第11章低压系统电涌保护(下)

1、第6节 电涌与电涌保护器 本节主要讨论四个问题。 （1）什么是电涌。 （2）电涌是怎么来的。 （3）电涌有多强。 （4）电涌保护器。11.6.1 电涌的来源 1、电涌（surge） 以雷击电磁脉冲（LEMP）和（或）操作电磁脉冲（SEMP）为干扰源，在电气电子系统中产生的能量耦合。 2、用电磁兼容模型解释电涌 按技术领域分类，电涌属于电磁兼容（EMC）问题，电磁兼容的模型如下。干扰源(发射器）(耦合路径）耦合机制敏感设备(感受器） 按电磁兼容模型，电涌解释如下。 干扰源（发射器）：LEMP和SEMP等。电感性耦合电容性耦合空间辐射耦合耦合）导体传导耦合（电阻性耦合路径感受器（敏感设备）：低压配

2、电系统或电子信息系统，本课程主要介绍以低压配电系统作为感受器的电涌保护。电涌电压的例子11.6.2 耦合路径详解 1、传导（阻性）耦合 主要是通过金属管线的直接电气联通，将能量脉冲从一处传到另一处。 在分析用等效电路上，这种耦合路径可用一个电阻来表示，因此又叫做阻性耦合。 如：直接雷击线路造成的侵入雷电波，接地体上的雷击电磁脉冲传导（见下页图）等。设备1接闪器引下线建筑1EBB1PERsh1电涌电流雷电流屏蔽层芯线信号线sh2RPEEBB2建筑2引下线接闪器设备2EBB等电位连接板阻性耦合的电涌 2、感性辐射耦合 指空间磁场传递的能量脉冲。 耦合的原理为电磁感应。信线号线源电设备1设备2RL

3、3、容性辐射耦合 指空间电场传递的能量脉冲 小结： 电涌是LEMP或SEMP通过阻性、感性或容性耦合传递到低压系统或电子信息系统上的能量脉冲。 电涌的危害以脉冲电压或脉冲电流的形式出现。 危害的对象除了绝缘以外，还包括用电设备本身的元、器件（又称硬件）。11.6.3 电涌能量的计算 电涌能量干扰源能量耦合衰减 1、干扰源能量（雷电） 考虑雷击电磁脉冲问题时，应考虑电闪中可能出现的三种雷击形式。 （1）短时首次雷击； （2）首次后的雷击； （3）长时间雷击。（讨论以上分类的逻辑错误）实际上应为：首次与首次以后雷击（按先后），短时与长时雷击（按持续时间）。首次总是短时。短时雷击长时间雷击向下闪击的

4、组合形式向上闪击的组合形式雷电流参数雷电流参数防雷建筑类别防雷建筑类别一类一类二类二类三类三类I I幅值幅值/kA200200150150100100T T1 1波头时间波头时间/s101010101010T T2 2波头时间波头时间/s350350350350350350Q Qs电荷量电荷量/C C10010075755050W W/ /R R单位能量单位能量/(M MJ/)10105.65.62.5首次短时雷击雷电流参数 H雷电流参数雷电流参数防雷建筑类别防雷建筑类别一类一类二类二类三类三类I I幅值幅值/kA5037.525T T1 1波头时间波头时间/s0.250.250.25T T2

5、 2波头时间波头时间/s100100100I I/ /T T1 1平均陡度平均陡度/（kA/s）200150100首次以后短时雷击的雷电流参数雷电流参数雷电流参数防雷建筑类别防雷建筑类别一类一类二类二类三类三类Q Q1 1电荷量电荷量/C C200150100T T时间时间/s0 0.50.50.5长时雷击参数 2、线路中感性耦合的能量计算 感性耦合能量计算非常复杂，除考虑干扰源能量以外，还要考虑耦合路径上的衰减以及环路的面积和位置等。 业界专家对一些典型的感性耦合能量进行了计算，并将结果列成表格，可供工程应用选择。典型情况见下页图b、e、f，计算结果见教材P184表4-4。 3、传导耦合的能

6、量计算 主要考虑压降和各处连接的分流作用。见上页图a、c、d及下图。100%雷电流sh1REBB引下线接闪器iiiiii50%雷电流远处接地的进入建筑物的金属管线建筑物的金属管线远处接地的进入EBB等电位连接板 小结： 电涌的能量取决于干扰源（LEMP、SEMP）能量大小和耦合路径衰减量大小。 干扰源能量以雷电流幅值、电荷量来表征。 阻性耦合衰减主要是各处联接的分流作用。 感性耦合衰减主要涉及空间距离、屏蔽及感应环路面积等。11.6.4 电涌保护器（SPD） 电涌保护器是一种用于带电系统中限制瞬态过电压并释放电涌能量的非线性器件，用以保护电气电子系统免遭电涌破坏。 电子系统中还有串接限制过电流

7、的电涌保护器件。 辩异：电涌保护器与避雷器。基本原理相同，特性参数和应用环境、应用目的不同。利用共同点加深对基本概念的理解，利用不同点加强对工程意识的培养。 1、分类及特性 分为电压开关型、限压型和混合型三类。 电压开关型：突然导通特征。通流容量大，特性陡，残压高。主要用于泄放能量。适用于LPZ0与LPZ1区交界处。 限压型：随电涌电压升高渐进导通。通流容量小，特性缓，因逐渐释放能量而具有降低过电压幅值的作用。主要用于保护终端设备。适用于LPZ0B及以后防雷区。tuAAuttuA雷电波开关型SPD限压型SPD雷电波混合型SPD雷电波 混合型：随承受的电涌电压不同而分别呈现电压开关型或限压型特性

8、。可作为配电系统中间级的保护。 三类SPD的保护动作特性图。 2、性能试验 SPD有三种冲击分类试验，用以确定相关参数。这三种试验没有等级之分。生产厂家可根据自己所生产产品的应用目的，选择其中一种或几种进行试验。 1）试验标准电流。见图。其中曲线、为IEC61643-1标准推荐，曲线为德国E DIN VDE0675标准推荐。 2）试验标准电压。一般采用1.25/50s的冲击电压作为试验电压。电涌保护器试验电流曲线曲线1 1曲线曲线2 2曲线曲线3 3i imaxmax（kAkA）1001001001005 5Q Q（AsAs）505010100.10.1W WR R（J J）2.52.5101

9、06 65 510105 50.40.410103 3波形（波形（s s）10103503508 880808 82020 3）I级分类试验。用1.2/50s冲击电压、8/20s和10/350s冲击电流作的试验。L 测得标称放电电流In（8/20s）和最大冲击电流Iimp（10/350s）。 通过该试验的SPD通常用于高暴露地点，可承受较大的能量。一般电压开关型SPD进行该项试验 4）II级分类试验。用1.2/50s冲击电压、8/20s冲击电流作的试验。 测得标称放电电流In（8/20s）和最大放电电流Imax（8/20s）。 一般限压型SPD进行该项试验，用于低暴露地点。 5）III级分类试

10、验。开路时施加1.2/50s冲击电压、短路时施加8/20s冲击电流作的试验。开路电压与短路电流峰值之比为2。 3、主要参数 （1）最大持续工作电压Uc。使SPD工作时间不小于设计寿命所允许施加的最高工频电压。 系统可能出现的最大持续运行电压不应该高于该电压。 （2）标称放电电流In。指SPD通过规定次数8/20s冲击电流的最大值。在通过这些电流后，SPD的特性变化不超过允许范围。可由I、II级分类试验确定。 （3）最大放电电流Imax。指SPD通过1次8/20s冲击电流的最大值。在通过该电流后，SPD不得发生实质性损坏。由II级分类试验确定。用以衡量限压型SPD的最大通流能力。 同一只SPD的

11、Imax一般为In的22.5倍。 （4）3）冲击电流Iimp。指SPD通过1次10/350s冲击电流的最大值。在通过该电流后，SPD不得发生实质性损坏。由I级分类试验确定。用于衡量电压开关型SPD的最大通流能力。 小小结： Imax、Iimp分别表示限压型SPD和电压开关型SPD的极限通流能力。SPD不会因通过这样大的电流而发生烧毁、爆炸等事故，但SPD的特性可能已经受到破坏，不能继续工作。 In表示限压型和电压开关型SPD的额定通流能力。通过该电流后，SPD可继续正常工作，直至达到寿命次数 。 （5）电压保护水平UP。即最大残压。对电压开关型SPD ，又等于放电电压。 残压指SPD动作后的电

12、压，为随时间变化的波形，UP即变化的上限。 保护水平应低于设备耐压。 （6）响应时间。一般要求小于25ns。 参数示例。某通过I级分类试验的SPD参数如下：最大持续工作电压Uc：350V标称放电电流In：20kA（15个8/20s电流波）冲击电流Iimp：115kA（1个10/350s电流波）电压保护水平UP：600V第7节 低压系统电涌保护简介11.7.1 电涌保护的目的及其在防雷体系中的地位 1、目的 通过在电气电子设备的电源侧限制雷电过电压（兼限制大部分操作过电压）并泄放雷电能量，以保护设备绝缘及硬件不致损坏。 2、地位 1）建筑物内部防雷的重要组成部分。 2）综合防雷体系的有效环节。

13、3）采取了基本防雷措施的前提下，专门针对耦合到低压配电系统中的雷电能量进行防护。 与雷电过电压防护对比：能量相对较小，但被保护设备承受力也小，响应时间要求高，环境要求高，与其他环节的关联性高。11.7.2 电涌保护主要对象及耐受水平 保护对象为低压配电和用电设备。 低压设备耐压分4个等级，见下表。系统标系统标称电压称电压从交流或直流从交流或直流标称电压导出标称电压导出线对中性点的线对中性点的电压（不大于）电压（不大于）设备的额定冲击耐压设备的额定冲击耐压过电压（安装）类别过电压（安装）类别三相三相I IIIIIIIIIIIIVIV230/400230/400300300150015002500

14、25004000400060006000400/690400/69060060025002500400040006000600080008000 过电压类别I：用电设备，如音响、电视机、计算机等。 过电压类别II：用电设备，如洗衣机、冰箱、空调器等。 过电压类别III：负荷侧配电设备及永久连接至系统的工业用电设备（如工业用电动机等）。 过电压类别IV：电源侧的配电设备。各过电压类别设备在系统中的位置11.7.3电涌保护系统的布局 采用分散、多级的布局。 理由：同一电压等级系统中有多个耐压等级设备，且设备本身是分散布置的。 结果：逐级泄放电涌能量。 要求：在恰当的位置设置恰当的保护器。 （1）S

15、PD电压保护水平与被保护设备配合。 （2）不同防雷区交界面处，应设置SPD。 LPZ0与LPZ1区交界面：设置通过I级分类试验的SPD。其他交界面：设置通过II、III级分类试验的SPD。 （3）同一防雷区中的同一配电级中，考虑电涌波过程，可能在若干处设置SPD。 按从电源到负荷的方向，系统的多级保护分别被称为第一、二、三、四级，对应于被保护对象的过电压类别。辩异： 一级SPD：在系统中处于最靠电源侧的SPD； I级SPD：通过I级分类试验的SPD。 变配电所照明LPZ0LPZ1屋顶彩灯PU6kV低压配电屏4kVUP楼层配电箱PU 4kVPU 2.5kV住户配电箱电源插座1.5kVUP电涌保护

16、布局示例11.7.4 电压保护模式 相与相间、相与中性线之间的电涌电压叫做差模电压。 相与地间、中性线与地间的电涌电压叫做共模电压。 SPD的电压保护模式指与电涌电压模式相对应的保护器件与系统的连接方式。 典型的电压保护模式分三类，相应的典型电路接线有四种。保护模式保护模式SPDSPD连接的导体连接的导体保护的对象保护的对象共模保护共模保护 MC MC相地、中地相地、中地载流导体对地绝缘载流导体对地绝缘差模保护差模保护 MD MD相中相中相绝缘、绕组匝间绝缘、负载相绝缘、绕组匝间绝缘、负载电路或元件电路或元件相相相相相间绝缘、绕组匝间绝缘、负相间绝缘、绕组匝间绝缘、负载电路或元件载电路或元件全

17、模保护全模保护共模差模共模差模SPD电压保护模式及特点L1L3L2NPEPENL2L3L1a)b)PENL2L3L1c)d)L1L3L2NPEa:共模b:差模c:全模d:3111.7.5 SPD主要参数选择 1、电压保护水平Up 理论上，Up连同引线上的压降，应小于被保护设备的冲击耐压Uw。 实际上，一般用以下公式校核： Up 0.8Uw 2、通流容量选择 工程上将被保护对象按雷击危险性分为A、B、C、D四级，并规定了每个分级对SPD通流容量的最低通流容量要求。 LPZ0LPZ0与与LPZ1LPZ1区交界处区交界处LPZ1LPZ1与与LPZ2LPZ2、LPZ2LPZ2与与LPZ3LPZ3区交界

18、处区交界处第一级保护放电电流（第一级保护放电电流（kAkA）第二级标称第二级标称放电电流放电电流（kAkA）第三级标称第三级标称放电电流放电电流（kAkA）第四级标称第四级标称放电电流放电电流（kAkA）I Iimpimp（10/35010/350s s）I In n（8/208/20s s）I In n（8/208/20s s）I In n（8/208/20s s）I In n（8/208/20s s）20208080404020201010例：A级系统中各级SPD通流容量参考值表中的等级指表中的等级指SPD在电涌保护布局中的分级在电涌保护布局中的分级 3、最大持续工作电压Uc Uc选择关系

19、着SPD的寿命，应大于系统最大持续运行电压。一般持续5s以上的电压就应视为持续电压。应考虑以下几个因素。 1）正常运行时10的系统电压偏差和5的 SPD老化因素。 2）系统接地形式。接地故障时，不同接地形式的系统可能出现不同的过电压，若持续时间超过5s，应考虑为持续电压。 3）中压系统故障传递到低压系统的持续过电压。示例如图。L3L2NL1ECVICUINVWREIC= ICURNNU系统系统SPDSPDTNTN（不小于）（不小于）TTTT（不小于）（不小于）ITIT（不小于）（不小于）TNTNS STNTNC CSPDSPD安装安装在在RCDRCD的的负荷侧负荷侧MC/DMC/D3 31 1

20、SPDSPD安装安装在在RCDRCD的的电源侧电源侧MDMD3 31 1引出中引出中性线性线不引出不引出中性线中性线L LN N1.151.15U Un n1.551.55U Un n1.151.15U Un n1.151.15U Un nL LPEPE1.151.15U Un n1.551.55U Un n1.151.15U Un n1.051.05U Un n1.051.05U Un nN NPEPEU Un nU Un nU Un nU Un nL LPENPEN1.151.15U Un n低压系统中Uc的选取11.7.6 电涌保护的级间配合 由于低压系统电涌保护采用分散、多级的布局，以

21、逐级削减电涌能量并与被保护设备匹配，因此各级电涌保护器除了类型不同以外，在参数上还应满足一定的关系，才能满足保护要求。 电涌保护的级间配合就是指各级电涌保护在类型、参数及位置关系等上的协调。 1、两级电涌保护器间的电压耦合 如图，上级为电压开关型SPD，下级为电压型SPD。 SPD1导通电压和电压保护水平均高于SPD2。配合要求为：SPD1必须先于SPD2导通以泄放能量，否则SPD2可能被损坏。SPD1uLRSPD21ii2iUP1P2UABop1P2ddUtiLRiU在短距离内，按集中参数电路近似分析。器件、系统、外部三类参数 在SPD参数确定的情况下，以上条件能否满足取决于R、L的大小；在线路类型、规格确定的情况下（线路选择不会考虑电涌保护因素），R、L只取决于两级SPD间的线路长度，或称电气距离。 若将SPD2看作感受器，SPD1处电涌看作干扰源，则电涌电压是通过线路传导耦合到SPD2的，耦合路径上的衰减与R、L正相关。因此将R、L称为解藕阻抗。 为保护SPD2不致损坏，需要足够的解藕量。级间电气距离过短，达不到解藕要求。 人为解藕方法 上、下级SPD之间因电气距离过短导致电涌电压耦合过强，又不能