雷电防护技术与产品20061221(1.5h)

雷电防护技术及产品王宏BBLightningProtectionGroup

直击雷防护产品OPR的研发和生产电涌保护器OVR系列产品的研发与生产2001年6月ABBLightningProtectiongroup成立，前身是创建于120年前的法国Soule防雷公司，在国际上具有相当规模的电涌保护器和提前放电避雷针的制造商和销售商，已成为ABB全球销售网络的防雷产品研发和生产中心。

过电压是电子设备产生故障和生产中断的主要原因，它可以由雷击、电网中的开关操作和相关干扰产生。电子设备破损保守统计过电压产生的后果雷电是一种常见的自然现象，全球每天形成44000个雷暴中心，发生800万次雷电，平均每秒放电100次。人类是无法制止的雷电。人们力所能及——预防和限制雷电的侵入途径雷电的侵入途径直击雷雷直击于外部雷电保护系统或建筑物接地的外部传导部件雷直击架空线闭环闭环直接对地耦合（地之间的电阻耦合）：当雷电电流在设备附近放电时，流过地面的雷电电流将导致接地电压增加和PE的电压能高达几千伏。雷击在外部保护设备上会在由电线形成的闭环上产生过电压电感耦合雷击产生的磁场将在任何环形配线中导致过电压，在高空电线周围的雷击将在这些线上产生过电压附近雷击雷电的侵入途径操作过电压断路器的开/关

变压器、电机或电感、电阻突变皆可产生很快的电流变化(di/dt)和产生瞬时过电压。过电压雷电的侵入途径SPD的2个功能:

释放电涌电流

限制过电压(1.2kV).SPD至少包含一个非线性元件•正常情况下，SPD对应用系统没有任何影响。它在线路中起开路作用和保持相与地之间的绝缘。•当电涌发生时，SPD将瞬间（纳秒级）降低其阻抗，同时传导电涌电流。•当电涌发生后，SPD恢复高阻抗和起开路作用。雷电的术语10/350µs波形模拟具有高电能的直接雷击8/20µs波形模拟间接或远程雷击，或者模拟开关操作雷电的术语Type1(ClassB)SPD用于处理雷电冲击电流的波形10/350μs。一般推荐安装在高暴露的地方，例如：雷电保护系统保护的或架空线供电的建筑物进线端。Type2(ClassC)SPD测试波形8/20μs时间比10/350μs短，用于释放远处雷击或开关操作产生的低电能。一般建议安装在没有对直接雷击暴露的地方雷电的术语冲击电流Iimp：10/350μs电流波形的最大值，用来描述Type1产品。Type1(classB)产品应该耐受10/350μs电流波形5次增加的冲击(0.1Iimp,0.25Iimp,0.5Iimp,0.75Iimp,Iimp)。最大放电电流Imax：8/20μs电流波形的最大值，用来描述Type2产品。Type2(classC)产品应该耐受8/20μs电流波形5次增加的冲击(0.1Imax,0.25Imax,0.5Imax,0.75Imax,Imax)。标称放电电流In流通SPD（有一个8/20μs电流波形）的电流峰值。根据IEC61643-1§7.6.4和IEC61643-12§5.5.2.1标准，Type1(classB)和Type2(classC)SPD应耐受15次8/20μs波形冲击电流的幅值In。雷电的术语雷电电涌开关电涌230V50Hz瞬时过电压暂时过电压Un=230VSPD目标SPD对手最大持续工作电压Uc最大r.m.s(均方根值)或直流电压可持续供电SPD，它相当于SPD的额定电压。典型电网为50Hz-230V（相-中性线），ABB开发了Un为255V或275V的产品。暂态过电压UT在一个指定时间tT内，SPD可耐受的最大r.m.s.（均方根值）或暂时直流过电压（TOV）。当暂时过电压后，SPDs发生故障时，应该对人身、设备或设施没有危害。例如：对于230V的相-中性线TN电网，根据IEC60364-4-442标准，在5s内，它应该比相与地之间的电压334V高。雷电的术语1msmax电压保护水平Up

是当释放冲击电流到地面时，由接线端子之间的电涌保护器给定的电压。它直接由变阻器和火花间隙产生，不可超过连接在下级设备的耐受电压值。续流If.If是指SPD电涌电流流过（过电压消失）之后，在电力系统供电电压作用下流过SPD的电流。火花间隙或气体放电管会产生续流（电弧），非线性电阻不会产生续流。如果电弧不被切断，此电流将达到电力系统预期的短路电流Icc。续流切断能力Ifi(或额定断开续流值)在Uc下SPD切断的续流If值。SPD的Ifi

应该等于或大于安装点的预期短路电流(Icc)雷电的术语UocU(V)I(A)R雷电保护区域(LPZ)•LPZ0A：本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流；电磁场强度没有衰减。•LPZ0B：本区内的各物体不可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击，电磁场强度没有衰减。•LPZ1：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导体的电流比LPZ0A和LPZ0B要小；电磁场强度可能衰减。TypeI(ClassB)SPDs

应该安装在LPZOA和LPZ1之间的界面处，阻止雷电冲击电流通过线路进入。•LPZ2：本区内流经各导体的电流比LPZ1更小，电磁场强度会进一步衰减。Type2(ClassC)SPDs安装在LPZ1和LPZ2之间的界面处，用于泄放剩余电涌电流和限制过电压。•LPZ3：与LPZ2相比，装有灵敏设备的区域由振荡效应产生的过电压、电磁场强度和操作过电压被减少。SPD的配置空调LPZ1LPZ2LPZ3LPZ1LPZ1LPZOALPZOALPZOBLPZOBLPZ1LPZ2用于LPZOA–LPZ1界面处的电涌保护器用于LPZOB–LPZ1界面和更多界面处的电涌保护器用于LPZOA–LPZ2界面处的组合型电涌保护器埋地电缆入口处安装的Type1SPD接至主汇流排，当外部雷电系统中发生直击雷时，此SPD将释放供电网络中的部分雷电流。空调系统引下线接地系统架空线入口处安装的组合型电涌保护器接至接地汇流排，直接保护LPZ2的设备，使部分雷电流无法进入LPZ2。由于照明灯处于LPZ0A，用于照明的供电电缆应安装Type1SPD。LPZOALPZOB外部雷电防护系统的雷电保护区界面环形接地电极金属外壳屏蔽水泥墙钢筋地基的钢筋SPD的配置TN-SL1L2L3NPE总配电室分配电室精确保护电涌保护器电涌保护器电涌保护器F2F1RCD总接地端子排局部接地端子排(如果存在)设备首端kWh1212LPZ0LPZ1LPZ2F2外部雷电保护系统SPD的配置TN-C-SL1L2L3PEN总配电室分配电室精确保护电涌保护器Type1Type2,Imax=40kA/极,Up=1.5kVType3Up=0.8kV外部雷电保护系统电涌保护器电涌保护器F1RCD总接地端子排

分接地端子排(如果存在)设备首端kWh1212LPZ0LPZ1LPZ2F2F2SPD的配置TTL1L2L3NPE总配电室分配电室精确保护电涌保护器Type1Type2,Imax=40kA/极,Up=1.5kVType3,Up=0.8kV外部雷电保护系统电涌保护器电涌保护器F2RCD总接地端子排局部接地端子排(如果存在)设备首端kWh12LPZ0LPZ1LPZ2F1F2SPD的配置I=100kA(10/350μs)

50%

Is=50%

Is/3=16.3%

Is/3=16.3%

Is/3=16.3%

金属煤气管金属水管全部雷电流I的50%流入雷电保护系统的接地装置。剩余的50%雷电流Is分配于引入建筑物的各种外来导电物、电力线、通信线。I=100%(10/350μs)I=50%

I=50%

I=5x10%

SPD的配置

水管和煤气管通讯网络24V

10

10

I=100kA10

50x10=500kV

50kA

50kA

28kA

2x11kA

14kA

14kA

10

10

7x10=70kV

7kA

7kA

7kA

7x10=70kV

7kA

7kA

SPD的配置火花间隙和放电管当没有过电压（无电流流过）时，它具有高阻抗特性。当有过电压时，阻抗在100ns内迅速降到0.1-1Ω。SPD的技术2.当电涌发生时，2极之间的电压将在几us内剧增。4.电涌电流流通电极.相和地短接，电涌电能流通火花间隙。UocU(V)I(A)RU(V)T(µs)I(A)电火花过电压:火花间隙2极之间击穿放电之前的最大电压值转换电压1.没有电涌时，火花间隙具有高阻抗特性(一般1000MOhms)，此时，SPD作为开路。3.当电压达到几千伏时（电火花过电压），电极之间的空气或气体将发生电离和将产生电弧OVRT125255

OVRT150NOVRT13N25255TS

OVRT1+225255TS自动触发电极产生小火花一旦浪涌入地,电弧会进入灭弧室并自动熄灭热气通过排气通道排出,避免引起火险小火花导致主放电间隙击穿,把浪涌能量引入大地电子触发装置感应到浪涌并进行放大SPD的技术OVRT1电涌保护器技术特性Type1-OVRT1Type1+2-OVRT1+2（B+C）Type1-OVRT1N技术工艺触发式火花间隙触发式火花间隙＋MOV中性线火花间隙电气特性标准IEC61643-1/EN61643-11型号/测试等级T1/TypeⅠT1＋2/TypeⅠ＋TypeⅡT1/TypeⅠ极数1P/3P/4P1P+N3P+N1P1P电网型式TN-S/TN-C/TN-C-STTTTTT/TN-S/TN-C/TN-C-STT/TN-S/TN-C/TN-C-S电流类型ACACAC额定电压Un230230/最大持续工作电压UcV255255255电压保护水平Up(L-PE)kV2,5//1.52.5/4电压保护水平Up(L-N/N-PE)kV

/2.5/2.52.5/2.5//额定放电电流In(8/20)kA2525252525每相冲击电流Iimp(10/350)kA25//2550/100冲击电流Iimp(10/350)(L-N/N-PE)kA

/25/5025/100//TOV耐受特性UTOV(5s)V400//3341200TOV耐受特性UTOV(L-N:5s/N-PE:200ms)V

/400/1200400/1200//额定断开续流值Ifi

kArms50//15/额定断开续流值Ifi(L-N/N-PE)kArms/50/0.150/0.1/50/0.1持续工作电流Ic

mA无＜1＜1耐受短路电流Icc

kArms505050额定负载电流ILA//125最大后备熔丝A：并联/串联接线（V型接线）315/125315/125N/AUocU(V)I(A)R电涌发生和电压增加电涌电流流通变阻器T(s)U(V)I(A)剩余电压金属氧化物电阻器MOV的SPD无过电压时（泄漏电流将流通），具有高阻抗特性，但其高阻抗将随着过电压的增加而减少。当出现过电压时，MOV电阻（大于1MΩ)将瞬间（几纳秒）降至1Ω以下。I(A)U(V)SPD的技术OVRBT2型号速查表电涌保护器主型号T1：第Ⅰ级(电压开关型)T1+2：第Ⅰ＋Ⅱ(B+C)级组合型BT2：第Ⅱ级限压型T1、T1+2：冲击电流Iimp(kA，10/350

s)，7、15、25、50和100BT2：最大放电电流Imax(8/20

s)，10、15、40、70、100最大持续运行电压Uc(V)：275、320、385、440特殊或附加功能s：安全储备保护及显示P：插入式模块TS：远方报警信号接点*不带附加特殊功能时,无此虚线框内的字母。极数1N：

单相+中性线2：双极(用于直流线路)3N：三相+中性线*对于单极模块或插入式模块，无此虚线框内的字母和数字。440sPTS370-N-OVRBT2OVRBT2性能特点最大放电电流Imax为100kA/相电压保护水平Up＜1200V具有共模/差模保护具有老化过热保护具有内部隔离器具有报警显示插入式结构（可选）远方报警功能（可选）集中监控模块数多达15块安全储备保护及显示适用于各种低压配电网络单极和多极固定式OVR固定式OVR内部电气结构图OVR1NOVR3NNLNL123差模保护模块差模保护模块共模保护模块共模保护模块单极和多极插拔式OVRBT2OVR1NPNPhNPh123插拔式OVRBT2内部电气结构图

OVR3NPMOV芯片基座热脱扣装置模块壳体安全储备保护（冗余保护）指示窗口为白色：OVR处于正常工作状态。2/3指示窗口为红色：OVR处于后备工作状态,应尽快更换。在这种状态下，OVR防雷性能降低。指示窗口为红色：OVR处于失去状态，应立即更换。试验检测：两个40kA阀片并联,通流容量65～70kA。当MOV模块温度升很高时…低温焊锡融化热脱扣装置动作信号孔获取信号时……白色片状机构动作两个MOV模块其中一个脱扣两个MOV脱扣国外品牌国内品牌Type1SPDType2SPD设备Type1SPDType2SPDU2I1I2U1LLdi/dt(*)12匹配原理过电压作用于1点和2点（火花间隙没电流流过和非线性电阻基本上也没有电流流过：Ldi/dt差不多为零。）首先响应的SPD是具有最低电压保护水平Up的Type2SPD。电流流过Type2SPD和在电感(电缆长度)两端产生电压降Ldi/dt。当U2+Ldi/dt达到Type1SPD的点火电压（击穿电压）时，Type1SPD动作（电极间产生电弧）。大部分能量流过Type1SPD。SPD的技术7-Type1SPD完成电流释放1-Type2SPD开始动作4-Type1SPD在Up1动作（点火）2-电流开始流过Type2SPD5-电流开始流过Type1SPD6-Type2SPD完成电流释放。Type2SPD释放的一部分电流低于它的最大通流容量3-Ldi/dt增加电弧电压Type1SPDType2SPD设备SPD的技术共模保护可以和OVRT150N联合使用以实现共差模保护

OVRT1+225-255TS火花间隙MOVSPD的技术OVRT1/1+2性能特点T1T1+2OVR电涌保护器预期寿命长和可靠性高TOV(暂态过电压)耐受特性:SPD可以承受电网电压440V（5s）以内的任何波动，具有安全失效的模式,最高可承受1430V(200ms)的TOV(无明火，无生命危险)依据IEC61643-12的安装标准进行V形连接以简化接线形式集成在SPD本体的TS遥信触点领先的触发式火花间隙技术OVRT1/1+2产品选型低压架空进线或使用避雷针建筑应使用10/350μs波形测试产品依据GB50057-94(2000年版)，GB50343，IEC60364/GB16895.22供电优先原则保护优先原则保护器件的安装位置MCBSPD动作后设备仍运行，但无保护被保护设备被保护设备MCBSPD动作后设备停止运行(被保护)建议：一级SPD（OVRT1/1+2,OVR100、65）因性价比选取相应型号的熔丝二、三级SPD（OVR40、15）选微断，S270、S260、S250S系列注：前端保护器件分断能力要根据安装点的短路电流计算进行相应调整一般安装规定外部保护元件的选用OVR的安装TN-S系统SPD选用示例RCDL1N被保护设备

OVR1N-40或OVR1N-40P被保护设备

L1L2PEPE单相回路三相回路PEOVR3N-40或OVR3N-40PUc据具体情况选定OVR的选型OVR样本P9、P13中选取的防雷性能最佳选取图例RCDNL3PEPEPETT系统SPD选用示例RCDL1N被保护设备

OVR1N-40或OVR1N-40P被保护设备

OVR3N-40或OVR3N-40PRCDL1NL2L3PEPE单相回路三相回路当OVR安装在RCD负荷侧Uc据具体情况选定Uc据具体情况选定当OVR安装在RCD电源侧,必须选用当OVR安装在RCD电源侧,必须选用OVR1N-40POVR3N-40POVR的选型OVR样本P9、P13中选取的防雷性能最佳选取图例PEPETN-C系统SPD选用示例被保护设备

3ⅩOVR403ⅩOVR40PPEN重复接地L1L2L3PEN三相回路Uc据具体情况选定OVR的选型OVR样本P8、P12中选取的防雷性能最佳选取图例IT系统SPD选用示例

被保护设备

被保护设备

2ⅩOVR-40-440或2ⅩOVR-40-440P3ⅩOVR-40-440或3Ⅹ

OVR40-440PPEPEL1NL1NL2L3三相回路单相回路中性线引出时OVR的选型OVR样本P8、P12中选取的防雷性能最佳选取图例BACK安装实例OVROVR最短距离接地点连接导线短而直OVR的选型

OPR（OptimizedPulseRod）结构和原理

OPR保护范围的计算

OPR的选型及安装市场竞争产品OPR系列优化脉冲提前放电避雷针OPR的工作原理无雷电云时，大气中的电场强度E约为300V/m。有雷电云，云与地之间的电场强度E为10kV/m～20kV/m时，OPR通过底部电极吸收空间电场的能量并将电荷储存在内部装置中。电荷充电到一定程度时，通过其上部电极(d间隙击穿)放电，OPR上部和尖端周围形成强烈的离子层，提前产生一个向上发射的先导，使下行先导放电通道畸变。上行先导迅速向下行先导方向传播并捕获雷电，将雷电流经引下线导入大地，保护OPR下方的设施。OPR系列优化脉冲提前放电避雷针OPR的工作原理实验表明：比普通避雷针更早地产生上行先导，启动时间的抢先优势ΔT，赋予了OPR更加有效的防雷保护空间显著地提前放电时间ΔTOPR为无源系统，不需其它供电源支持，为非放射性元件的电子装置。OPR系列优化脉冲提前放电避雷针在同等的测试条件下，将OPR与普通针的放电时间进行比较，OPR启动上行先导时间与普通针的启动时间的差为提前放电时间ΔT。ΔT=TSR-TE.S.ETSR－普通针的平均启动时间TE.S.E－提前放电避雷针的平均启动时间OPR系列优化脉冲提前放电避雷针提前放电时间ΔTOPRMeetingPointMeetingPointOPR系列优化脉冲提前放电避雷针普通避雷针OPR普通避雷针OPROPR比普通避雷针具有更强的雷电捕获能力OPR系列优化脉冲提前放电避雷针OPR型号和结构

OPR系列优化脉冲提前放电避雷针显著的提前放电时间ΔT能量自给的独立脉冲系统相同高度下，OPR比普通避雷针保护范围更大落雷准确度高，减少了雷击于非避雷针体的概率免维护，无源、无需供电、无损耗元件安全可靠，无放射性元素、不锈钢材料、耐腐蚀能力强重量轻，荷载小，安装简便，造型美观极强的抗风能力OPR系列优化脉冲提前放电避雷针性能特点法国电气中心实验室测试

武汉高压研究所（WHVRI）权威测试，与普通避雷针的对比试验效果十分显著OPR认证OPR系列优化脉冲提前放电避雷针WHVRI试验结论ABB优化脉冲提前放电避雷针（OPR30）比普通避雷针（Franklin）击穿时间短约50μs,即TB约为50μs。OPR30避雷针击穿时刻的峰值电压约比普通避雷针击穿时刻的平均峰值电压减小0.084MV，即ΔVB=0.084MV。OPR30避雷针经本次施加冲击电压击穿试验后，经测试试品内部装置工作正常。OPR系列优化脉冲提前放电避雷针OPR选型两个主要因素二、保护半径Rp参考右图计算值一、被保护物的重要程度及雷电风险评估“被保护物的重要程度”参见GB50057第二章“建筑物防雷分类”及附录一“雷电风险评估”参见GB50343－2004附录AOPR避雷针的选型

Rp：至针尖垂直距离h的平面的保护半径h：OPR针尖至被保护物的垂直距离D:滚球半径OPR保护范围的计算

Rp：至针尖垂直距离h的平面的保护半径h：OPR针尖至被保护物的垂直距离注：安装高度要高于被保护2m保护半径Rp由三个因素决定1.实际测量的ΔTOPR30型ΔT=30μsOPR60型ΔT=60μs2.根据《建筑物防雷设计规范》防雷等级或雷击危险评估计算出的保护等级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，确定保护半径RP3.OPR针尖至被保护物的垂直距离h保护半径Rp:Rp=

h(2D-h)Rp=

(h(2D-h)+L(2D+L))地面hRp普通避雷针D地面DD

LR