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1.浪涌電壓

什么是浪涌電壓?它是如何發(fā)生的?電氣設(shè)備和電子系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)各種類型的浪涌電壓。 它們的區(qū)別主要在于它們的持續(xù)時(shí)間和功率。 根據(jù)原因，浪涌電壓可持續(xù)幾百微秒、幾小時(shí)甚至幾天。 幅度可以從幾毫伏到幾萬伏不等。 雷擊的直接或間接后果是產(chǎn)生浪涌電壓的特殊原因之一。 在這里，在浪涌電壓期間，可能會(huì)出現(xiàn)幅度高達(dá)幾萬安培的高浪涌電流。 在這種情況下，后果尤其嚴(yán)重。 這是因?yàn)槠茐淖饔檬紫热咳Q于相應(yīng)浪涌電壓脈沖的功率。

1.1浪涌電壓現(xiàn)象

每個(gè)電氣設(shè)備都有特定的介電強(qiáng)度。 如果浪涌電壓水平超過此強(qiáng)度，可能會(huì)發(fā)生故障或損壞。 千伏范圍內(nèi)的浪涌電壓通常是持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短的瞬態(tài)過電壓。 它們通常持續(xù)幾百微秒到幾毫秒。 由于此類瞬變的最大幅度可達(dá)數(shù)千伏，因此結(jié)果往往是電壓急劇增加和差異。 電涌保護(hù)是唯一有幫助的。 實(shí)際上，電氣系統(tǒng)的操作員通常用相應(yīng)的保護(hù)來代替對(duì)系統(tǒng)的物質(zhì)損壞。 然而，系統(tǒng)故障到維護(hù)之間的時(shí)間差本身就代表了一種風(fēng)險(xiǎn)。 這種故障通常不在保險(xiǎn)范圍內(nèi)，并且在短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)成為沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，尤其是與雷電和浪涌保護(hù)概念的成本相比。

1.2 原因

什么是浪涌電壓?它是如何發(fā)生的？浪涌電壓的典型持續(xù)時(shí)間和幅度因原因而異。

雷擊

在所有發(fā)生原因中，雷擊（閃電電磁脈沖，LEMP）最有可能造成損害。 它們會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)過電壓，可以跨越很遠(yuǎn)的距離，并且通常與高幅度浪涌電流有關(guān)。 即使是雷擊的間接影響，也會(huì)導(dǎo)致幾千伏的電壓浪涌，并導(dǎo)致數(shù)萬安培的浪涌電流。 盡管持續(xù)時(shí)間非常短——幾百微秒到幾毫秒——但這樣的事件可能導(dǎo)致完全失敗，甚至可能導(dǎo)致受影響的設(shè)施遭到破壞。

切換操作

開關(guān)操作（開關(guān)電磁脈沖，SEMP）會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)浪涌電壓，并傳播到電源線。 在大的接通電流或短路的情況下，非常高的電流可以在幾毫秒內(nèi)流動(dòng)。 這些短期電流變化會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)過電壓。

靜電放電

如果具有不同靜電電位的物體相互靠近并導(dǎo)致電荷交換，就會(huì)發(fā)生靜電放電 (ESD)。突然的電荷交換會(huì)導(dǎo)致短暫的浪涌電壓。 這會(huì)帶來危險(xiǎn)，尤其是對(duì)于敏感的電子元件。

圖 1：雷擊具有極高的破壞潛力

圖 2：高功率電動(dòng)機(jī)因高接通電流而感應(yīng)浪涌電壓

圖 3：靜電放電存在危險(xiǎn)，尤其是對(duì)敏感電子設(shè)備

1.3 聯(lián)軸器類型

浪涌電壓可以通過多種方式到達(dá)電路。實(shí)際上，這通常是各個(gè)耦合類型之間重疊的情況。

電耦合

以導(dǎo)電方式相互連接的兩個(gè)電路可以直接相互影響。電路中電壓或電流的變化會(huì)在另一個(gè)電路中產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)。

電感耦合

快速上升的電流流過導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，導(dǎo)體周圍的強(qiáng)度會(huì)迅速變化。如果另一個(gè)導(dǎo)體位于這個(gè)磁場(chǎng)中，那么根據(jù)感應(yīng)原理，由于磁場(chǎng)的變化，這里會(huì)產(chǎn)生電壓差磁場(chǎng)強(qiáng)度。

電容耦合

在具有不同電位的兩點(diǎn)之間產(chǎn)生電場(chǎng)。該電場(chǎng)內(nèi)物體的電荷載流子根據(jù)電場(chǎng)方向和強(qiáng)度排列，符合影響的物理原理。因此，物體內(nèi)部也會(huì)出現(xiàn)電位差，即電壓差。

1.4 行動(dòng)方向

共模電壓（非對(duì)稱電壓）

首先，共模浪涌電壓對(duì)位于有源電位（相線和中性導(dǎo)體）和地電位之間的物體構(gòu)成危險(xiǎn)。

差模電壓（對(duì)稱電壓，差模）

在第一種情況下，對(duì)稱的浪涌電壓會(huì)對(duì)位于兩個(gè)有效電位之間的物體造成危害。

圖 4：共模電壓                      圖 5：常模電壓

1.5 影響

什么是浪涌電壓?它是如何發(fā)生的？德國(guó)保險(xiǎn)協(xié)會(huì) (GDV) 會(huì)定期發(fā)布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以便對(duì)各種原因造成的總損失得出結(jié)論。在火災(zāi)和風(fēng)暴之后，雷擊和浪涌電壓造成的損害最大。 2012 年，他們對(duì)所有保險(xiǎn)物品的損壞份額總計(jì)為 18%。換句話說，幾乎五分之一的保險(xiǎn)損壞可以追溯到浪涌電壓。

由浪涌電壓引起的設(shè)備故障或缺陷比預(yù)期更頻繁。根據(jù) GDV 的統(tǒng)計(jì)，浪涌電壓實(shí)際上是最常見的損壞原因。這些數(shù)字僅適用于導(dǎo)致火災(zāi)的損壞。

從圖6可以看出，2013年雷擊和浪涌電壓造成的損害比例比上年下降了20%，而保險(xiǎn)公司的財(cái)務(wù)支付僅下降了10%。如果以 2010 年可比年度的價(jià)值為基礎(chǔ)，那么成本增加約 20% 就變得明顯了。保險(xiǎn)公司認(rèn)為原因之一是越來越敏感的電子設(shè)備正在進(jìn)入家庭。平均而言，2013 年因浪涌電壓造成的單個(gè)罷工或損壞金額為 800 歐元。這是自統(tǒng)計(jì)開始以來的最高水平。

然而，對(duì)于非私有系統(tǒng)，故障的后果通常要嚴(yán)重得多，例如停機(jī)或數(shù)據(jù)丟失。在專業(yè)環(huán)境中使用的設(shè)備或機(jī)器的故障通常會(huì)導(dǎo)致比修理有缺陷的設(shè)備高出許多倍的成本。

例如，如果移動(dòng)通信桅桿出現(xiàn)故障，運(yùn)營(yíng)商的成本可能在每秒幾歐元的范圍內(nèi)。按一天計(jì)算，這相當(dāng)于超過 100,000 歐元的損失。為此，工業(yè)和商業(yè)系統(tǒng)迫切需要一致的浪涌保護(hù)概念。這不僅是對(duì)火災(zāi)和人員的有效保護(hù)的情況，也是為了排除較大的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的可能性。

什么是浪涌電壓?它是如何發(fā)生的？統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，未來將強(qiáng)調(diào)雷擊和浪涌保護(hù)需求的另一個(gè)方面是雷擊的增加。各種研究已經(jīng)表明，作為全球氣候變化的一部分，風(fēng)暴的頻率將會(huì)增加。因此，這種發(fā)展不僅限于迄今為止尚未表現(xiàn)出高罷工風(fēng)險(xiǎn)的地區(qū)，而且還擴(kuò)展到地球上的所有地區(qū)。

圖 6：雷擊和浪涌電壓造成的損壞案例數(shù)量和保險(xiǎn)賠付水平

圖 16：避雷區(qū)概念

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