雷達站電源系統(tǒng)多級防雷設(shè)計方案

2022-04-17 · 閱讀452

0引言

雷達站多處于高山、海島等強風(fēng)、強雷暴環(huán)境之中;雷達站的電源系統(tǒng)包括市電供電和油機供電兩套系統(tǒng)，在雷雨天氣，電源系統(tǒng)容易遭受雷擊，雷電流和強電磁脈沖往往通過電源線耦合進入雷達設(shè)備內(nèi)部，造成裝備損壞和人員傷亡，因此針對雷達站電源系統(tǒng)的防雷難題，要設(shè)計一套安全可靠、行之有效的防雷系統(tǒng)進行防護。

常見的電源系統(tǒng)雷電防護方法包括安裝放電間隙、瞬態(tài)抑制二級管和壓敏電阻等方法,其中放電間隙在遭受雷擊時，可以將大量雷電流泄入大地，使過電壓大幅度下降，從而起到保護作用;瞬態(tài)抑制二級管具有響應(yīng)時間短、瞬態(tài)功率大、漏電流低等優(yōu)點，廣泛運用于通信系統(tǒng)、交/直流電源的防護;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，它可以通過電壓嵌位吸收多余的雷電流，從而保護敏感器件。

以上元器件可以統(tǒng)稱為浪涌保護器(Surge Protection Device, SPD), 因此，在雷達電源防雷系統(tǒng)中安裝浪涌保護器，可以把竄入雷達電源系統(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)，從而保護后續(xù)雷達裝備不受沖擊而損壞。

通過選擇多級保護電路和合理地設(shè)置各級元器件的參數(shù)可以實現(xiàn)整體保護性能的優(yōu)化，這是多級保護器設(shè)計的一個關(guān)鍵性問題，對于這個問題，以往一般都是憑經(jīng)驗進行選擇，缺乏科學(xué)依據(jù)。

為此，本文基于ATP-EMTP軟件,對元器件的參數(shù)選擇進行暫態(tài)響應(yīng)分析和仿真計算，得到了仿真結(jié)果，根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)多級保護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，對后續(xù)電路造成威脅。

針對這個問題，本文在多級防護電路的基礎(chǔ)上，安裝隔離變壓器，構(gòu)成綜合防護系統(tǒng)，經(jīng)過實際測試和仿真分析，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 多級防雷保護

1.1多級防雷保護設(shè)計

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

第一級浪涌保護器保護的作用是泄放絕大多數(shù)的雷電流，可以選用開關(guān)型浪涌保護器(放電間隙)進行泄放,應(yīng)滿足的保護條件為額定泄放電流不小于12.5kA（10/350us）,響應(yīng)時間為100ns， 保護電壓為≤2500V。

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

第三級SPD的作用是進一步吸收低能雷電流和抑制浪涌過電壓，也可以選用限壓型.浪涌保護器，應(yīng)滿足的保護條件為泄放電流不小于20 kA,響應(yīng)時間為25ns，保護電壓為1200V。

因為每一級保護都有額定的響應(yīng)時間，為保證后一級保護在前一級保護響應(yīng)之后動作，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，又已知各級保護的響應(yīng)時間，故可求出第一級和第二級保護距離為10m,第二級和第三級保護距離為5m。

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

另外還需要考慮的是浪涌保護器引線上的寄生電感,寄生電感會加大過電壓，導(dǎo)致浪涌保護器無法達到保護效果，所以在安裝浪涌保護器時，一定要使浪涌保護器兩端的引線最短，不超過0.5m，這樣可以減小過長引線對浪涌保護器保護效果的影響。

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，它可以對電力系統(tǒng)在遭受雷擊后某個變量隨時間變化的規(guī)律進行觀測，因此可以用它對電源系統(tǒng)的三級浪涌保護器防護情況進行建模與仿真，通過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源，雷電流的波形如圖3所示。

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

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