8/20 波形和10/350 波形的比較研究
作者: 佚名 時間: 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，該白皮書經IEEE審核后被確定為學術理論性文件。

　　開始論述之前，我們先關注一下這樣一個事實：多年來，美國的浪涌保護器（又稱瞬態電壓抑制器TVSS）的測試方案都以ANSI/IEEE C62.41（美國國家標準委員會/電氣電子工程師協會C62.41標準）為測試規范。而在實際應用中，按照該標準進行設計、生產、測試的浪涌保護器在全球市場上取得了良好的應用效果。

一、歷史回顧：10/350 作為一級測試波形的由來

　　在1995年以前，包括美國在內的大多數國家都采用8/20 波形測試浪涌保護器，“國際電氣規范”（IEC）也采用相同的做法。但此后，在IEC 61643標準文件中，卻對安裝在建筑物進線處的浪涌保護器引入了新的“配電系統1級防護”測試方案。為了適應IEC 61643對沖擊脈沖電流(Iimp)的要求，測試機構不得不將測試波形改為10/350。而這一變化的所謂“理論基礎”是：10/350的波形更接近于直接雷擊的波形參數，因此，在對此類進行浪涌保護器（IEC稱SPD）的有效性測試時采用10/350波形比8/20波形更合適。

　　然而，在經過大量可靠的跟蹤調查之后，IEEE認為對測試方案做出類似的改動根本不具備充分的理由，因此仍然堅持采用8/20波形。但在現實中，IEC引入的“配電系統1級防護”測試新方案卻在浪涌保護器市場上造成了混亂：在某些歐洲生產商的鼓動下，“配電系統1級浪涌保護器” 在設計、生產上按照10/350測試脈沖為參考，采用真空管作為防護元件，并宣稱該種保護器成為所謂“主流”。他們依據很簡單：“既然直接雷擊的波形只能用10/350波形的脈沖進行模仿，所以，ANSI/IEEE所主張的8/20波形的測試規范就不足以起到防護直接雷擊的作用。”

二、IEC選擇10/350 的技術依據



　　按照IEC的“新要求”，測試“防護直接雷擊的浪涌保護器”時應采用10/350波形沖擊脈沖，而測試“防護間接雷擊的浪涌保護器”時應采用8/20波形。

　　從右圖可見，100kA的10/350波形脈沖的放電強度是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論：

　　如果使用壓敏電阻MOV作為浪涌抑制元件，設計一個能防護100kA 的10/350 波形的沖擊脈沖的保護器，它所具備的放電能力必須相當于防護2500kA的8/20波形沖擊脈沖的能力。

　　以上結論的計算過程發表在IEC的規范文件中，并以此作為理論依據證明：“按10/350波形測試設計的保護器的防護能力比按8/20波形測試的保護器要高20倍以上。”

三、對10/350波形的采用的爭議

　　我們討論這樣的結論是否正確之前，先看看這樣一些事實：

　　1．按8/20設計的浪涌保護器的實際應用狀況

　　多年來，在所有采用ANSI/IEEE標準測試的低壓浪涌保護器的市場上，至今沒有，也沒有必要設計出浪涌能力在2500kA的保護器。其原因在于：

　　（1）多年現實的應用告訴我們：即使是在雷電現象最惡劣的地方，浪涌能力在8/20波形400kA的保護器所具有的防護水平，對付極端惡劣的直接雷擊事件都已經綽綽有余。
　　（2）在世界范圍內，采用8/20測試波形的保護器在保護敏感電子設備免遭直接雷擊的打擊時所表現出的性能一直非常穩定可靠。

　　2．IEC內部關于是否應該采用10/350波形也存在爭議

　　1995年，10/350測試波形首先出現在IEC 61312-1 標準文件中。但在此前后，IEC內部對是否采用10/350波形存在著不同的看法，這種反對意見隨著人們對直擊雷認識的提高，反對的聲音也越來越高。

　　在1995年召開的TC 81委員會會議上，通過多方游說，18個選舉國家中的14個對10/350測試波形議案投了贊成票，并通過議案。




2000年，在對“IEC 61312-3：2000”修改案進行投票時，19個選舉國家中投贊成票的國家減少為13個。從此我們可以看出，到2000年，在IEC內部有近1/3的國家對10/350測試波形持反對態度。

四、IEEE 對直擊雷的研究

　　在IEC 61312-1 標準文件推出以后，IEEE C 62.41.2-2002 標準文件對“首次雷擊(first-stroke lightning) 進行了評估，評估范圍包括了IEC 61312文件中規定的“半峰值時間”為350毫秒的沖擊脈沖（10/350波形），并得出以下結論：

　　“IEC所謂‘高能量浪涌的防護要求’是建立在有限的數據分析基礎之上，其原因在于：當我們把這樣的‘要求’和按照IEEE C62 系列文件所設計的浪涌保護器的實際應用效果相比較時，就發現這種‘要求’不可靠。”

　　IEEE的這次評估審查了以下三方面的問題：

　　（1）10/350波形是誰首先提出的，依據是什么？
　　（2）在決定浪涌保護器的測試波形時，到底應該以什么樣的技術數據為依據？
　　（3）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間變化的數據。其中10（微秒）表示沖擊脈沖到達90%電流峰值的時間，而350表示從電流峰值到半峰值的時間（T2）。

　　事實上，不管成因是否為雷擊，任何一個持續時間在350毫秒的高峰值電流（Ipeak）對于任何一種以半導體元件為主的保護器都是致命的。

　　現在我們可以明確：

　　IEC 61312-1 標準文件的制定者們采用了10/350波形這個事實。然而，通過該標準文件的IEC TC 81委員會會議還在其標準文件中宣稱“采用10/350測試波形的理由就是：常見雷擊的‘半峰值’時間就是350毫秒。”

　　2．確定10/350測試波形到底應該以什么樣的技術數據為基礎？

　　既然IEC 確定10/350波形是根據這樣的理由，現在我們對這種理由的正確性做出分析。

　　（1）IEC 61643-1號文件將IEC 61312-1指定為雷電浪涌測試參數的唯一規范性文件。（請參見IEC 61643-1號文件143頁的附錄A）
　　（2）IEC 61643-1號文件有關雷電電流的參數的確定依據僅僅只是憑借于1975年和1980年發表在國際電氣雜志上的兩篇文章。

　　現在，我們就對這兩篇文章進行分析。

▲1975年文章

　　在分析K·Berger結論之前，我們先看看IEC 61312-1文件的測試波形的選擇依據：

　　IEC 61312-1文件的主要依據是“首次陽性雷擊 (first positive stroke)”的參數。對于這種做法，TC 81委員會在該文件的附錄A中這樣解釋到：“我們認為，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成為：首次雷擊 ＋ 長時雷擊，所以首次陽性放電能量很大，因此，雷擊的峰值參數應該以此作為依據。就1級防護來說，盡管首次陽性雷擊的出現機率低于10%，但其各項數據可以涵蓋所有閃電中的99%，因此，雷電參數的峰值，如電流峰值參數Ipeak，閃電電荷參數Qf ，短時雷擊參數Qs ，具體能量參數W/Q，都應該以此為依據。另外，大多數陰性閃電的峰值遠遠低于首次陽性直擊雷，雖然有些陰性閃電的參數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。

　　換句話說，IEC 61312-1文件的制定者們認為：只要他們考慮到了那些出現雖然機率較低，但持續時間較長的“首次陽性雷擊 (first positive stroke)”，就可以確保“安全”。但對于這樣的結論，連1975年文章的作者K·Berger自己都認為是片面的。

　　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表文章，認為直擊雷的電流波形近似10/350波形。

　　現在我們來分析一下他得出該結論的關鍵因素：

　　雷擊采集地點：位于瑞士

Lugano湖邊附近的San Salvatore山上的一所雷電監測站。

問題1：將高塔引雷造成的回擊雷當成直擊雷

K·Berger文章中所提到的 陽性云—地閃電 的探測地點是位于有高塔的山頂上，這和位于山頂的沒有高塔的其它建筑的雷電情況不同。有高塔的山頂建筑會引雷。事實上，在K·Berger探測到的所有閃電中，除一次例外，其余的閃電的構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，將這種山頂高塔回擊雷當作所謂“占自然雷擊10%的陽性直擊雷”。然而在現實環境中，高塔引雷所引發的回雷擊事件在所有雷擊事件中的比例還遠不到1%。

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

　　20世紀末，“美國國家雷電探測網NLDN”對6千萬次閃電進行了研究，結果顯示：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%。而對于所有Imax＞75kA的閃電，陰性云—地高峰值電流閃電在數量上大大超過陽性云—地高峰值電流閃電。由此可見，IEC有關陰性雷和陽性雷電流大小的結論是站不住腳的

問題2：對陽性回擊閃電的波形和陰性閃電的波形的理解

IEC 61312-1文件認為，陽性回擊閃電的波形和陰性閃電的波形存在著很大的差異。然而，“美國國家雷電探測網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，國際電氣雜志發表的一篇文章認為，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。但在國際范圍內，包括歐洲其它的權威機構，對此種觀點并沒有表示贊成。例如總部位于法國的知名非政府國際組織“大型配電系統國際理事會(CIGRE)”的專家們就對此持反對態度，其雙語雜志《Electra》也拒絕刊登任何支持類似觀點的學術文章。

　　（CIGRE成立于1921年，其創建宗旨是促進各國電氣工程師及專家之間的知識信息交流，并開展學術研究。）

　　3．10/350波形和直接雷擊的相似性到底有多少：雷擊持續時間研究

　　說實話，雷擊事件可能是自然界中最難以琢磨的現象之一。其中的主要原因是由于雷電現象研究本身難度很大，因此，在現階段最可靠的依據就是實際應用效果和大規模的調查研究的結果。目前，大量的研究證明以下的事實是值得信賴的：

　　（1）2001年，“高壓電氣工程”的作者J·R·Lucas 在其文章中提出，在計算雷電浪涌時，回擊雷過程中出現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)

　　其中波前時間為0.5～10毫秒，波尾時間為30～200毫秒。
　　但通常來說，雷擊電流波形的波前時間應為6毫秒，波尾時間為25毫秒(即6/25)
　　（2）韓國電力公司進行一項為期5年的研究。結果發現，在他們所監測到的雷擊中，95%的半峰時間不到22毫秒，而平均峰值時間為10.82毫秒。
　　（3）1977年，在日本舉行的一項研究中，發現平均半峰時間為40毫秒。
　　（4）美國國家海洋&大氣管理局(NOAA) 經研究提出：“回擊雷的峰值電流的變化范圍在5～200kA，而半峰時間的變化范圍在20～50毫秒。

　　從以上研究中我們看出：除了回擊雷這一例外（0.5～10 / 30～200），大多數直擊雷的比較接近8/20波形。

五、IEEE采用的直擊雷測試波形

在對雷電浪涌環境，測試波形及測試程序進行了廣泛深入的調查研究之后，IEEE最終確定應用于浪涌保護器測試的波形，并在IEEE C62.41.2-2002標準文件中推薦采用：


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

IEEE 有關雷電浪涌防護的標準文件包括C62.45-2002，C62.41.1-2002及C62.41.2-2002，技術材料總共292頁。按照IEEE標準設計生產的浪涌保護器廣泛應用在世界上電子設備最敏感，數量最密集的地方，實際應用效果在世界范圍長期得到肯定。