防雷技術(shù)

8/20 波形和10/350 波形的比較研究
作者: 佚名 時(shí)間: 2008-01-04 人氣: 761
本文章共4804字，


——8/20 波形和10/350 波形的比較研究


　　本文以Dion Neri 和Bruce Glushakow 所著的白皮書為基礎(chǔ)，該白皮書經(jīng)IEEE審核后被確定為學(xué)術(shù)理論性文件。

　　開始論述之前，我們先關(guān)注一下這樣一個(gè)事實(shí)：多年來，美國的浪涌保護(hù)器（又稱瞬態(tài)電壓抑制器TVSS）的測(cè)試方案都以ANSI/IEEE C62.41（美國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)/電氣電子工程師協(xié)會(huì)C62.41標(biāo)準(zhǔn)）為測(cè)試規(guī)范。而在實(shí)際應(yīng)用中，按照該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測(cè)試的浪涌保護(hù)器在全球市場(chǎng)上取得了良好的應(yīng)用效果。

一、歷史回顧：10/350 作為一級(jí)測(cè)試波形的由來

　　在1995年以前，包括美國在內(nèi)的大多數(shù)國家都采用8/20 波形測(cè)試?yán)擞勘Ｗo(hù)器，“國際電氣規(guī)范”（IEC）也采用相同的做法。但此后，在IEC 61643標(biāo)準(zhǔn)文件中，卻對(duì)安裝在建筑物進(jìn)線處的浪涌保護(hù)器引入了新的“配電系統(tǒng)1級(jí)防護(hù)”測(cè)試方案。為了適應(yīng)IEC 61643對(duì)沖擊脈沖電流(Iimp)的要求，測(cè)試機(jī)構(gòu)不得不將測(cè)試波形改為10/350。而這一變化的所謂“理論基礎(chǔ)”是：10/350的波形更接近于直接雷擊的波形參數(shù)，因此，在對(duì)此類進(jìn)行浪涌保護(hù)器（IEC稱SPD）的有效性測(cè)試時(shí)采用10/350波形比8/20波形更合適。

　　然而，在經(jīng)過大量可靠的跟蹤調(diào)查之后，IEEE認(rèn)為對(duì)測(cè)試方案做出類似的改動(dòng)根本不具備充分的理由，因此仍然堅(jiān)持采用8/20波形。但在現(xiàn)實(shí)中，IEC引入的“配電系統(tǒng)1級(jí)防護(hù)”測(cè)試新方案卻在浪涌保護(hù)器市場(chǎng)上造成了混亂：在某些歐洲生產(chǎn)商的鼓動(dòng)下，“配電系統(tǒng)1級(jí)浪涌保護(hù)器” 在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)上按照10/350測(cè)試脈沖為參考，采用真空管作為防護(hù)元件，并宣稱該種保護(hù)器成為所謂“主流”。他們依據(jù)很簡(jiǎn)單：“既然直接雷擊的波形只能用10/350波形的脈沖進(jìn)行模仿，所以，ANSI/IEEE所主張的8/20波形的測(cè)試規(guī)范就不足以起到防護(hù)直接雷擊的作用?！?br style="font-family: "Microsoft YaHei"; font-size: small; white-space: normal;"/>
二、IEC選擇10/350 的技術(shù)依據(jù)



　　按照IEC的“新要求”，測(cè)試“防護(hù)直接雷擊的浪涌保護(hù)器”時(shí)應(yīng)采用10/350波形沖擊脈沖，而測(cè)試“防護(hù)間接雷擊的浪涌保護(hù)器”時(shí)應(yīng)采用8/20波形。

　　從右圖可見，100kA的10/350波形脈沖的放電強(qiáng)度是20kA的 8/20 波形脈沖的125倍。

125 × 0.4 ＝ 50

　　照此類推：我們可以得出以下結(jié)論：

　　如果使用壓敏電阻MOV作為浪涌抑制元件，設(shè)計(jì)一個(gè)能防護(hù)100kA 的10/350 波形的沖擊脈沖的保護(hù)器，它所具備的放電能力必須相當(dāng)于防護(hù)2500kA的8/20波形沖擊脈沖的能力。

　　以上結(jié)論的計(jì)算過程發(fā)表在IEC的規(guī)范文件中，并以此作為理論依據(jù)證明：“按10/350波形測(cè)試設(shè)計(jì)的保護(hù)器的防護(hù)能力比按8/20波形測(cè)試的保護(hù)器要高20倍以上?！?br style="font-family: "Microsoft YaHei"; font-size: small; white-space: normal;"/>
三、對(duì)10/350波形的采用的爭(zhēng)議

　　我們討論這樣的結(jié)論是否正確之前，先看看這樣一些事實(shí)：

　　1．按8/20設(shè)計(jì)的浪涌保護(hù)器的實(shí)際應(yīng)用狀況

　　多年來，在所有采用ANSI/IEEE標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的低壓浪涌保護(hù)器的市場(chǎng)上，至今沒有，也沒有必要設(shè)計(jì)出浪涌能力在2500kA的保護(hù)器。其原因在于：

　?。?）多年現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用告訴我們：即使是在雷電現(xiàn)象最惡劣的地方，浪涌能力在8/20波形400kA的保護(hù)器所具有的防護(hù)水平，對(duì)付極端惡劣的直接雷擊事件都已經(jīng)綽綽有余。
　?。?）在世界范圍內(nèi)，采用8/20測(cè)試波形的保護(hù)器在保護(hù)敏感電子設(shè)備免遭直接雷擊的打擊時(shí)所表現(xiàn)出的性能一直非常穩(wěn)定可靠。

　　2．IEC內(nèi)部關(guān)于是否應(yīng)該采用10/350波形也存在爭(zhēng)議

　　1995年，10/350測(cè)試波形首先出現(xiàn)在IEC 61312-1 標(biāo)準(zhǔn)文件中。但在此前后，IEC內(nèi)部對(duì)是否采用10/350波形存在著不同的看法，這種反對(duì)意見隨著人們對(duì)直擊雷認(rèn)識(shí)的提高，反對(duì)的聲音也越來越高。

　　在1995年召開的TC 81委員會(huì)會(huì)議上，通過多方游說，18個(gè)選舉國家中的14個(gè)對(duì)10/350測(cè)試波形議案投了贊成票，并通過議案。




2000年，在對(duì)“IEC 61312-3：2000”修改案進(jìn)行投票時(shí)，19個(gè)選舉國家中投贊成票的國家減少為13個(gè)。從此我們可以看出，到2000年，在IEC內(nèi)部有近1/3的國家對(duì)10/350測(cè)試波形持反對(duì)態(tài)度。

四、IEEE 對(duì)直擊雷的研究

　　在IEC 61312-1 標(biāo)準(zhǔn)文件推出以后，IEEE C 62.41.2-2002 標(biāo)準(zhǔn)文件對(duì)“首次雷擊(first-stroke lightning) 進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估范圍包括了IEC 61312文件中規(guī)定的“半峰值時(shí)間”為350毫秒的沖擊脈沖（10/350波形），并得出以下結(jié)論：

　　“IEC所謂‘高能量浪涌的防護(hù)要求’是建立在有限的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)之上，其原因在于：當(dāng)我們把這樣的‘要求’和按照IEEE C62 系列文件所設(shè)計(jì)的浪涌保護(hù)器的實(shí)際應(yīng)用效果相比較時(shí)，就發(fā)現(xiàn)這種‘要求’不可靠。”

　　IEEE的這次評(píng)估審查了以下三方面的問題：

　?。?）10/350波形是誰首先提出的，依據(jù)是什么？
　　（2）在決定浪涌保護(hù)器的測(cè)試波形時(shí)，到底應(yīng)該以什么樣的技術(shù)數(shù)據(jù)為依據(jù)？
　?。?）10/350波形和直接雷擊的相似性到底有多少？

　　1．什么叫10/350 波形？

　　10/350 是表示沖擊脈沖電流時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。其中10（微秒）表示沖擊脈沖到達(dá)90%電流峰值的時(shí)間，而350表示從電流峰值到半峰值的時(shí)間（T2）。

　　事實(shí)上，不管成因是否為雷擊，任何一個(gè)持續(xù)時(shí)間在350毫秒的高峰值電流（Ipeak）對(duì)于任何一種以半導(dǎo)體元件為主的保護(hù)器都是致命的。

　　現(xiàn)在我們可以明確：

　　IEC 61312-1 標(biāo)準(zhǔn)文件的制定者們采用了10/350波形這個(gè)事實(shí)。然而，通過該標(biāo)準(zhǔn)文件的IEC TC 81委員會(huì)會(huì)議還在其標(biāo)準(zhǔn)文件中宣稱“采用10/350測(cè)試波形的理由就是：常見雷擊的‘半峰值’時(shí)間就是350毫秒?！?br style="font-family: "Microsoft YaHei"; font-size: small; white-space: normal;"/>
　　2．確定10/350測(cè)試波形到底應(yīng)該以什么樣的技術(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)？

　　既然IEC 確定10/350波形是根據(jù)這樣的理由，現(xiàn)在我們對(duì)這種理由的正確性做出分析。

　?。?）IEC 61643-1號(hào)文件將IEC 61312-1指定為雷電浪涌測(cè)試參數(shù)的唯一規(guī)范性文件。（請(qǐng)參見IEC 61643-1號(hào)文件143頁的附錄A）
　　（2）IEC 61643-1號(hào)文件有關(guān)雷電電流的參數(shù)的確定依據(jù)僅僅只是憑借于1975年和1980年發(fā)表在國際電氣雜志上的兩篇文章。

　　現(xiàn)在，我們就對(duì)這兩篇文章進(jìn)行分析。

▲1975年文章

　　在分析K·Berger結(jié)論之前，我們先看看IEC 61312-1文件的測(cè)試波形的選擇依據(jù)：

　　IEC 61312-1文件的主要依據(jù)是“首次陽性雷擊 (first positive stroke)”的參數(shù)。對(duì)于這種做法，TC 81委員會(huì)在該文件的附錄A中這樣解釋到：“我們認(rèn)為，在所有的閃電中，90%的閃電為陰性，10%為陽性。但由于首次陽性閃電的構(gòu)成為：首次雷擊 ＋ 長時(shí)雷擊，所以首次陽性放電能量很大，因此，雷擊的峰值參數(shù)應(yīng)該以此作為依據(jù)。就1級(jí)防護(hù)來說，盡管首次陽性雷擊的出現(xiàn)機(jī)率低于10%，但其各項(xiàng)數(shù)據(jù)可以涵蓋所有閃電中的99%，因此，雷電參數(shù)的峰值，如電流峰值參數(shù)Ipeak，閃電電荷參數(shù)Qf ，短時(shí)雷擊參數(shù)Qs ，具體能量參數(shù)W/Q，都應(yīng)該以此為依據(jù)。另外，大多數(shù)陰性閃電的峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于首次陽性直擊雷，雖然有些陰性閃電的參數(shù)可以比首次陽性直擊雷還要高，但比例在所有閃電中不足1%，因此可以忽略不計(jì)。

　　換句話說，IEC 61312-1文件的制定者們認(rèn)為：只要他們考慮到了那些出現(xiàn)雖然機(jī)率較低，但持續(xù)時(shí)間較長的“首次陽性雷擊 (first positive stroke)”，就可以確?！鞍踩?。但對(duì)于這樣的結(jié)論，連1975年文章的作者K·Berger自己都認(rèn)為是片面的。

　　1975年，從事雷電研究的瑞士電氣工程師K·Berger在國際電氣雜志上發(fā)表文章，認(rèn)為直擊雷的電流波形近似10/350波形。

　　現(xiàn)在我們來分析一下他得出該結(jié)論的關(guān)鍵因素：

　　雷擊采集地點(diǎn)：位于瑞士

Lugano湖邊附近的San Salvatore山上的一所雷電監(jiān)測(cè)站。

問題1：將高塔引雷造成的回?fù)衾桩?dāng)成直擊雷

K·Berger文章中所提到的 陽性云—地閃電 的探測(cè)地點(diǎn)是位于有高塔的山頂上，這和位于山頂?shù)臎]有高塔的其它建筑的雷電情況不同。有高塔的山頂建筑會(huì)引雷。事實(shí)上，在K·Berger探測(cè)到的所有閃電中，除一次例外，其余的閃電的構(gòu)成都是先由高塔向上引雷，然后是向下的雷擊。而的IEC 61312-1文件卻以此為依據(jù)，將這種山頂高塔回?fù)衾桩?dāng)作所謂“占自然雷擊10%的陽性直擊雷”。然而在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，高塔引雷所引發(fā)的回雷擊事件在所有雷擊事件中的比例還遠(yuǎn)不到1%。

　　現(xiàn)在我們知道，IEC 61312-1文件的制定者們以K·Berger的研究結(jié)果為依據(jù)，把陽性的回?fù)衾?positive return strokes) 看作是首次陽性直擊雷，并得出結(jié)論：“首次陽性雷擊”的電流峰值Ipeak比陰性的雷擊要高得多。但這種認(rèn)識(shí)卻是值得懷疑的，依據(jù)如下：

　　20世紀(jì)末，“美國國家雷電探測(cè)網(wǎng)NLDN”對(duì)6千萬次閃電進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示：陽性或陰性的云—地高峰值電流閃電(LPCCG)占其中的146萬次，比例為2.46%。而對(duì)于所有Imax＞75kA的閃電，陰性云—地高峰值電流閃電在數(shù)量上大大超過陽性云—地高峰值電流閃電。由此可見，IEC有關(guān)陰性雷和陽性雷電流大小的結(jié)論是站不住腳的

問題2：對(duì)陽性回?fù)糸W電的波形和陰性閃電的波形的理解

IEC 61312-1文件認(rèn)為，陽性回?fù)糸W電的波形和陰性閃電的波形存在著很大的差異。然而，“美國國家雷電探測(cè)網(wǎng)NLDN”的研究卻證明這兩種波形在很大程度上是類似的。

▲1980年文章

1980年，國際電氣雜志發(fā)表的一篇文章認(rèn)為，雷擊事件的電流波形近似10/350波形。IEC再次接受了文章的觀點(diǎn)。但在國際范圍內(nèi)，包括歐洲其它的權(quán)威機(jī)構(gòu)，對(duì)此種觀點(diǎn)并沒有表示贊成。例如總部位于法國的知名非政府國際組織“大型配電系統(tǒng)國際理事會(huì)(CIGRE)”的專家們就對(duì)此持反對(duì)態(tài)度，其雙語雜志《Electra》也拒絕刊登任何支持類似觀點(diǎn)的學(xué)術(shù)文章。

　?。–IGRE成立于1921年，其創(chuàng)建宗旨是促進(jìn)各國電氣工程師及專家之間的知識(shí)信息交流，并開展學(xué)術(shù)研究。）

　　3．10/350波形和直接雷擊的相似性到底有多少：雷擊持續(xù)時(shí)間研究

　　說實(shí)話，雷擊事件可能是自然界中最難以琢磨的現(xiàn)象之一。其中的主要原因是由于雷電現(xiàn)象研究本身難度很大，因此，在現(xiàn)階段最可靠的依據(jù)就是實(shí)際應(yīng)用效果和大規(guī)模的調(diào)查研究的結(jié)果。目前，大量的研究證明以下的事實(shí)是值得信賴的：

　?。?）2001年，“高壓電氣工程”的作者J·R·Lucas 在其文章中提出，在計(jì)算雷電浪涌時(shí)，回?fù)衾走^程中出現(xiàn)的高電流是唯一比較特殊的情況。在這一過程中，電流的波形可以表示為：

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

　　其中波前時(shí)間為0.5～10毫秒，波尾時(shí)間為30～200毫秒。
　　但通常來說，雷擊電流波形的波前時(shí)間應(yīng)為6毫秒，波尾時(shí)間為25毫秒(即6/25)
　?。?）韓國電力公司進(jìn)行一項(xiàng)為期5年的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在他們所監(jiān)測(cè)到的雷擊中，95%的半峰時(shí)間不到22毫秒，而平均峰值時(shí)間為10.82毫秒。
　?。?）1977年，在日本舉行的一項(xiàng)研究中，發(fā)現(xiàn)平均半峰時(shí)間為40毫秒。
　?。?）美國國家海洋&大氣管理局(NOAA) 經(jīng)研究提出：“回?fù)衾椎姆逯惦娏鞯淖兓秶?～200kA，而半峰時(shí)間的變化范圍在20～50毫秒。

　　從以上研究中我們看出：除了回?fù)衾走@一例外（0.5～10 / 30～200），大多數(shù)直擊雷的比較接近8/20波形。

五、IEEE采用的直擊雷測(cè)試波形

在對(duì)雷電浪涌環(huán)境，測(cè)試波形及測(cè)試程序進(jìn)行了廣泛深入的調(diào)查研究之后，IEEE最終確定應(yīng)用于浪涌保護(hù)器測(cè)試的波形，并在IEEE C62.41.2-2002標(biāo)準(zhǔn)文件中推薦采用：


1）配電系統(tǒng)C，B類：1.2/50 ～ 8/20 混合波，前者用于電壓測(cè)試，后者用于電流沖擊測(cè)試。
　　（2）配電系統(tǒng)A類：100kHz 環(huán)波（模擬低幅瞬態(tài)電壓和電磁射頻干擾）

IEEE 有關(guān)雷電浪涌防護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)文件包括C62.45-2002，C62.41.1-2002及C62.41.2-2002，技術(shù)材料總共292頁。按照IEEE標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的浪涌保護(hù)器廣泛應(yīng)用在世界上電子設(shè)備最敏感，數(shù)量最密集的地方，實(shí)際應(yīng)用效果在世界范圍長期得到肯定。