在IEC 61312—3:2000的“雷电电磁脉冲防护第3部分:对浪涌防护器的要求”中的“7.能量配合7.1能量配合的一般目的”中指出:“如果对04/。。(/恤,)的每一个浪涌电流值,若由SPD2(第二级保护器)耗散的能量低于或等于SPD2的最大耐受能量(对去耦元件也是如此),则实现了能景的配合。”这个最大耐受能量定义为SPD所能耐受的不致引起性能恶化的最大能量,可以从试验结果获得(在试验中对于I级测试采用/:,,值;对于Ⅱ级测试采用/。。,值,为不致引起SPD性能恶化通过的最大能量)。
在IEC 61643—1:1998的“接到低压配电系统的浪涌保护装置第1部分:性能要求和试验力法”(及8001年版修订件1号)中的“浪诵防护罪的去耦”给出了”电压开关型SPD之间的配合及与电压限制型SPD的配合”内容,指出“去耦元件可采用分立设备,也可采用防雷区界面和设备之间的线缆的自然电阻和电感”,并给㈩F计算公式及结论,开关型与限压型之间线缆长度应为5~10m,限压型SPD之间线缆长度应为3~5m,如达不到时,可串接足够电感量的去耦元件。
能最配合的目的是:SPD是非线性器件,由于结构和性能的不同,其各有特点(见表4—6),为了保证响应速度快、特征能量小的器件在工作时,通过的能量不超过自身最大承受能量并及时响应,并把余下的更大的能量交换到反应慢但可以承受更大能量的SPD器件上,因此需要能量配合。
在IEC 61312—3:2000的“雷电电磁脉冲防护第3部分:对浪涌防护器”的要求中的“7.能量配合7.x保护系统的基本配合方案的方案广中指出:“个具有不连续伏安特性的组件(开关型SPD,如放电间隙)后续的SPD为且有连续伏安特性的组件(限压犁SPD)的特点是第一个SPD的开关作用,使原来的电流脉冲(10/3501,s)的半值时间减小,从而大大减小于后续SPD的载荷量。”如图4—lo所示,所以能量配合还可以大大提高眼压型SPD的寿命。
但是在国内目前的防雷设计往往没有考虑能量配合,例如,采用两级压敏电阻做保护时,山于它们屑于限压型SPD间的配合,若没有去耦,则第一级SPD形同虚设,保护不会起作用。同时,通过压敏电阻的并联来增大电源保护器的通流量也是不可取的,可以把压敏电阻的并联看作去耦距离为无限短的两级SPD,由于没有能量配合也无法提高冲击能量。氧化物压敏电阻的非线性及伏安特性的离散性(1EC容许压敏电压有+10%的误差)决定了并联后每增加一倍数量的器件,SPD的通流量/。最多增加1.2倍。
以下将通过对自感去耦的能量分配的分析,简单讨论几种去耦02的特点及自感去耦的优缺点,重点介绍PHOENIX—CONTAXT公司最新提出的世界领先的主动能量控制(Active EnergyContr01)技术,以下简称AEC技术。
(1)自感解耦(静态伏安特性配合)。放电间隙的放电取决于氧化物压敏电阻两端的残压(u,。.)及去耦元件两端的动态压降uI/e在触发放电前,Ur,=Uv。十u,,若超过放电间隙的动态放电电压,就实现丁配合,这只取决氧化物压敏电阻的特性、浪涌的上升陡度及幅值、去耦元件的性质(如空气芯电感、铁心电感或电阻)。
图4—u为自感去耦时浪涌能量分配(为/—f波形),在图4—u中所示电流波型的面积代农的物理含义为
Q=l Xt 2 XiXLdi/d‘(4—4)
式中:Q为电荷量;Jl为波前时间;“为视在半峰时间㈠为浪涌电流;L为去耦电感。
同时由于
W(kCS自)=I/l X/:X;’XLdi/dJ(4—5)
Q与w具有直接的数学关系,所以可以用/—,波形面积定性地比较浪涌能景的分配。能量交换的时间点取决于浪诵电流的陡度,A点为理想的交换点,这时限压型SPD所受到的能量等于它自身可以承受的最大值w=w,:。B点为提前交换点,这时,氧化物压敏电阻所受到的能量w《w-。。当然这时氧化物压敏电阻的寿命会大大延长,残压也会比A点中的氧化物压锰电阻要低得多。在囤4—ll巾的C[K为未能交换的情况,这时氧化物压敏电阻将承受所有的浪涌能量,w》w。。+这时氧化物压敏电阻—定会被损坏,同时前面的开关型SPD也无法正常响应。
(2)去耦元件的性能分析。为了达到能量配合的目的,要采用电感作为去耦元件,这时必须考虑浪涌电流的上剖.g十间及峰值幅度(如10/350t,s、8/20/ls)。山仙鹧大,去耦所需的电感越小。对于去耦电感,目前有两种技术:空气芯电感、铁心电感。
铁心电感的电感量LFF=//,XL,(磁导率/‘,不是常数,取决]‘频率、磁场强度、交变场应力等,l,为铁心电感)。频率对于电感的影响主要是在单一频率厂的电流(如正弦波)。而生泊涌时,对于能量配合来说,时间对于电感的影响(电感瞬态特性理论)才更重要,一个铁心电感在‘个很高的瞬变电流的作用下磁芯会立刻饱和,同时电感量也会快速减少达到空气芯电感的电感鼍。同时依照电感特性理论,在瞬态场电流的作用下,每个电感会产生时变电感最L+这个电感量在铁心电感韶中的变化(dL,/dt)非常大,而由频率决定的磁导芈9,和涡旋感应电流也会导致各种不同电感量的时间特性。从试验情况可以知道,金属芯电感产生的能量交换点靠前,配合效果要好于空气芯,但是金属芯电感去耦器必须设计成瞬态特性的,并且常态的电感量要很大。由于目前技术发展水平的限制,电感上耦还是存在着一些不足:
1)能量控制点要依靠于电流的陡度。
2)线路的额定电流受限制于电感芯的额定电流(如I,T63,额定电流为53A)。
3)能源浪费(热能),丁频电流会流过电感心。
4)::用一定的安装空间。
所以随着技术的进步,德国菲尼克斯公司在2001年汉诺威博览会椎㈩了新一代的能量配合概念一一主动能量控制(ActiveEnergyControl,AEC)。