驗,用以檢驗系統可能發生的雷擊故障。
    三、試驗驗證結果的判定
    1、高溫、高濕的加載試驗
    防雷元器件在完成規定試驗后,需要對防雷元器件的基本參數進行測試,要求防雷元器件的基本電氣參數不發生變化或變化的數據不超過限定的范圍。例如:壓敏電阻的壓敏電壓變化率不超過±10%、陶瓷氣體放電管的直流點火電壓不超過±20%以及外形不發生變形等等。
    2、雷電的沖擊試驗
    根據防雷元器件的額定通流能力,按照相關標準,對其實施規定次數的沖擊試驗,沖擊試驗完成后對防雷元器件基本參數進行測試,要求防雷元器件的基本電氣參數不發生變化或變化的數據不超過限定的范圍。例如:壓敏電阻的壓敏電壓變化率不超過±10%,如果出現個別樣品(根據試驗樣品數量而定)超標,或者出現個別樣品損壞,則需對產品加倍抽樣進行試驗;第二次試驗再發生上述情況則判定產品不合格。
    3、熱穩定和大電流試驗
    防雷元器件進行熱穩定和大電流試驗,主要考核防雷元器件的安全性,熱穩定試驗主要針對防雷元器件在運行使用過程中發生劣化時,能否安全與系統脫離;大電流試驗主要針對防雷元器件在系統發生電力故障時,如果出現損壞能否安全與電源系統安全脫離。所以,在進行熱穩定和大電流試驗中,只要防雷元器件出現燃燒、爆炸等現象,就可以判定產品不合格。對測試結果有疑問的,可以采用加倍抽樣來進行試驗驗證。
    4、系統的雷擊試驗
    系統進行雷擊試驗,是根據系統運行狀況來判定是否滿足要求,在試驗過程中,只要不出現超過判據要求的故障現象,即可認定為滿足要求。但是,在系統做雷擊試驗時,會存在許多不確定因素,需要進行試驗驗證來進行確認。例如:系統在進行10kA以上的雷擊試驗時,由于防雷部分沒有采取屏蔽措施,當實施大電流沖擊時產生的電磁感應,可能會造成系統的部分控制電路誤動作,導致試驗失敗??梢圆捎梅植皆囼灥姆绞脚懦收?。
    四、系統防雷的可靠性評估
    防雷是系統工程,需要關聯到方方面面,從防雷元器件的選型、防雷元器件的安裝位置、防雷元器件的安全可靠性、防雷保護級數的配置、防雷元器件的應用環境等等,再到系統的防雷要求、系統的應用場景、雷擊引入系統的模式、雷擊電流對系統的影響等等,如果已經發生過系統的雷擊事故,則需將雷擊事故的發生原因和相關信息進行整合,結合以上各方面,通過試驗驗證來確認在系統上的防雷配置是否合理、安全,以及整改方案是否有效。綜合上述數據,對系統防雷進行可靠性評估。
    五、系統防雷的風險評估
    系統防雷的風險評估主要根據以下幾個方面:
    1、防雷元器件的使用壽命:使用環境的變化、雷暴日的多少等等,都會導致防雷元器件的使用壽命縮短;
    2、防雷元器件的安全可靠性:生產工藝的改變、產品批次的不同等等,也會導致防雷元器件的安全可靠性下降;
    3、系統的供電環境:惡劣的供電環境和電力故障會直接損壞防雷元器件;
    4、系統的運行環境:山區、郊區等地區,架空明線、小水電等供電,接地條件很差或無接地等等,都可能造成系統故障;
    5、 雷擊可能引入系統的通道:地電位反擊、直擊雷等等造成系統損壞。
    六、保護元件的失效模式影響分析
    保護元器件在遭受雷擊損壞后,對系統會產生不良影響。特別是獨立的保護元件(沒有任何保護措施)發生失效后,必定會造成系統故障,下表對可能發生的問題和解決方案進行了歸納:
保護元件
失效模式
失效影響分析
失效原因
解決方法
MOV
短路失效80%
空開跳閘,元件燃燒損壞PCB或系統
雷擊、電力故障等
增加熱保護和短路保護
開路失效10%
后續雷擊損壞系統
雷擊、操作過電壓能量大
提高通訊能力,增強短路告警
劣化失效10%
元件燃燒損壞PCB或系統
參數選擇縮小,遭受雷擊頻繁,使用時間過長
合理選擇參數,提高元件等級和測試
TVS
短路失效80%
元件燃燒損壞PCB或系統,后續雷擊損壞系統
雷擊、電力故障等,參數選擇縮小,遭受雷擊頻繁
提高元件等級,增加短路保護
開路失效20%
GDT
短路失效10%
元件發生高熱損壞PCB或系統
雷擊、電力故障等原因導致GDT產生續流,交流系統可能導致GDT短路
增加熱保護和短路保護
開路失效90%
    七、系統防雷可靠性評估的建模設想
    建立系統防雷可靠性評估的分析模板是一件比較復雜的工作,需要進行大量數據統計。但是,在對系統防雷進行可靠性評估中使用的大量數據,是來自我們的日常工作中,例如:系統安裝的環境、系統運行的參數、系統自身的防雷等級、系統主要元件的電壓電流應力、防雷元器件的選擇、防雷電路的設計等等,都需要通過大量的試驗來進行驗證。這些基礎試驗數據是對系統防雷是否滿足設計要求評審的主要數據,再加上設備在現場出現雷擊、操作過電壓和電力故障損壞的故障率,就可以對系統防雷的可靠性進行基本的評估。所以,關于系統防雷可靠性評估的模板建立,可以從簡單到復雜,從局部到全面,從主要數據到關聯參數,逐步完善評估系統,建立評估模板。
    以上介紹的內容,是通過從事防雷可靠性工作的一點心得體會,供大家參考。文章由科比特興義市防雷中心工程師介紹發布。

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