第11章低壓系統(tǒng)電涌保護(hù)(下)

第6節(jié)電涌與電涌保護(hù)器本節(jié)主要討論四個問題。（1）什么是電涌。（2）電涌是怎么來的。（3）電涌有多強(qiáng)。（4）電涌保護(hù)器。11.6.1電涌的來源1、電涌（surge）以雷擊電磁脈沖（LEMP）和（或）操作電磁脈沖（SEMP）為干擾源，在電氣電子系統(tǒng)中產(chǎn)生的能量耦合。2、用電磁兼容模型解釋電涌按技術(shù)領(lǐng)域分類，電涌屬于電磁兼容（EMC）問題，電磁兼容的模型如下。

按電磁兼容模型，電涌解釋如下。

干擾源（發(fā)射器）：LEMP和SEMP等。感受器（敏感設(shè)備）：低壓配電系統(tǒng)或電子信息系統(tǒng)，本課程主要介紹以低壓配電系統(tǒng)作為感受器的電涌保護(hù)。電涌電壓的例子11.6.2耦合路徑詳解1、傳導(dǎo)（阻性）耦合主要是通過金屬管線的直接電氣聯(lián)通，將能量脈沖從一處傳到另一處。在分析用等效電路上，這種耦合路徑可用一個電阻來表示，因此又叫做阻性耦合。如：直接雷擊線路造成的侵入雷電波，接地體上的雷擊電磁脈沖傳導(dǎo)（見下頁圖）等。阻性耦合的電涌

2、感性輻射耦合指空間磁場傳遞的能量脈沖。耦合的原理為電磁感應(yīng)。

3、容性輻射耦合指空間電場傳遞的能量脈沖小結(jié)：電涌是LEMP或SEMP通過阻性、感性或容性耦合傳遞到低壓系統(tǒng)或電子信息系統(tǒng)上的能量脈沖。電涌的危害以脈沖電壓或脈沖電流的形式出現(xiàn)。危害的對象除了絕緣以外，還包括用電設(shè)備本身的元、器件（又稱硬件）。11.6.3電涌能量的計算

電涌能量＝干擾源能量－耦合衰減1、干擾源能量（雷電）考慮雷擊電磁脈沖問題時，應(yīng)考慮電閃中可能出現(xiàn)的三種雷擊形式。（1）短時首次雷擊；（2）首次后的雷擊；（3）長時間雷擊。（討論以上分類的邏輯錯誤）實際上應(yīng)為：首次與首次以后雷擊（按先后），短時與長時雷擊（按持續(xù)時間）。首次總是短時。短時雷擊長時間雷擊向下閃擊的組合形式向上閃擊的組合形式雷電流參數(shù)防雷建筑類別一類二類三類I幅值/kA200150100T1波頭時間/μs101010T2波頭時間/μs350350350Qs電荷量/C1007550W/R單位能量/(MJ/Ω)105.62.5首次短時雷擊雷電流參數(shù)H雷電流參數(shù)防雷建筑類別一類二類三類I幅值/kA5037.525T1波頭時間/μs0.250.250.25T2波頭時間/μs100100100I/T1平均陡度/（kA/μs）200150100首次以后短時雷擊的雷電流參數(shù)雷電流參數(shù)防雷建筑類別一類二類三類Q1電荷量/C200150100T時間/s0.50.50.5長時雷擊參數(shù)2、線路中感性耦合的能量計算感性耦合能量計算非常復(fù)雜，除考慮干擾源能量以外，還要考慮耦合路徑上的衰減以及環(huán)路的面積和位置等。業(yè)界專家對一些典型的感性耦合能量進(jìn)行了計算，并將結(jié)果列成表格，可供工程應(yīng)用選擇。典型情況見下頁圖b、e、f，計算結(jié)果見教材P184表4-4。

3、傳導(dǎo)耦合的能量計算主要考慮壓降和各處連接的分流作用。見上頁圖a、c、d及下圖。小結(jié)：電涌的能量取決于干擾源（LEMP、SEMP）能量大小和耦合路徑衰減量大小。干擾源能量以雷電流幅值、電荷量來表征。阻性耦合衰減主要是各處聯(lián)接的分流作用。感性耦合衰減主要涉及空間距離、屏蔽及感應(yīng)環(huán)路面積等。11.6.4電涌保護(hù)器（SPD）電涌保護(hù)器是一種用于帶電系統(tǒng)中限制瞬態(tài)過電壓并釋放電涌能量的非線性器件，用以保護(hù)電氣電子系統(tǒng)免遭電涌破壞。電子系統(tǒng)中還有串接限制過電流的電涌保護(hù)器件。辯異：電涌保護(hù)器與避雷器?；驹硐嗤?，特性參數(shù)和應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用目的不同。利用共同點加深對基本概念的理解，利用不同點加強(qiáng)對工程意識的培養(yǎng)。1、分類及特性分為電壓開關(guān)型、限壓型和混合型三類。電壓開關(guān)型：突然導(dǎo)通特征。通流容量大，特性陡，殘壓高。主要用于泄放能量。適用于LPZ0與LPZ1區(qū)交界處。限壓型：隨電涌電壓升高漸進(jìn)導(dǎo)通。通流容量小，特性緩，因逐漸釋放能量而具有降低過電壓幅值的作用。主要用于保護(hù)終端設(shè)備。適用于LPZ0B及以后防雷區(qū)?；旌闲停弘S承受的電涌電壓不同而分別呈現(xiàn)電壓開關(guān)型或限壓型特性?？勺鳛榕潆娤到y(tǒng)中間級的保護(hù)。三類SPD的保護(hù)動作特性圖。2、性能試驗SPD有三種沖擊分類試驗，用以確定相關(guān)參數(shù)。這三種試驗沒有等級之分。生產(chǎn)廠家可根據(jù)自己所生產(chǎn)產(chǎn)品的應(yīng)用目的，選擇其中一種或幾種進(jìn)行試驗。1）試驗標(biāo)準(zhǔn)電流。見圖。其中曲線、為IEC61643-1標(biāo)準(zhǔn)推薦，曲線為德國EDINVDE0675標(biāo)準(zhǔn)推薦。2）試驗標(biāo)準(zhǔn)電壓。一般采用1.25/50μs的沖擊電壓作為試驗電壓。電涌保護(hù)器試驗電流曲線1曲線2曲線3imax（kA）1001005Q（As）50100.1W／R（J／Ω）2.5×1065×1050.4×103波形（μs）10／3508／808／203）I級分類試驗。用1.2/50μs沖擊電壓、8/20μs和10/350μs沖擊電流作的試驗。L測得標(biāo)稱放電電流In（8/20μs）和最大沖擊電流Iimp（10/350μs）。通過該試驗的SPD通常用于高暴露地點，可承受較大的能量。一般電壓開關(guān)型SPD進(jìn)行該項試驗4）II級分類試驗。用1.2/50μs沖擊電壓、8/20μs沖擊電流作的試驗。測得標(biāo)稱放電電流In（8/20μs）和最大放電電流Imax（8/20μs）。一般限壓型SPD進(jìn)行該項試驗，用于低暴露地點。5）III級分類試驗。開路時施加1.2/50μs沖擊電壓、短路時施加8/20μs沖擊電流作的試驗。開路電壓與短路電流峰值之比為2Ω。

3、主要參數(shù)（1）最大持續(xù)工作電壓Uc。使SPD工作時間不小于設(shè)計壽命所允許施加的最高工頻電壓。系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大持續(xù)運(yùn)行電壓不應(yīng)該高于該電壓。（2）標(biāo)稱放電電流In。指SPD通過規(guī)定次數(shù)8/20μs沖擊電流的最大值。在通過這些電流后，SPD的特性變化不超過允許范圍?？捎蒊、II級分類試驗確定。（3）最大放電電流Imax。指SPD通過1次8/20μs沖擊電流的最大值。在通過該電流后，SPD不得發(fā)生實質(zhì)性損壞。由II級分類試驗確定。用以衡量限壓型SPD的最大通流能力。同一只SPD的Imax一般為In的2～2.5倍。（4）3）沖擊電流Iimp。指SPD通過1次10/350μs沖擊電流的最大值。在通過該電流后，SPD不得發(fā)生實質(zhì)性損壞。由I級分類試驗確定。用于衡量電壓開關(guān)型SPD的最大通流能力。小小結(jié)：Imax、Iimp分別表示限壓型SPD和電壓開關(guān)型SPD的極限通流能力。SPD不會因通過這樣大的電流而發(fā)生燒毀、爆炸等事故，但SPD的特性可能已經(jīng)受到破壞，不能繼續(xù)工作。

In表示限壓型和電壓開關(guān)型SPD的額定通流能力。通過該電流后，SPD可繼續(xù)正常工作，直至達(dá)到壽命次數(shù)。（5）電壓保護(hù)水平UP。即最大殘壓。對電壓開關(guān)型SPD，又等于放電電壓。殘壓指SPD動作后的電壓，為隨時間變化的波形，UP即變化的上限。保護(hù)水平應(yīng)低于設(shè)備耐壓。（6）響應(yīng)時間。一般要求小于25ns。參數(shù)示例。某通過I級分類試驗的SPD參數(shù)如下：最大持續(xù)工作電壓Uc：350V標(biāo)稱放電電流In：20kA（15個8/20μs電流波）沖擊電流Iimp：115kA（1個10/350μs電流波）電壓保護(hù)水平UP：600V第7節(jié)低壓系統(tǒng)電涌保護(hù)簡介11.7.1電涌保護(hù)的目的及其在防雷體系中的地位1、目的通過在電氣電子設(shè)備的電源側(cè)限制雷電過電壓（兼限制大部分操作過電壓）并泄放雷電能量，以保護(hù)設(shè)備絕緣及硬件不致?lián)p壞。2、地位1）建筑物內(nèi)部防雷的重要組成部分。2）綜合防雷體系的有效環(huán)節(jié)。3）采取了基本防雷措施的前提下，專門針對耦合到低壓配電系統(tǒng)中的雷電能量進(jìn)行防護(hù)。與雷電過電壓防護(hù)對比：能量相對較小，但被保護(hù)設(shè)備承受力也小，響應(yīng)時間要求高，環(huán)境要求高，與其他環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)性高。11.7.2電涌保護(hù)主要對象及耐受水平保護(hù)對象為低壓配電和用電設(shè)備。低壓設(shè)備耐壓分4個等級，見下表。系統(tǒng)標(biāo)稱電壓從交流或直流標(biāo)稱電壓導(dǎo)出線對中性點的電壓（不大于）設(shè)備的額定沖擊耐壓過電壓（安裝）類別三相IIIIIIIV230/4003001500250040006000400/6906002500400060008000過電壓類別I：用電設(shè)備，如音響、電視機(jī)、計算機(jī)等。過電壓類別II：用電設(shè)備，如洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)器等。過電壓類別III：負(fù)荷側(cè)配電設(shè)備及永久連接至系統(tǒng)的工業(yè)用電設(shè)備（如工業(yè)用電動機(jī)等）。過電壓類別IV：電源側(cè)的配電設(shè)備。各過電壓類別設(shè)備在系統(tǒng)中的位置11.7.3電涌保護(hù)系統(tǒng)的布局采用分散、多級的布局。理由：同一電壓等級系統(tǒng)中有多個耐壓等級設(shè)備，且設(shè)備本身是分散布置的。結(jié)果：逐級泄放電涌能量。要求：在恰當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)器。（1）SPD電壓保護(hù)水平與被保護(hù)設(shè)備配合。（2）不同防雷區(qū)交界面處，應(yīng)設(shè)置SPD。LPZ0與LPZ1區(qū)交界面：設(shè)置通過I級分類試驗的SPD。其他交界面：設(shè)置通過II、III級分類試驗的SPD。（3）同一防雷區(qū)中的同一配電級中，考慮電涌波過程，可能在若干處設(shè)置SPD。按從電源到負(fù)荷的方向，系統(tǒng)的多級保護(hù)分別被稱為第一、二、三、四級，對應(yīng)于被保護(hù)對象的過電壓類別。辯異：一級SPD：在系統(tǒng)中處于最靠電源側(cè)的SPD；I級SPD：通過I級分類試驗的SPD。電涌保護(hù)布局示例11.7.4電壓保護(hù)模式相與相間、相與中性線之間的電涌電壓叫做差模電壓。相與地間、中性線與地間的電涌電壓叫做共模電壓。SPD的電壓保護(hù)模式指與電涌電壓模式相對應(yīng)的保護(hù)器件與系統(tǒng)的連接方式。典型的電壓保護(hù)模式分三類，相應(yīng)的典型電路接線有四種。保護(hù)模式SPD連接的導(dǎo)體保護(hù)的對象共模保護(hù)MC相－地、中－地載流導(dǎo)體對地絕緣差模保護(hù)MD相－中相絕緣、繞組匝間絕緣、負(fù)載電路或元件相－相相間絕緣、繞組匝間絕緣、負(fù)載電路或元件全模保護(hù)共模＋差模SPD電壓保護(hù)模式及特點a:共模b:差模c:全模d:3＋111.7.5SPD主要參數(shù)選擇1、電壓保護(hù)水平Up理論上，Up連同引線上的壓降，應(yīng)小于被保護(hù)設(shè)備的沖擊耐壓Uw。實際上，一般用以下公式校核：

Up≤0.8Uw

2、通流容量選擇工程上將被保護(hù)對象按雷擊危險性分為A、B、C、D四級，并規(guī)定了每個分級對SPD通流容量的最低通流容量要求。LPZ0與LPZ1區(qū)交界處LPZ1與LPZ2、LPZ2與LPZ3區(qū)交界處第一級保護(hù)放電電流（kA）第二級標(biāo)稱放電電流（kA）第三級標(biāo)稱放電電流（kA）第四級標(biāo)稱放電電流（kA）Iimp（10/350μs）In（8/20μs）In（8/20μs）In（8/20μs）In（8/20μs）≥20≥80≥40≥20≥10例：A級系統(tǒng)中各級SPD通流容量參考值表中的等級指SPD在電涌保護(hù)布局中的分級3、最大持續(xù)工作電壓Uc

Uc選擇關(guān)系著SPD的壽命，應(yīng)大于系統(tǒng)最大持續(xù)運(yùn)行電壓。一般持續(xù)5s以上的電壓就應(yīng)視為持續(xù)電壓。應(yīng)考慮以下幾個因素。1）正常運(yùn)行時10％的系統(tǒng)電壓偏差和5％的SPD老化因素。2）系統(tǒng)接地形式。接地故障時，不同接地形式的系統(tǒng)可能出現(xiàn)不同的過電壓，若持續(xù)時間超過5s，應(yīng)考慮為持續(xù)電壓。

3）中壓系統(tǒng)故障傳遞到低壓系統(tǒng)的持續(xù)過電壓。示例如圖。系統(tǒng)SPDTN（不小于）TT（不小于）IT（不小于）TN－STN－CSPD安裝在RCD的負(fù)荷側(cè)MC/D3＋1SPD安裝在RCD的電源側(cè)MD3＋1引出中性線不引出中性線L－N1.15Unφ－1.55Unφ1.15Unφ1.15Unφ－L－PE1.15Unφ－1.55Unφ1.15Unφ1.05Un1.05UnφN－PEUnφ－UnφUnφUnφ－L－PEN－1.15Unφ－－－－低壓系統(tǒng)中Uc的選取11.7.6電涌保護(hù)的級間配合由于低壓系統(tǒng)電涌保護(hù)采用分散、多級的布局，以逐級削減電涌能量并與被保護(hù)設(shè)備匹配，因此各級電涌保護(hù)器除了類型不同以外，在參數(shù)上還應(yīng)滿足一定的關(guān)系，才能滿足保護(hù)要求。電涌保護(hù)的級間配合就是指各級電涌保護(hù)在類型、參數(shù)及位置關(guān)系等上的協(xié)調(diào)。1、兩級電涌保護(hù)器間的電壓耦合如圖，上級為電壓開關(guān)型SPD，下級為電壓型SPD。SPD1導(dǎo)通電壓和電壓保護(hù)水平均高于SPD2。配合要求為：SPD1必須先于SPD2導(dǎo)通以泄放能量，否則SPD2可能被損壞。在短距離內(nèi)，按集中參數(shù)電路近似分析。器件、系統(tǒng)、外部三類參數(shù)在SPD參數(shù)確定的情況下，以上條件能否滿足取決于R、L的大??；在線路類型、規(guī)格確定的情況下（線路選擇不會考慮電涌保護(hù)因素），R、L只取決于兩級SPD間的線路長度，或稱電氣距離。若將SPD2看作感受器，SPD1處電涌看作干擾源，則電涌電壓是通過線路傳導(dǎo)耦合到SPD2的，耦合路徑上的衰減與R、L正相關(guān)。因此將R、L稱為解藕阻抗。為保護(hù)SPD2不致?lián)p壞，需要足夠的解藕量。級間電氣距離過短，達(dá)不到解藕要求。人為解藕方法上、下級SPD之間因電氣距離過短導(dǎo)致電涌電壓耦合過強(qiáng)，又不能調(diào)整電氣距離時，需要使用解藕元件。解藕元件為專門的電阻或電感器件。一