雷達(dá)站電源系統(tǒng)多級(jí)防雷設(shè)計(jì)方案

2022-04-17 · 閱讀469

0引言

雷達(dá)站多處于高山、海島等強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)雷暴環(huán)境之中;雷達(dá)站的電源系統(tǒng)包括市電供電和油機(jī)供電兩套系統(tǒng)，在雷雨天氣，電源系統(tǒng)容易遭受雷擊，雷電流和強(qiáng)電磁脈沖往往通過(guò)電源線耦合進(jìn)入雷達(dá)設(shè)備內(nèi)部，造成裝備損壞和人員傷亡，因此針對(duì)雷達(dá)站電源系統(tǒng)的防雷難題，要設(shè)計(jì)一套安全可靠、行之有效的防雷系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)。

常見(jiàn)的電源系統(tǒng)雷電防護(hù)方法包括安裝放電間隙、瞬態(tài)抑制二級(jí)管和壓敏電阻等方法,其中放電間隙在遭受雷擊時(shí)，可以將大量雷電流泄入大地，使過(guò)電壓大幅度下降，從而起到保護(hù)作用;瞬態(tài)抑制二級(jí)管具有響應(yīng)時(shí)間短、瞬態(tài)功率大、漏電流低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于通信系統(tǒng)、交/直流電源的防護(hù);壓敏電阻具有非線性特性好、殘壓低和通流容量大等優(yōu)點(diǎn)，它可以通過(guò)電壓嵌位吸收多余的雷電流，從而保護(hù)敏感器件。

以上元器件可以統(tǒng)稱為浪涌保護(hù)器(Surge Protection Device, SPD), 因此，在雷達(dá)電源防雷系統(tǒng)中安裝浪涌保護(hù)器，可以把竄入雷達(dá)電源系統(tǒng)的雷電流泄放入地或限制在其所能承受的電壓范圍內(nèi)，從而保護(hù)后續(xù)雷達(dá)裝備不受沖擊而損壞。

通過(guò)選擇多級(jí)保護(hù)電路和合理地設(shè)置各級(jí)元器件的參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)整體保護(hù)性能的優(yōu)化，這是多級(jí)保護(hù)器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，以往一般都是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇，缺乏科學(xué)依據(jù)。

為此，本文基于ATP-EMTP軟件,對(duì)元器件的參數(shù)選擇進(jìn)行暫態(tài)響應(yīng)分析和仿真計(jì)算，得到了仿真結(jié)果，根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)多級(jí)保護(hù)電路雖然可以泄放絕大多數(shù)的雷電流，但是仍然存在著殘壓，對(duì)后續(xù)電路造成威脅。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文在多級(jí)防護(hù)電路的基礎(chǔ)上，安裝隔離變壓器，構(gòu)成綜合防護(hù)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試和仿真分析，安裝了隔離變壓器之后，雷電浪涌徹底被隔離，殘壓變小，安全系數(shù)提高，可以有效地保證后續(xù)設(shè)備和人員的安全。

1 多級(jí)防雷保護(hù)

1.1多級(jí)防雷保護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)IEC61312《雷電電磁脈沖的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，對(duì)于一類防雷建筑物的電源系統(tǒng)可以采取三級(jí)浪涌保護(hù)器SPD的防護(hù)策略。雷達(dá)站屬于一類防雷重點(diǎn)保護(hù)單位，因此，對(duì)于雷達(dá)站電源系統(tǒng)的保護(hù)可以參考此策略，在總配電柜、分配電柜和設(shè)備處分別安裝浪涌保護(hù)器，初步的三級(jí)防護(hù)安裝示意圖如圖1所示。

第一級(jí)浪涌保護(hù)器保護(hù)的作用是泄放絕大多數(shù)的雷電流，可以選用開(kāi)關(guān)型浪涌保護(hù)器(放電間隙)進(jìn)行泄放,應(yīng)滿足的保護(hù)條件為額定泄放電流不小于12.5kA（10/350us）,響應(yīng)時(shí)間為100ns， 保護(hù)電壓為≤2500V。

第二級(jí)保護(hù)的作用是吸收低能雷電流并限制浪涌過(guò)電壓，故選擇限壓型浪涌保護(hù)器作為保護(hù)器件,應(yīng)滿足的保護(hù)條件為泄放電流不小于40kA（8/20us)，響應(yīng)時(shí)間為25ns,保護(hù)電壓為1800V。

第三級(jí)SPD的作用是進(jìn)一步吸收低能雷電流和抑制浪涌過(guò)電壓，也可以選用限壓型.浪涌保護(hù)器，應(yīng)滿足的保護(hù)條件為泄放電流不小于20 kA,響應(yīng)時(shí)間為25ns，保護(hù)電壓為1200V。

因?yàn)槊恳患?jí)保護(hù)都有額定的響應(yīng)時(shí)間，為保證后一級(jí)保護(hù)在前一級(jí)保護(hù)響應(yīng)之后動(dòng)作，應(yīng)保證兩者之間有足夠的距離，電磁波在電纜中的傳輸速度為v=1.5x10*m/s，又已知各級(jí)保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間，故可求出第一級(jí)和第二級(jí)保護(hù)距離為10m,第二級(jí)和第三級(jí)保護(hù)距離為5m。

根據(jù)GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求,限壓型浪涌保護(hù)器之間的線路長(zhǎng)度不宜小于5m;因此，本文把第二級(jí)和第三級(jí)之間的保護(hù)距離調(diào)整為5m。

另外還需要考慮的是浪涌保護(hù)器引線上的寄生電感,寄生電感會(huì)加大過(guò)電壓，導(dǎo)致浪涌保護(hù)器無(wú)法達(dá)到保護(hù)效果，所以在安裝浪涌保護(hù)器時(shí)，一定要使浪涌保護(hù)器兩端的引線最短，不超過(guò)0.5m，這樣可以減小過(guò)長(zhǎng)引線對(duì)浪涌保護(hù)器保護(hù)效果的影響。

1.2建模與仿真

ATP-EMTP是用于電力系統(tǒng)暫態(tài)分析的一款軟件，它可以對(duì)電力系統(tǒng)在遭受雷擊后某個(gè)變量隨時(shí)間變化的規(guī)律進(jìn)行觀測(cè)，因此可以用它對(duì)電源系統(tǒng)的三級(jí)浪涌保護(hù)器防護(hù)情況進(jìn)行建模與仿真，通過(guò)ATP-EMTP建立的模型如圖2所示。

在模型中，雷電流選取幅值為50kA，波形為2.6/ 50 us的Heidler沖擊波電源作為激勵(lì)源，雷電流的波形如圖3所示。

電源線纜長(zhǎng)度分別為15m和5 m，阻抗取為R=2Q/m, I=1 uH/m; SPD的連接線長(zhǎng)度為0.4 m,引線電感L=0.8μuH/m ;雷達(dá)裝備的阻抗等效為L(zhǎng)=300μH，R=400Q ;電壓觀察節(jié)點(diǎn)設(shè)置在SPD三級(jí)防護(hù)之后、雷達(dá)裝備之前的某個(gè)位置，觀測(cè)節(jié)點(diǎn)的仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，雖然50kA的雷電流經(jīng)過(guò)浪涌保護(hù)器三級(jí)防護(hù)后，電壓幅值有顯著的下降，但是雷電流的殘壓仍然可達(dá)1200V,依舊會(huì)對(duì)后續(xù)雷達(dá)裝備造成損害。所以浪涌保護(hù)器三級(jí)防護(hù)只能快速降低雷電流的幅值，而不能完全消除殘壓，對(duì)于雷達(dá)站電源系統(tǒng)的防雷保護(hù)，還需要隔離變壓器來(lái)配合防護(hù)，以消除三級(jí)浪涌保護(hù)器保護(hù)后的雷電流殘壓。