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一级浪涌;て魇欠癖厝灰10/350波形?深度剖析

手机:汪经理15802760502

发布时间:2025-08-13 15:46:16人气:
IEC是国际电工委员会的简称 ,相应的是这个国际标准化组织制订的标准 ,主要是电工领域的国际标准 。
IEEE 是电气和电子工程师协会的简称 ,制订的标准涉及太空、计算机、电信、生物医学、电力及消费性电子产品等领域 。
本文以Dion Neri和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;て(又称瞬态电压抑制器TVSS)的测试方案都以ANSI/IEEEC62.41(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;て髟谌蚴谐∩先〉昧肆己玫挠τ眯Ч 。 

一、历史回顾:10/350作为一级测试波形的由来: 
在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;て ,“国际电气规范”(IEC)也采用相同的做法 。但此后 ,在IEC61643标准文件中 ,却对安装在建筑物进线处的浪涌;て饕肓诵碌“配电系统1级防护”测试方案 。为了适应IEC61643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;て(IEC称SPD)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;て魇谐∩显斐闪嘶炻遥涸谀承┡分奚痰墓亩 ,“配电系统1级浪涌;て”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;て鞒晌“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 。” 
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二、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;て”时应采用10/350波形冲击脉冲 ,而测试“防护间接雷击的浪涌;て”时应采用8/20波形 。
100kA的10/350波形脉冲的放电强度是20kA的8/20波形脉冲的125倍 。125×0.4=50  
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的10/350波形的冲击脉冲的;て ,它所具备的放电能力必须相当于防护2500kA的8/20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;て鞯姆阑つ芰Ρ劝8/20波形测试的;て饕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;て鞯氖导视τ米纯觥 
多年来 ,在所有采用ANSI/IEEE标准测试的低压浪涌;て鞯氖谐∩ ,至今没有 ,也没有必要设计出浪涌能力在2500kA的;て 。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zui恶劣的地方 ,浪涌能力在8/20波形400kA的;て魉哂械姆阑に ,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;て髟诒;っ舾械缱由璞该庠庵苯永谆鞯拇蚧魇彼硐殖龅男阅芤恢狈浅N榷煽 。
2.IEC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IEC61312-1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TC81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“IEC61312-3:2000”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 。 

四、IEEE对直击雷的研究:  
在IEC61312-1标准文件推出以后 ,IEEEC62.41.2-2002标准文件对“雷击(first-strokelightning)进行了评估 ,评估范围包括了IEC61312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IEEEC62系列文件所设计的浪涌;て鞯氖导视τ眯Ч啾冉鲜 ,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;て鞯牟馐圆ㄐ问 ,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;て鞫际侵旅 。 
现在我们可以明确:  
IEC61312-1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IECTC81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 ? 
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)IEC61643-1号文件将IEC61312-1指定为雷电浪涌测试参数的*规范性文件 。(请参见IEC61643-1号文件143页的附录A)  
(2)IEC61643-1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IEC61312-1文件的测试波形的选择依据:  
IEC61312-1文件的主要依据是“阳性雷击(first positive stroke)”的参数 。对于这种做法 ,TC81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 。但由于阳性闪电的构成为:雷击+长时雷击 ,所以阳性放电能量很大 ,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阳性直击雷 ,虽然有些阴性闪电的参数可以比阳性直击雷还要高 ,但比例在所有闪电中不足1% ,因此可以忽略不计 。
换句话说 ,IEC61312-1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“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IEC61312-1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 ,IEC61312-1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)看作是阳性直击雷 ,并得出结论:“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:阳性或阴性的云—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Imax>75kA的闪电 ,阴性云—地高峰值电流闪电在数量上大大超过阳性云—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  
IEC61312-1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 。)   
3.10/350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zui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zui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*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-alphaxt–e-betaxt)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(即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 ,IEEEzui终确定应用于浪涌;て鞑馐缘牟ㄐ ,并在IEEEC62.41.2-2002标准文件中推荐采用:    (1)配电系统C ,B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C62.45-2002 ,C62.41.1-2002及C62.41.2-2002 ,技术材料总共292页 。按照IEEE标准设计生产的浪涌;て鞴惴河τ迷谑澜缟系缱由璞竮ui敏感 ,数量zui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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