高層建筑中室內(nèi)電子設(shè)備的雷電保護技術(shù) 畢業(yè)論文_第1頁
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文檔簡介

1、南 京 氣 象 學(xué) 院畢 業(yè) 論 文系 別 電子工程系 專 業(yè) 防雷專業(yè) 姓 名 任 艷 學(xué) 號 論文題目高層建筑中室內(nèi)電子設(shè)備的雷電保護指導(dǎo)教師 梅衛(wèi)群 2004 年 6 月 4 日高層建筑中室內(nèi)電子設(shè)備的雷電保護摘 要:本文介紹了雷擊電子設(shè)備的各種途徑,以及關(guān)于電子設(shè)備雷電防護的外部措施和內(nèi)部措施。其中重點介紹了室內(nèi)電子設(shè)備的內(nèi)部防護措施,如電磁屏蔽、設(shè)備擺放位置等。并就高層建筑的等電位連接和接地系統(tǒng)進行了論述。關(guān)鍵詞:高層建筑、電子系統(tǒng)、防雷、接地系統(tǒng)一、引言雷電是一種自然現(xiàn)象,其巨大能量所造成的轟鳴、強光和破壞,一直以來威脅著人類和地球上的一切生物。在現(xiàn)代生活中,雷電除仍對生命造成危害

2、,還使建筑物和森林等發(fā)生直接雷擊而造成火災(zāi)。特別是高層建筑物,由于它們比一般建筑物高,所以更容易與下行先導(dǎo)會合,也就更容易遭受雷擊。而且,若建筑物的高度比閃擊距離還要大時,對于某個雷擊先導(dǎo),建筑物的側(cè)面某處則可能處于該先導(dǎo)的閃擊距離之內(nèi),于是受到側(cè)擊。 更嚴重的是,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,雷擊對電力、廣播電視、航空航天、郵電通訊、國防建設(shè)、交通運輸、石油華工、電子工業(yè)等幾乎是各行各業(yè)都產(chǎn)生嚴重的危害。尤其是隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,計算機等微電子設(shè)備大量進入各類建筑物,由于其靈敏度高、耐壓低,很容易受雷電電磁脈沖干擾,如果防雷系統(tǒng)有缺陷,一旦接閃裝置接閃后,建筑物內(nèi)的微電子設(shè)備必然會受到影響,輕者導(dǎo)

3、致有關(guān)設(shè)備誤動作,重者會造成硬件的永久性損壞,以致通訊中斷等嚴重性后果。二、雷擊電子設(shè)備的途徑雷擊電子設(shè)備的途徑可分為三種情況:(一)雷電直接擊中電子設(shè)備網(wǎng)絡(luò)物理線路落雷點為電源高電壓側(cè),雷電沿供電線路侵入到電子設(shè)備系統(tǒng)供電部分,產(chǎn)生過電流與過電壓造成網(wǎng)絡(luò)供電系統(tǒng)的UPS電源損壞、斷電、致使整個系統(tǒng)癱瘓。 雷電直擊網(wǎng)絡(luò)無線通信的天線,沿天饋進入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),造成通信接口、接收系統(tǒng)、室內(nèi)單元、路由器等網(wǎng)絡(luò)主要通信設(shè)備損壞。 雷擊網(wǎng)絡(luò)通信有線線路(如光纜、DDN、幀中繼、X.25專線、電話線)產(chǎn)生強大的機械力,猛烈的沖擊波,熾熱的高溫使通信線路損壞;過電壓過電流沿通信有線線路侵入到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi),造成路由

4、器、交換機及前端設(shè)備的損壞。 (二)感應(yīng)過電壓雷電擊中建筑物引起的過電壓情況 1、 回路感應(yīng)過電壓由于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在建筑物內(nèi)大量布設(shè)各種導(dǎo)體線路(如電源線、數(shù)據(jù)通信線、天饋線),這些線路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)布局錯綜復(fù)雜,在建筑物內(nèi)部的不同空間位置上構(gòu)成許多回路,當(dāng)建筑物遭雷擊或鄰近地區(qū)雷電放電時,將在建筑物內(nèi)部空間產(chǎn)生脈沖暫態(tài)磁場,這種快速變化的磁場交鏈這些回路后,將在回路中感應(yīng)出暫態(tài)過電壓,危及與這回路相接的電子設(shè)備。2、線路感應(yīng)過電壓線路感應(yīng)過電壓是網(wǎng)絡(luò)通信線路上感應(yīng)過電壓,分靜電感應(yīng)與電磁感應(yīng)1) 靜電感應(yīng)主要是指架空線路設(shè)于雷擊點附近,由雷云團先導(dǎo)通道中充滿電荷,對架空線產(chǎn)生靜電感應(yīng)作用累積大量相反電

5、荷,當(dāng)雷云主放電開始,雷云中電荷速中和,從而使架空線上原先被束縛的電荷被速釋放,形成暫態(tài)過電壓波。這種波以接近光速向架空線兩測傳播,侵入導(dǎo)線路端接的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將其損壞。 2) 當(dāng)雷電直接擊在避雷針、避雷帶上時,由于雷電流幅值大,波頭陡度高,在雷電流的通道附近形成一個很強的感應(yīng)電磁場。這強大的感應(yīng)電磁場將直接感應(yīng)在電源 線或網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備上,形成感應(yīng)過電壓侵入到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,損壞網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。高強度(30KA雷電流)雷電放電可以對距離雷擊點1KM范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)產(chǎn)生電磁感應(yīng)作用,造成系統(tǒng)設(shè)備損壞。據(jù)統(tǒng)計,這種感應(yīng)雷擊占計算機雷擊事故的70%以上。3、耦合與轉(zhuǎn)移過電壓雷擊引起暫態(tài)高電壓或過電壓常常可以通過網(wǎng)絡(luò)

6、線路耦合或轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上,造成設(shè)備的損壞。(三)雷擊地電位抬高入侵浪涌對鄰近建筑物的危害建筑物在遭受直接雷擊時,雷電流將沿建筑物防雷系統(tǒng)中各引下線和接地體入地,在此過程中,雷電流將在防雷系統(tǒng)中產(chǎn)生暫態(tài)高電壓,如果引下線與周圍網(wǎng)絡(luò)設(shè)備絕緣距離不夠且設(shè)備與避雷系統(tǒng)不共地,將在兩者之間出現(xiàn)很高的電壓,并會發(fā)生放電擊穿,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)設(shè)備嚴重損壞,甚至人身安全。這種由于接地技術(shù)處理不當(dāng)引起地電位的反擊,造成整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備全部擊毀。地電位暫態(tài)高電位危及到相鄰建筑物內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建筑物沒有遭雷擊又無采取過電壓保護措施,附近建筑物遭雷擊后,暫態(tài)高電位將沿地下管道傳至網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接地系統(tǒng)中對線路發(fā)生反擊,使

7、得與這些線路相連接的設(shè)備受到暫態(tài)高電位的損害。雷擊過電壓不管是雷電沖擊波或者是地電位反擊,都會在網(wǎng)絡(luò)、線路或設(shè)備上產(chǎn)生瞬時的雷擊過電壓。雷擊過電壓又分為縱向過電壓和橫向過電壓。 縱向過電壓:在平衡電路某點出現(xiàn)的對地的過電壓稱之為縱向過電壓。地電位上升起的電壓,可看做是從地系統(tǒng)侵入的縱向過電壓。 橫向過電壓:在平衡電路線與線之間,或不平衡電路的線對地之間出現(xiàn)的過電壓稱之為橫向過電壓。連接對稱平衡傳輸線路的設(shè)備由于線路中兩線分別對地的縱向過電壓不平衡,或因縱向防護元件動作時間的差異,都會導(dǎo)致橫向過電壓的產(chǎn)生。 連接同軸電纜系統(tǒng)的電子設(shè)備,縱向過電壓即為橫向過電壓。三、高層建筑物的防雷措施1、雷電反

8、擊的防護 防止雷電流流經(jīng)引下線和接地裝置時產(chǎn)生的瞬時高電位對附近金屬物或電氣線路的反擊,應(yīng)符合下列要求:(1)當(dāng)金屬物或電氣線路與防雷的接地裝置之間不相連時,其與引下線之間的距離應(yīng)按下列表達式確定: 第二類防雷建筑物 當(dāng)lx5Ri時, Sa30.3kc(Ri+0.1lx) 當(dāng)lx5Ri時, Sa30.075kc(Ri+lx) 第三類防雷建筑物 當(dāng)lx5Ri時, Sa30.2kc(Ri+0.1lx) 當(dāng)lx5Ri時, Sa30.5kc(Ri+lx) 式中:Sa3 空氣中距離(m); Ri 引下線沖擊接地電阻(); lx 引下線計算點到地面的長度(m)。(2)當(dāng)金屬物或電氣線路與防雷的接地裝置之間

9、相連或通過電涌保護器(SPD)相連時,其與引下線之間的距離應(yīng)按下列表達式確定: 第二類防雷建筑物 Sa40.075kclx 第三類防雷建筑物 Sa40.05kclx 其中: Sa4 空氣中距離(m); lx 引下線計算點到連接點的長度(m)。 當(dāng)利用建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋或鋼結(jié)構(gòu)作為引下線,同時建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)的大部分鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)等金屬物與被利用的部分連成整體時,金屬物或線路與引下線之間的距離可不受限制。(3)當(dāng)金屬物或線路與引下線之間有自然接地或人工接地的鋼筋混凝土構(gòu)件、金屬板、金屬網(wǎng)等靜電屏蔽物隔開時,金屬物或線路與引下線之間的距離可不受限制。(4)當(dāng)金屬物或線路與引下線之間有混凝土墻、磚墻隔開時

10、,混凝土墻的擊穿強度應(yīng)為空氣擊穿強度的1/2。當(dāng)距離不能滿足1、2條的要求時,金屬物或線路應(yīng)與引下線直接相連或通過過電壓保護器相連。(5)在電氣接地裝置與防雷的接地裝置共用或相連的情況下:當(dāng)?shù)蛪弘娫?線路用全長電纜或架空線換電纜引入時,宜在電源線路引入的總配電箱處裝設(shè)電涌保護器(SPD);當(dāng)配電變壓器設(shè)在本建筑物內(nèi)或附設(shè)于外墻處時,在高壓側(cè)采用電纜進線的情況下,宜在變壓器高、低壓側(cè)各相上裝設(shè)避雷器;在高壓側(cè)采用架空進線的情況下,除按國家現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范的規(guī)定在高壓側(cè)裝設(shè)避雷器外,尚宜在低壓側(cè)各相上裝設(shè)避雷器。2、其他(1)無金屬外殼或保護網(wǎng)罩的用電設(shè)備宜處在接閃器的保護范圍內(nèi),不宜布置在避雷網(wǎng)以外

11、,并不宜高出避雷網(wǎng)。(2)從配電盤引出的線路宜穿鋼管。鋼管的一端宜與配電盤的外殼相連;另一端宜與用電設(shè)備的外殼、保護罩相連,并宜就近與屋面防雷裝置相連,當(dāng)鋼管因連接設(shè)備而中間斷開時宜設(shè)跨接線。(3)在配電盤內(nèi),宜在開關(guān)的電源側(cè)與外殼之間裝設(shè)電涌保護器。(4)在獨立避雷針、架空避雷線(網(wǎng))的支柱上嚴禁懸掛電話線、廣播線、電視接收天線及低壓架空線等,這樣容易造成高電位侵入。四、室內(nèi)電子設(shè)備的雷電保護1、屏蔽 (1)基本屏蔽措施建筑物和房間的外部設(shè)屏蔽措施,以合適的路徑敷設(shè)線路,線路屏蔽。這些措施宜聯(lián)合使用。所有與建筑物組合在一起的大尺寸金屬件都應(yīng)等電位連接在一起,并與防雷裝置相連,但第一類防雷建筑

12、物的獨立避雷針及其接地裝置除外。為了降低雷擊時輻射屏蔽使計算機的工作失效概率和元器件損壞概率,就需要對計算機采取良好的屏蔽措施。通常,應(yīng)將計算機設(shè)備的金屬外殼有效接地,使其發(fā)揮一定的屏蔽作用,對于從隔離變壓器或穩(wěn)壓裝置到機房配電盒的電源線應(yīng)采用屏蔽電纜或穿金屬管屏蔽。在機房中,空調(diào)設(shè)備的電源線和控制線也要穿金屬管屏蔽電纜或采用金屬橋架屏蔽,對于重要的計算機系統(tǒng)要采取對設(shè)備進行屏蔽乃至對整個機房進行屏蔽。(2)建筑電磁屏蔽屏蔽室的布置首先應(yīng)該考慮遠離干擾源,因而必須了解屏蔽室的周圍環(huán)境。在高層建筑中,屏蔽室可以優(yōu)先布置在底層或地下室。因為地面對電磁波有吸收作用,可以縮短接地引線及降低接地電阻等。

13、屏蔽室在樓層中應(yīng)注意要遠離電梯間、通風(fēng)機房和空壓機房等。屏蔽室的大小應(yīng)由它的用途、測試對象、人員多少、造價以及使用空間的多少而定。屏蔽是減少電磁干擾的基本措施。屏蔽層僅一端做等電位連接和另一端懸浮時,它只能防靜電感應(yīng),防不了磁場強度變化所感應(yīng)的電壓。為減少屏蔽芯線的感應(yīng)電壓,在屏蔽層僅一端做等電位連接的情況下應(yīng)采用有絕緣隔開的雙層屏蔽,外層屏蔽應(yīng)至少在兩端做等電位連接。(3)屏蔽對磁場強度衰減的影響在建筑物或房間的大空間屏蔽是由金屬支撐物、金屬框架或鋼筋混凝土的鋼筋等自然構(gòu)件組成時,這些構(gòu)件構(gòu)成一個格柵形大空間屏蔽,穿入這類屏蔽層的導(dǎo)電金屬物應(yīng)就近與其做等電位連接。當(dāng)對屏蔽效率未做試驗和理論研

14、究時,磁場強度的衰減應(yīng)該按下列方法計算:在閃電擊于格柵形大空間屏蔽以外附近的情況下,當(dāng)無屏蔽時所產(chǎn)生的無衰減磁場強度H0,相當(dāng)于處于LPZ0區(qū)內(nèi)的磁場強度,應(yīng)按下式計算:H0 = i0 / (2··Sa) (A / m)式中:i0 雷電流(A) Sa 雷擊點與屏蔽空間之間的平均距離當(dāng)有屏蔽時,在格柵形大空間屏蔽內(nèi),即在LPZ1區(qū)內(nèi)的磁場強度從H0減為H1,其值應(yīng)按下式計算:H1 = H0 / 10 SF/20(A / m)式中:SF 屏蔽系數(shù)(dB)室內(nèi)電子設(shè)備除了因為高層建筑物頂四層分流較大而應(yīng)放在建筑物頂四層以下以外,在建筑物內(nèi),對于上式的計算值還應(yīng)距屏蔽層有一安全距離

15、dS/1有效:dS/1 = w · SF / 10 (m)式中: w 格柵形屏蔽的網(wǎng)格寬(m)在閃電直接擊在位于LPZ0A區(qū)的格柵形大空間屏蔽上的情況下,其內(nèi)部LPZ1區(qū)內(nèi)VS空間內(nèi)某點的磁場強度H1應(yīng)按下式計算: (A / m)式中: dr 被考慮的點踞LPZ1區(qū)屏蔽頂?shù)淖疃叹嚯x(m); dW 被考慮的點踞LPZ1區(qū)屏蔽壁的最短距離(m); kH 形狀系數(shù)(),取kH=0.01();上式的計算值還應(yīng)距屏蔽格柵有一安全距離dS/2的空間VS內(nèi)有效:d S/2 = w信息設(shè)備應(yīng)僅安裝在VS空間內(nèi).信息設(shè)備的干擾源不應(yīng)取緊靠格柵的特強磁場強度.流過包圍LPZ2區(qū)及以上的格柵形屏蔽的分雷電

16、流將不會有實質(zhì)性的影響作用,處在LPZn區(qū)內(nèi)LPZn+1區(qū)的磁場強度將由LPZn區(qū)內(nèi)的磁場強度Hn減至LPZn+1區(qū)內(nèi)的Hn+1,其值可近似的按下式計算:Hn+1 = Hn / 10SF/20 (A / m) 式中: SF 屏蔽系數(shù)(dB); Hn LPZn區(qū)內(nèi)的磁場強度; 安全距離和dS/1計算方法一樣。2、等電位連接和接地(1)等電位連接的方法等電位連接可以使用焊接、螺栓連接和熔接三種方法。當(dāng)使用螺栓連接時要考慮螺栓松動的問題,一般應(yīng)用銅鼻子將連接線焊牢后栓緊。連接材料一般推薦使用銅材,是因其導(dǎo)電性能和強度都比較好,使用多股銅線的彎曲也比較方便。但銅材與建筑物內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋連接時,可能會因銅的

17、電位和鐵的電位不同而形成電池,產(chǎn)生化學(xué)腐蝕,因此在土壤中連接,要避免使用裸銅線,最好使用同一金屬(鋼材)為宜。等電位連接端于板的最小截面不小于50mm2。在實施等電位連接的平面(如計算機防靜電地極下),在敷設(shè)接地母排后,應(yīng)將母排就近與建筑物內(nèi)鋼筋焊接,母排與主鋼筋的間距一般不應(yīng)大于5m。(2)接地 每幢建筑物本身應(yīng)采用共用接地系統(tǒng); 當(dāng)互相鄰近的建筑物之間有電力和通信電纜連通時,宜將其接地裝置互相連接。(3)其他所有進入建筑物的外來導(dǎo)電物均應(yīng)在LPZ0A或LPZ0B與LPZ1區(qū)的界面處做等電位連接。當(dāng)外來導(dǎo)電物、電力線、通信線在不同地點進入建筑物時,宜設(shè)若干等電位連接帶,并應(yīng)將其就近連到環(huán)行接

18、地體、內(nèi)部環(huán)行導(dǎo)體或此類鋼筋上,它們在電氣上是貫通的并連通到接地體,含基礎(chǔ)接地體。當(dāng)建筑物內(nèi)有信息系統(tǒng)時,在那些要求雷擊電磁脈沖影響最小之處,等電位連接帶宜采用金屬板,并與鋼筋或其他屏蔽構(gòu)件做多點連接。所有電梯軌道、金屬地板、金屬門框架、設(shè)施管道、電纜橋架等大尺寸的內(nèi)部導(dǎo)電物,其等電位連接應(yīng)以最短路徑連到最近的等電位連接帶或其它已做了等電位連接的金屬物,各導(dǎo)電物之間宜附加多次互相連接。信息系統(tǒng)的所有外露導(dǎo)電物應(yīng)建立一等電位連接網(wǎng)絡(luò),由于按照規(guī)定實現(xiàn)的等電位連接網(wǎng)絡(luò)均有通大地的連接,每個等電位連接網(wǎng)不宜設(shè)單獨的接地裝置。當(dāng)采用S型等電位連接網(wǎng)絡(luò)時,信息系統(tǒng)的所有金屬組件,除等電位連接點以外,應(yīng)與

19、共用接地系統(tǒng)各組件有絕緣。通常,S型等電位連接網(wǎng)絡(luò)可用相對較小、限定于局部的系統(tǒng),而且左右設(shè)施管線和電纜宜從ERP處附近進入該信息系統(tǒng)。這時,設(shè)備見的所有線路和電纜當(dāng)無屏蔽時宜按星形結(jié)構(gòu)與各等電位連接平行敷設(shè),以免產(chǎn)生感應(yīng)環(huán)路。當(dāng)采用M型等電位連接網(wǎng)絡(luò)時,一系統(tǒng)的各金屬組件不應(yīng)與共用接地系統(tǒng)各組件絕緣。M型等電位連接網(wǎng)絡(luò)宜用于延伸較大的開環(huán)系統(tǒng),而且在設(shè)備之間敷設(shè)許多線路和電纜,以及設(shè)施和電纜從若干處進入該信息系統(tǒng)。五、個例下面引用宮華大廈的部分防雷設(shè)計方案。(1)大樓通過建筑物主鋼筋,上端與接閃器,下端與地網(wǎng)連接,中間與各層均壓網(wǎng)或環(huán)形均壓帶連接,對進入建筑物的各種金屬管線實施均壓等電位連接

20、。(2)對計算機通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在建筑物樓內(nèi)的布線和接地方式要求:通信電纜以及地線的布放應(yīng)盡量集中在建筑物的第六層(計算機機房設(shè)在建筑的第六層,建筑總高二十層)。通信電纜線槽以及地線線槽的布放應(yīng)盡量避免緊靠建筑物立柱或橫梁,并與之保持1米的距離,通信電纜線槽以及地線線槽的設(shè)計應(yīng)盡可能位于距離建筑物立柱或橫梁較遠的位置。機房地板采用600×600的截面為16 mm2銅帶作為地網(wǎng)。(3)電氣通道以及金屬管等金屬構(gòu)件,穿過大樓外墻、機房屏蔽層以及配電室的墻壁時,必須在每一穿過點做等電位連接。所有電梯軌道、金屬地板、金屬門框架、電纜橋架等大尺寸的內(nèi)部導(dǎo)電物,將其金屬構(gòu)件與大樓內(nèi)最近的等電位連接帶

21、進行連接,并與鋼筋做多點連接,最后一起連接到接地裝置。(4)在進入大樓的電源回路上,在總配電屏前安裝一套DEHNport型防雷器,有多少個回路裝多少個DEHNport型防雷器。(一級保護使用DEHNport255V)進出大樓電線穿長20米以上,且兩端接地。從總配電屏分出,分往各樓層的分配電箱前安裝一套DEHNguard型防雷器,有多少分配電箱裝多少個DEHNguard型防雷器。(二級保護DEHNguard230)在用電設(shè)備前端安裝一套DEHNrail型防雷器。(三級保護DEHNrail230)進入大樓的電話中繼線,即在交換機房,有多少條電話線就裝多少個APC型電話線防雷器。與樓頂聯(lián)系的各種饋線

22、均安裝饋線防雷器,有的要穿鋼管和鎧裝電纜且兩端接地。(文中提到的各種防雷器參數(shù)見附表)六、小結(jié)1、應(yīng)加強LEMP風(fēng)險綜合評估和防護管理工作。2、電子設(shè)備要注意其防雷分區(qū),以及在各個分區(qū)中的屏蔽條件和設(shè)備的擺放位置。3、應(yīng)注意共同接地給電子設(shè)備所帶來的副作用。4、為解決防雷設(shè)計與施工過程中普遍存在的問題,建議加強弱電設(shè)備的防雷監(jiān)審工作。參考文獻:1、防雷技術(shù)標準規(guī)范匯編 2001年版2、宮華大廈防雷設(shè)計方案附表:各種DEHN防雷器參數(shù)表一型號DEHNport額定電壓 (最大持續(xù)操作電壓)UC255V/50Hz440V/50HzUC時最大允許容量If4KArms750KArms閃電脈沖電單相流(1

23、0/350)二相或多相 Uimp75KA100KA電壓保護級別(1.2/50)UP3.5KA響應(yīng)時間tA100ns最大保險絲強度350A gL/gG63A gL/gG短路電流強度50KA50Hz25KA50Hz工作溫區(qū)400C.800C絕緣電阻Risol103M表二型    號 DEHNguard230/400 75150275320385440600額定電壓(最大持續(xù)操作電壓) UC 75V 100V- 150V200V-275V350V-320V420V-385V500V-440V585V-600V600V-標稱放電電流isn10KA15KA20KA15KA最大放電電流Imax40KA保護級別  5KA(8/20)UP350V550V1KV1250V1500V1750V2.5KV        Isn450V750V1.5KV1750V2000V2250V3KV響應(yīng)時間tA25ns 最大保險絲強度 125A gL/gG10

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