1、 前言

多年來電力電子瞬態(tài)高壓浪涌實(shí)踐證明，瞬態(tài)高壓浪涌(持續(xù)期短至微秒級(jí)的尖峰脈沖，見圖1所示)可能會(huì)以下述三種形式串入用戶供電系統(tǒng)中

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1.1產(chǎn)生于配電線路上
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*打在電網(wǎng)上的直擊雷；

*感應(yīng)雷透過感應(yīng)方式耦合到電子設(shè)備的電源線、控制訊號(hào)線或通訊線上；

*高壓線路的短路故障。

其沖擊電流可高達(dá)200-300KA，脈寬0.1-0.2ms的高壓尖峰脈沖，持續(xù)1—2秒。

1.2在用戶的供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的工作浪涌

*高壓變壓器的投入或切除；

*大型電動(dòng)機(jī)及水泵的啟、停；

*電焊機(jī)的運(yùn)行；

*補(bǔ)償調(diào)整電容系統(tǒng)的調(diào)節(jié)；

*重載可控硅負(fù)載的運(yùn)行。

而其電流可高達(dá)100KA數(shù)量級(jí)，峰值電壓最高達(dá)6000V。

1.3產(chǎn)生于內(nèi)部末端負(fù)載間的瞬態(tài)浪涌

*復(fù)印機(jī)運(yùn)行

*激光打印機(jī)開啟

*繼電器、開關(guān)、電磁閥、變頻調(diào)速器引起的線路間干t

*末端負(fù)載過流短路故障

*靜電放電

而其峰值電壓可達(dá)5000V，沖擊電流幾百安培數(shù)量級(jí)。

2、瞬態(tài)浪涌電流、電壓的危害

根據(jù)IEEE國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)浪涌可能對(duì)用戶負(fù)載產(chǎn)生的危害，可分級(jí)為如下三種：

*會(huì)對(duì)用戶的設(shè)備立即造成災(zāi)害性不可恢復(fù)的直接經(jīng)濟(jì)損失；

*整個(gè)系統(tǒng)停頓，如銀行電腦服務(wù)停頓，移動(dòng)電話通訊中止等間接經(jīng)濟(jì)損失。

2.2浪涌電壓處于1.2KV-2.1KV數(shù)量級(jí)

*造成用戶設(shè)備中的某些部件被損壞或致使其性能提前老化；

*電子設(shè)備的線路板及元件燒毀。

2.3浪涌電壓達(dá)到700-800V數(shù)量級(jí)的浪涌過多過頻出現(xiàn)

*傳輸或存儲(chǔ)的訊號(hào)或數(shù)量錯(cuò)亂或丟失；

*服務(wù)器或電腦死機(jī)。

3、串并聯(lián)系列瞬態(tài)抗浪涌抑制器在通信網(wǎng)絡(luò)與能源動(dòng)力新領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，TVSS應(yīng)用不再局限于電力電器設(shè)備，而是進(jìn)入到通信網(wǎng)絡(luò)與能源動(dòng)力新領(lǐng)域之中，如衛(wèi)星、微波通信、網(wǎng)絡(luò)伺服器及程控交換機(jī)等會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)高壓浪涌之設(shè)備，見圖2所示的ACV系列并聯(lián)型系列瞬態(tài)抗浪涌抑制器ACV230111RKE與S系列并聯(lián)型瞬態(tài)抗浪涌抑制器S230Y333及F系列串聯(lián)型瞬態(tài)抗浪涌抑制器。

4、TVSS(瞬態(tài)電壓浪涌抑制器)在串并聯(lián)瞬態(tài)抗浪涌抑制器中的應(yīng)用原理

在正常情況下，電流經(jīng)線路供給負(fù)載，而TVSS處于高阻斷狀態(tài)。當(dāng)有浪涌出現(xiàn)時(shí)，TVSS對(duì)其超過鉗位電平的部分尖脈沖幅值予以短路，導(dǎo)通時(shí)間為納秒(ns)級(jí)，見圖3的并聯(lián)型系列瞬態(tài)抗浪涌抑制器與圖4所示的串聯(lián)型系列瞬態(tài)抗浪涌抑制器原理圖。

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4.1 ACV與S系列并聯(lián)型瞬態(tài)抗浪涌抑制器

圖3中，鉗位電壓值為一般電子設(shè)備可承受有最大瞬間電壓，TVSS與負(fù)載并聯(lián)， 當(dāng)浪涌被吸收后，重新處于高阻斷狀態(tài)。在工作過程中，相線-相線，相線-中線，相線-地線，中線-地線都具有浪涌抑制模塊全方位位進(jìn)行保護(hù)。其S系列產(chǎn)品為大型瞬態(tài)抗浪涌抑制器100KA- 400KA；而ACV系列小型瞬態(tài)抗浪涌抑制器40KA-80KA。

4.2 F系列串聯(lián)型瞬態(tài)抗浪涌抑制器

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圖4(a)為實(shí)際較普遍的F系列串聯(lián)型瞬態(tài)抗浪涌抑制器原理是采用低通串聯(lián)混合技術(shù)，它由并聯(lián)的TVSS模塊和串聯(lián)的環(huán)波濾波及正弦波跟蹤電路共同組合而成，在圖4中所。經(jīng)并聯(lián)的TVSS部分能吸收大于鉗位電平的高壓浪涌，串聯(lián)的低通濾波器用于消除出現(xiàn)于相線-中線間的高頻差模干擾，輸出給負(fù)載平滑的正弦波，具體功能為：

*MOV(金屬電氧化物壓敏電阻)陣列是TVSS的一種，特點(diǎn)是快速反應(yīng)? 吸收高壓浪涌見圖4(b)；

*電路分流元件。跟蹤正弦波，吸收尖脈沖，見圖4(c)；

*串聯(lián)模塊電感，平滑波形正弦波跟蹤濾波器，消除環(huán)波干擾見圖4(c)。

其F系列產(chǎn)品為靈敏跟蹤電流露波器：瞬戀浪涌抑制電流，100KA-400KA；負(fù)載電流為30A-4000A。

5、瞬態(tài)抗浪涌抑制器獨(dú)一無二的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

5.1快速響應(yīng)時(shí)間：

??? * 響應(yīng)時(shí)間是指將尖峰浪涌電壓抑制到鉗位電壓的時(shí)間；

??? * 時(shí)間越短，通過負(fù)載的高電壓越小，如艾默生抗浪涌設(shè)備響應(yīng)時(shí)間可達(dá)0.5ns，同類產(chǎn)品之中能很為先進(jìn)。

5.2內(nèi)置保險(xiǎn)絲專利技術(shù)：

*每一個(gè)MOV(金屬電氧化物壓敏電阻)抑制模塊均配有使其置全運(yùn)行的內(nèi)置獨(dú)立保險(xiǎn)絲，允許額定的沖擊電流通過保險(xiǎn)絲而不動(dòng)作；

*砂封裝、高度隔離、吸收因浪涌產(chǎn)生的大量熱量；

*每個(gè)保險(xiǎn)絲的 熔斷特性設(shè)計(jì)較MOV小，遇到高浪涌串入，99％純銀保險(xiǎn)絲氣化，MOV以開路形式? 消除電弧短路而產(chǎn)生冒煙或犀炸的可能，達(dá)到安全目的。

5.3? MOV(金屬電氧化物壓敏電阻)浪涌抑制模塊的匹配

從見圖5所示可見：

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*并聯(lián)MOV模塊V-I特性精度為1%；

*每一個(gè)MOV模塊均經(jīng)過出廠前測(cè)試；

*每組模塊采用堅(jiān)硬的環(huán)氧金屬外殼，即使發(fā)生個(gè)別模塊故障也不會(huì)對(duì)負(fù)載產(chǎn)生任何影響；

*內(nèi)部MOV模塊之間采用特殊高頻連接方法兼且各路阻抗均等，減少電感特性而引起的Ldi/dtt殘壓。

5.4先進(jìn)的便于使用的診斷

*在所有保護(hù)方式中，所有抑制部件都有在線系統(tǒng)實(shí)剛監(jiān)視和統(tǒng)計(jì)，為改善供電質(zhì)量提供了可靠的數(shù)據(jù)；

*每個(gè)抑制模塊可在不影響負(fù)載供電的晴況下即時(shí)更換，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)的MTBF平均無故障工作時(shí)間；

*聲響報(bào)警器(可備選)；

*C型干接點(diǎn)遠(yuǎn)程報(bào)警訊號(hào)(可備選)；

*遠(yuǎn)程報(bào)警監(jiān)視板(可備選)-通過于接點(diǎn)，把故障狀態(tài)通知遠(yuǎn)端監(jiān)控中心；

*雙7位浪涌計(jì)數(shù)器(備選)-對(duì)電網(wǎng)寬超過100us，峰值超過700V鉗位電平的差模于擾及在正弦波包路線上，幅值超過125V的共模干擾分別計(jì)數(shù)。

5.5 全面保護(hù)

見圖6所示可見：

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*全方位L-N、L-G、N-G；

*各種保護(hù)模式，共模干擾和差模干擾都得到有效抑制。

5.6具有 EMI/RFI抗電磁/射頻干擾濾波器

*濾除100KHz-100MHz。

6、以ACV系列并聯(lián)型瞬態(tài)抗浪涌抑制器為例(艾默生產(chǎn)的抗浪涌設(shè)備)介紹參數(shù)。

抑制能力：40A-80KA，與外形見圖7(a)。所示：

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其K-帶缺相，低壓斷擔(dān)憂保護(hù)失效等報(bào)警記錄，其E-帶EMI／RRI濾波器。

*環(huán)氧樹脂材料外殼，堅(jiān)固耐磨損，適合室外各種環(huán)境

*掛墻式安裝。也可直接安裝于配電柜內(nèi)，電源軟線插頭見圖7(b)。

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7、新型高壓浪涌保護(hù)裝置的測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)方案

為什么要開發(fā)高壓浪涌保護(hù)裝置的測(cè)試設(shè)備，即開發(fā)一種基于PXI的高精度測(cè)量系統(tǒng)？主要目的是為應(yīng)用在高架配電系統(tǒng)和鐵路電力系統(tǒng)的中壓與高壓浪涌保護(hù)裝置中的金屬氧化物變阻器的性能作出檢定。這關(guān)系到整個(gè)電力配電系統(tǒng)的安全與運(yùn)行的可靠性。

7.1問題的提出-金屬氧化物變阻器出現(xiàn)與測(cè)試技術(shù)上的新要求：

為滿足國(guó)內(nèi)外能源工業(yè)日益增長(zhǎng)的對(duì)可靠性的要求，屬高壓浪涌保護(hù)裝置的空氣與氣體絕緣浪涌保護(hù)裝置，能有效地保護(hù)中、高壓網(wǎng)絡(luò)不受閃電或閉合斷路器所產(chǎn)生的過高壓損害。這些浪涌保護(hù)裝置可以承受高達(dá)528KV的連續(xù)操作電壓，以及波形變換高達(dá)4/10ms、電流強(qiáng)度高達(dá)100KA的沖擊電流。在這些極端的操作條件下，對(duì)這些浪涌保護(hù)裝置及其內(nèi)部金屬氧化物變阻器的測(cè)試提出了一個(gè)特殊的新要求。

當(dāng)前各種金屬氧化物變阻器，直徑從38mm到108mm，電壓級(jí)別從100V到6KV最大連續(xù)操作電壓。為制造中壓或高壓浪涌保護(hù)裝置，將若干個(gè)變阻器進(jìn)行串聯(lián)并將其裝入絕緣材料制成的箱子里。不測(cè)試整個(gè)裝配好的變阻器，而是分別測(cè)試每個(gè)變阻器，從而將電壓要求降低到更加可操作的水平。

7.2解決方案：

開發(fā)一種基于PXI的高精度測(cè)量系統(tǒng)，采用了14位100MS/S數(shù)字化儀PXI-5122進(jìn)行高精度的幅值測(cè)量，并應(yīng)用MIX—3光纖連接技術(shù)解決測(cè)試中電氣隔離，確保人身安全在開發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性類型測(cè)試過程中，使用脈沖電流發(fā)生器，可向變阻器注入高達(dá)200KA的雙指數(shù)電流脈沖。該測(cè)試系統(tǒng)可產(chǎn)生模擬閃電打擊或斷路器閉合條件的波形脈沖電流，并測(cè)量金屬氧化物變阻器兩端的剩余電壓以及通過該變阻器的電流。剩余電壓表示在電流脈沖期間兩端出現(xiàn)的電壓峰值。該系統(tǒng)還計(jì)算輸入金屬氧化物變阻器的瞬間功率和能量。

7.21以適用于更高精度的高分辨率測(cè)量

??? 為將電壓和電流降到一個(gè)可以直接測(cè)試的水平，將使用一個(gè)含有電容器和大阻值電阻的分壓器和一個(gè)用于快速瞬間脈沖的特別的極低阻值脈沖電流分路器，將兩個(gè)PXI-5122 14位100MS/s數(shù)字化儀與分壓器進(jìn)行連接，分路測(cè)量測(cè)試過程中產(chǎn)生的瞬間電壓和電流。由于需要測(cè)量信號(hào)的瞬間特征，因此必需具備PXI-5122數(shù)字化儀的14位垂直分辨率和高采樣率。原先的測(cè)試系統(tǒng)基于10位數(shù)字化儀，而PXI-5122數(shù)字化儀則將測(cè)量精度增大了14倍，使能更好地檢定變阻器的性能。然后我們?cè)偈褂?a target="_blank">LabVIEW內(nèi)置的分析能力來測(cè)定峰值、上升時(shí)間與半峰時(shí)間值。此外，還使用電壓和電流數(shù)據(jù)來計(jì)算瞬間輸入功率、瞬間電阻以及完全轉(zhuǎn)換的能量。

7.22 MXI-3光纖連接提供高數(shù)據(jù)吞吐量與隔離：

通過使用基于PXI的系統(tǒng)，如今可以在基于GPIB的老式系統(tǒng)僅能傳輸數(shù)千字節(jié)的時(shí)間內(nèi)，傳輸數(shù)以兆計(jì)字節(jié)的數(shù)據(jù)。由于能以更快的速度收集數(shù)據(jù)，能夠通過以PCI-DIO-24數(shù)字I/O板卡和繼電器模塊替換功率斷路器而快速對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行重新配置。通過提高數(shù)據(jù)處理速度，可以在IEC 60099-4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的浪涌保護(hù)裝置測(cè)試時(shí)間內(nèi)對(duì)變阻器進(jìn)行強(qiáng)電流動(dòng)作負(fù)載測(cè)試，效果比以前提高很多。

??? 上升時(shí)間為4μS的100KA電流沖擊會(huì)形成極強(qiáng)的電磁場(chǎng)，有可能損壞電腦主機(jī)并傷害操作人員。為提高系統(tǒng)的安全性并將設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)降到最低，在兩個(gè)PXI-1002四槽機(jī)箱內(nèi)各安裝了一個(gè)PXI-5122數(shù)字化儀。將機(jī)箱以? “菊花鏈” 方式鏈接，然后使用MXI-3遠(yuǎn)程光纖將其與電腦主機(jī)進(jìn)行連接。以此在兩個(gè)數(shù)字化儀與電腦主機(jī)之間提供光耦合，從而排除了電腦與脈沖發(fā)生器之間的電路連接。由于測(cè)量電壓和電流的數(shù)字化儀分別處于相互絕緣的機(jī)箱內(nèi)，可以避免由電路產(chǎn)生大的感應(yīng)渦流。如果在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中形成此種渦流，就會(huì)產(chǎn)生大的感應(yīng)電壓干擾測(cè)量結(jié)果。

7.3設(shè)計(jì)方案的實(shí)施

該高壓浪涌保護(hù)裝置測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)方案可用于能源動(dòng)力領(lǐng)域之中新通過在測(cè)試系統(tǒng)中使用LabVIEW 7Express、MXI-3遠(yuǎn)程光纜和PXI-5122數(shù)字化儀，提高了測(cè)試結(jié)果，同時(shí)還提高了測(cè)試系統(tǒng)的安全性。此外，由于PXI具有的高處理能力，現(xiàn)在可以在IEC 60099-4標(biāo)準(zhǔn)要求的時(shí)間內(nèi)完成所有測(cè)試。

8、結(jié)束語

由上可知，F(xiàn)、ACV、S系列串并聯(lián)型的瞬態(tài)抗浪涌抑制器，瞬態(tài)抗浪涌抑制器，它們各有特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)埸技術(shù)要求作出選用，無論意怎樣必須掌握其技術(shù)參數(shù)的特征，做到恰如其分。

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