电气安全第5章2

1、第四节 电涌 一、电涌的来源 1、什么是电涌（surge） 以雷击电磁脉冲（LEMP）和（或）操作电磁脉冲（SEMP）为骚扰源，在电气电子系统中耦合的能量脉冲。 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。骚扰源(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，对电涌解释如下。 骚扰源（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。电涌电压的示例tu雷电电涌电压持续时间约100 s

2、频率100kHz1MHz操作电涌电压0工频电压波形 2、电涌的耦合路径详解 （1）传导（阻性）耦合 主要是通过金属管线的直接电气连通，将能量脉冲从一处传输到另一处。 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，接地导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示例 （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）容性辐射耦合 指通过

3、空间电场传递的能量脉冲。设备1建筑物1EBB1PE1注入电流外部防雷外部防雷PE2EBB2建筑物2设备2雷电通道注入电流信号线Rsh 小结： 电涌是LEMP或（和）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）。 二、电涌强度计算 电涌能量骚扰源能量耦合衰减 1、骚扰源能量（雷电） 复习上一章内容 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）首次后的短时雷击； （3）长时间雷击。短时雷击长时间雷击t90%10%1

4、T2TI50%I峰值电流（幅值）波头时间T半峰时间12Ti+ _t_ +ic）向下闪击的组合形式_+itti+_itti_a）b）d）c）单个首次短时雷击首次短时雷击后续多次短时雷击后续多次短时和长时间雷击首次短时雷击后续长时间雷击首次短时雷击0000c）d）b）a）_itti_ +itti+ _ +ite）短时雷击叠加的短时雷击首次长时间雷击后续长时间雷击后续短时雷击时雷击叠加的短单一长时间雷击00000向上闪击的组合形式首次短时雷击雷电流参数 首次以后短时雷击的雷电流参数长时间雷击参数 2、线路中感性耦合的能量估算 感性耦合能量计算非常复杂，除考虑骚扰源能量以外，还要考虑耦合路径上的衰减以

5、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。典型情况见后页图，计算结果见教材表5-9。iiV1mlViil1m0.1miiVTilViiilKViiiiiiVlla）b）c）d）e）f） 3、传导耦合的能量计算 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等电位联结板i 小结： 电涌的能量取决于骚扰源（LEMP、SEMP）能量大小和耦合路径衰减量大小。 骚扰源能量以雷电流幅值、电荷量来表征。

6、 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。第五节 电涌保护器 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，简称SPD（Surge Protective Device），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。通过共同点加深对基本概念的理解，通过不同点加强工程意识培养。 一、电涌保护器的类别与工作原理 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

7、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。主要用于保护设备。适用于LPZ0B及以后防雷区。 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。可作为配电系统中间级的保护。 三类SPD的保护动作特性图。tuA雷电波开关型SPD0t0iASPD中电涌电流SPD中工频续流放电电压Aut限压型SPD雷电波0残压SPD中电涌电流Ai0ttuA混合型SPD雷电波0放电电压残压t0iASPD中电涌电流SPD中工频续流电压开关型电压开关型限压型限压型混合型混合型 二、电涌保护器的冲击分类试验 SPD有三

8、种冲击分类试验，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条件，选择其中一种或几种进行试验，并以试验类别标定相关参数。 应用条件：指SPD在系统中的安装位置和应起到的保护作用。 安装位置：高暴露地点；低暴露地点。 保护作用：泄放能量为主；与被保护设备耐压特性配合为主。 1、试验用电流与电压波形 （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02004006008001000204050608010035080 st /i /

9、 kA123 2、三种分类试验 （1）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。 试验结果：标称放电电流In（8/20s），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 （2）II级分类试验。用1.2/50s冲击电压、8/20s冲击电流作的试验。 试验结果：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。 一级与二级分类试验得出的参数中，In是重叠的。 （3）III级分类试验。开路时施加1.2/50s

10、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。 三、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。 原理：长期热稳定性。 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。在通过规定次数的这个电流后，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S

11、PD的Imax一般为In的22.5倍。 （4）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。 辩异： 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不应因通过这样大的电流而发生烧毁、爆炸等事故，但SPD的特性可能已经变坏，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。多次通过该电流后，SPD应可继续正常工作，直至达到规定的次数 。 （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

12、的电压，为随时间变化的波形，UP即变化的上限。 电压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第六节 低压系统电涌保护配置 一、电涌保护对象分级 电涌防护等级是以建筑物中电子信息系统为对象划分的，依据有两个，一个是雷击风险，另一个是电子信息系统的重要性和使用性质。 电气系统的防护级别与同一建筑内电子信息系统的防护级别等同，有时又简称建筑物的电涌防护等级。

13、分为A、B、C、D四个等级，A级防护要求最高，D级最低。 二、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）综合防雷体系的末端环节。 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和电子信息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。 二、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

14、下表。 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：电源侧配电设备。各过电压类别设备在系统中的位置WhWh电梯电动机特殊设备一般家用电器住户380V220/380V220V6000V4000V2500V1500VIIIIIIIV楼道灯 四、电涌保护系统的布局 采用分散、多级的布局。 理由：同一电压等级电网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）SPD电压保护

15、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类SPD：通过I级分类试验的SPD。 某高层住宅电涌保护布局示例变配电所照明LPZ0LPZ1屋顶彩灯PU6kV低压配电屏4kVUP楼层配电箱PU4kVPU 2.5kV住户配电箱电源插座1.5kV剩余

16、电流 电涌电流成为剩余电流。 预防：采用防电涌的RCD。最大防护能力：250A（非选择型）、3kA（选择型）。 （2）RCD对电涌保护器失效的保护IRCDL1L3L2NPE=IdIPENL2L3L1RCDI=0IIdIRCDL1L3L2NPENI共模：有效共模：有效差模：无效差模：无效对对N-PE间间RCD失效保护失效保护保护有效性判断关键：失效故障电流是否成为剩余电流。PENL2L3L1RCDIIdIdII_N-PE间SPD失效对RCD保护灵敏性的影响 （3）电涌保护与过流保护配合 主要考虑SPD失效（相当于元件短路）时，过流保护能否切除故障元件。k2IL1NL2L3PESPD1SPD2(1)(1)Ik1d2I=d1I TN系统中SPD失效故障电流性质： 共模接法：短路 差模接法：短路 TT系统中SPD失效故障电流性质： 共模：远小于短路量级的接地故障电流 差模：短路电流 采用31接法，过流保护可保护3SPD失效。不必考虑“1”SPD失效，因该SPD主要元件为气体放电管，击穿后可自复。L3