第11章低压系统电涌保护(下)

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。

按电磁兼容模型，电涌解释如下。

干扰源（发射器）：LEMP和SEMP等。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。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。

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组合形式向上闪击的组合形式雷电流参数防雷建筑类别一类二类三类I幅值/kA200150100T1波头时间/μs101010T2波头时间/μs350350350Qs电荷量/C1007550W/R单位能量/(MJ/Ω)105.62.5首次短时雷击雷电流参数H雷电流参数防雷建筑类别一类二类三类I幅值/kA5037.525T1波头时间/μs0.250.250.25T2波头时间/μs100100100I/T1平均陡度/（kA/μs）200150100首次以后短时雷击的雷电流参数雷电流参数防雷建筑类别一类二类三类Q1电荷量/C200150100T时间/s0.50.50.5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。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。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。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EDINVDE0675标准推荐。2）试验标准电压。一般采用1.25/50μs的冲击电压作为试验电压。电涌保护器试验电流曲线1曲线2曲线3imax（kA）1001005Q（As）50100.1W／R（J／Ω）2.5×1065×1050.4×103波形（μs）10／3508／808／203）I级分类试验。用1.2/50μs冲击电压、8/20μs和10/350μs冲击电流作的试验。L测得标称放电电流In（8/20μs）和最大冲击电流Iimp（10/350μs）。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1.2/50μs冲击电压、8/20μs冲击电流作的试验。测得标称放电电流In（8/20μs）和最大放电电流Imax（8/20μs）。一般限压型SPD进行该项试验，用于低暴露地点。5）III级分类试验。开路时施加1.2/50μs冲击电压、短路时施加8/20μs冲击电流作的试验。开路电压与短路电流峰值之比为2Ω。

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8/20μs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8/20μs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Imax一般为In的2～2.5倍。（4）3）冲击电流Iimp。指SPD通过1次10/350μs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8/20μs电流波）冲击电流Iimp：115kA（1个10/350μs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。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。系统标称电压从交流或直流标称电压导出线对中性点的电压（不大于）设备的额定冲击耐压过电压（安装）类别三相IIIIIIIV230/4003001500250040006000400/6906002500400060008000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）SPD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。电涌保护布局示例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SPD连接的导体保护的对象共模保护MC相－地、中－地载流导体对地绝缘差模保护MD相－中相绝缘、绕组匝间绝缘、负载电路或元件相－相相间绝缘、绕组匝间绝缘、负载电路或元件全模保护共模＋差模SPD电压保护模式及特点a:共模b:差模c:全模d:3＋111.7.5SPD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。LPZ0与LPZ1区交界处LPZ1与LPZ2、LPZ2与LPZ3区交界处第一级保护放电电流（kA）第二级标称放电电流（kA）第三级标称放电电流（kA）第四级标称放电电流（kA）Iimp（10/350μs）In（8/20μs）In（8/20μs）In（8/20μs）In（8/20μs）≥20≥80≥40≥20≥10例：A级系统中各级SPD通流容量参考值表中的等级指SPD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。系统SPDTN（不小于）TT（不小于）IT（不小于）TN－STN－CSPD安装在RCD的负荷侧MC/D3＋1SPD安装在RCD的电源侧MD3＋1引出中性线不引出中性线L－N1.15Unφ－1.55Unφ1.15Unφ1.15Unφ－L－PE1.15Unφ－1.55Unφ1.15Unφ1.05Un1.05UnφN－PEUnφ－UnφUnφUnφ－L－PEN－1.15Unφ－－－－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。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，又不能调整电气距离时，需要使用解藕元件。解藕元件为专门的电阻或电感器件。一