變頻器兩次遭受雷電危害的經(jīng)過
某水廠采用變頻恒壓系統(tǒng)供水，由于開始沒有設計安裝避雷器，沒運行幾年就遭受了雷擊，可編程控制器、變頻器等設備皆損壞。事故后，該工廠立即補做防雷保護，其中有一項是對變頻器的防雷保護。除了在變頻器電源進線處和信號線處做必要的防雷保護外，由于變頻器至取水井井下水泵電機距離有20m左右，原來采用的是普通電纜，若周圍發(fā)生雷擊，電纜上就會產(chǎn)生感應過電壓，對變頻器造成威脅;因此，在變頻器出口也必須進行防雷保護。負責防雷設計施工的技術(shù)人員認為，對電纜采用屏蔽保護措施或者更換成屏蔽電纜比較麻煩，只要在變頻器輸出端加裝避雷器，同樣可以吸收浪涌過電壓，起到保護作用，如圖1所示。在防雷工程完工的次年，某次雷雨中，其它電子設備都未遭到雷電損壞，惟獨變頻器被打壞了，這是為什么?難道是變頻器輸出端加裝的避雷器沒有起到保護作用?
1 事故分析及處理
事故發(fā)生之后，工作人員檢查變頻器輸出端加裝的避雷器，發(fā)現(xiàn)都已動作;遂將變頻器拆開，分析事故原因。檢查發(fā)現(xiàn)，這次變頻器損壞與上次未裝避雷器時的損壞不一樣。上次是整流部份被打壞，而這次是輸出部份的功率模塊全部燒壞開裂。為什么在變頻器輸出端加裝避雷器不但起不到防雷保護作用，反而還造成變頻器輸出部份功率模塊全部損壞呢?負責防雷設計施工的技術(shù)人員到現(xiàn)場仍認為避雷器已經(jīng)動作，應該能起到保護作用。而對于為什么變頻器輸出部份功率模塊全部損壞不得其解。
運行使用單位經(jīng)過綜合研究分析，確定損壞機理是：周圍雷擊時，在電纜上產(chǎn)生感應過電壓，避雷器動作導通，確實發(fā)揮了吸收浪涌過電壓的作用。但是，由于避雷器動作導通，瞬時使變頻器輸出端遭受嚴重的短路，因此使變頻器輸出部份的功率模塊全部過流燒壞開裂。避雷器內(nèi)部一般由壓敏電阻、氣體放電管和抑制式二極管(TVS)等元件組成。根據(jù)有關(guān)資料，這里分別將這三種電子元件的伏安特性簡略描述一下。
(1)壓敏電阻。當加在壓敏電阻兩端的電壓小于壓敏電壓時，壓敏電阻呈高阻狀態(tài)。當加在壓敏電阻兩端的電壓大于壓敏電壓時，壓敏電阻就會擊穿，呈現(xiàn)低阻值，甚至接近短路狀態(tài)。
(2)氣體放電管。當加到兩電極端的電壓達到氣體放電管的氣體擊穿電壓時，氣體放電管便開始放電，并由高阻抗變成低阻抗，使電極兩端的電壓不超過擊穿電壓。
(3)抑制式二極管(TVS)。當TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10-12秒量級的速度將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值。
無論是壓敏電阻、氣體放電管還是抑制式二極管都是泄放涌流，限制電壓。而被保護電路的損壞，不僅是過電壓，還有過電流!當這些壓敏電阻、氣體放電管、抑制式二極管動作時，雖然限制了過電壓，避免了被保護電路元件過壓擊穿損壞。但是當這些壓敏電阻、氣體放電管、抑制式二極管動作時，會變成低阻值，也就是使變頻器輸出端負載電阻阻值變小，甚至于接近短路，因此會使變頻器輸出部份的功率模塊全部過流燒壞。
負責防雷設計施工的技術(shù)人員也同意這種損壞機理分析。將變頻器輸出端加裝的避雷器拆除，更換成屏蔽電纜，并做好屏蔽層的接地。這種屏蔽層對雷電感應起到了有效地屏蔽作用，使屏蔽層內(nèi)部三相導線上所感應的雷電電磁脈沖過電壓大幅度降低，真正達到保護目的。
2 經(jīng)驗教訓和建議
2.1 各類電子信息系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、智能系統(tǒng)以及各種先進的電子設備在生產(chǎn)和生活中得到了廣泛的運用。這些系統(tǒng)和設備都是以電子器件為核心組成的，其過電壓、過電流能力脆弱。在雷雨季節(jié)，即使建筑物已做了防雷保護，供電系統(tǒng)也做了防雷保護，但是由于強大的雷電流及其電磁場效應，以雷擊為中心約在 1.5 — 3km范圍內(nèi)都可能產(chǎn)生有很強的對電子信息系統(tǒng)有破壞影響的雷電浪涌入侵及雷電波感應過電壓，使這些系統(tǒng)和設備遭受雷電危害。為了保障這些系統(tǒng)和設備正常運行，防止遭受雷電危害，減少雷電危害時造成的損失，在設計一個電子信息系統(tǒng)時，最好同時進行防雷設計。一起設計，一起施工，建造一個良好的能防雷的電子信息系統(tǒng)，避免造成雷電損失。
2.2 做好一個防雷工程，除了必須掌握基本的雷電理論、對防雷器件性能參數(shù)正確了解和正確使用外，還必須具備一定的電氣、電子、計算機等專業(yè)知識，對保護對象要有充分的了解和分析。只有進行綜合分析、設計，才能做好一個防雷工程。
圖1 錯誤地在功率型電子設備的輸出端安裝避雷器
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