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(gè)問(wèn)題。（1）什么是電涌。（2）電涌是怎么來(lái)的。（3）電涌有多強(qiáng)。（4）電涌保護(hù)器。11.6.1電涌的來(lái)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(wèn)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(guò)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(gè)電阻來(lái)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(jiàn)下頁(yè)圖）等。阻性耦合的電涌

2、感性輻射耦合指空間磁場(chǎng)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(chǎng)傳遞的能量脈沖小結(jié)：電涌是LEMP或SEMP通過(guò)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(duì)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(jì)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(wèn)題時(shí)，應(yīng)考慮電閃中可能出現(xiàn)的三種雷擊形式。（1）短時(shí)首次雷擊；（2）首次后的雷擊；（3）長(zhǎng)時(shí)間雷擊。（討論以上分類的邏輯錯(cuò)誤）實(shí)際上應(yīng)為：首次與首次以后雷擊（按先后），短時(shí)與長(zhǎng)時(shí)雷擊（按持續(xù)時(shí)間）。首次總是短時(shí)。短時(shí)雷擊長(zhǎng)時(shí)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(shí)間/μs101010T2波頭時(shí)間/μs350350350Qs電荷量/C1007550W/R單位能量/(MJ/Ω)105.62.5首次短時(shí)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(shí)間/μs0.250.250.25T2波頭時(shí)間/μs100100100I/T1平均陡度/（kA/μs）200150100首次以后短時(shí)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(shí)間/s0.50.50.5長(zhǎng)時(shí)雷擊參數(shù)2、線路中感性耦合的能量計(jì)算感性耦合能量計(jì)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(duì)一些典型的感性耦合能量進(jìn)行了計(jì)算，并將結(jié)果列成表格，可供工程應(yīng)用選擇。典型情況見(jiàn)下頁(yè)圖b、e、f，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)教材P184表4-4。

3、傳導(dǎo)耦合的能量計(jì)算主要考慮壓降和各處連接的分流作用。見(jiàn)上頁(yè)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(lái)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(guò)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(guò)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(diǎn)加深對(duì)基本概念的理解，利用不同點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)工程意識(shí)的培養(yǎng)。1、分類及特性分為電壓開(kāi)關(guān)型、限壓型和混合型三類。電壓開(kāi)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(guò)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)。混合型：隨承受的電涌電壓不同而分別呈現(xiàn)電壓開(kāi)關(guān)型或限壓型特性。可作為配電系統(tǒng)中間級(jí)的保護(hù)。三類SPD的保護(hù)動(dòng)作特性圖。2、性能試驗(yàn)SPD有三種沖擊分類試驗(yàn)，用以確定相關(guān)參數(shù)。這三種試驗(yàn)沒(méi)有等級(jí)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(yàn)。1）試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)電流。見(jiàn)圖。其中曲線、為IEC61643-1標(biāo)準(zhǔn)推薦，曲線為德國(guó)EDINVDE0675標(biāo)準(zhǔn)推薦。2）試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)電壓。一般采用1.25/50μs的沖擊電壓作為試驗(yàn)電壓。電涌保護(hù)器試驗(yàn)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(jí)分類試驗(yàn)。用1.2/50μs沖擊電壓、8/20μs和10/350μs沖擊電流作的試驗(yàn)。L測(cè)得標(biāo)稱放電電流In（8/20μs）和最大沖擊電流Iimp（10/350μs）。通過(guò)該試驗(yàn)的SPD通常用于高暴露地點(diǎn)，可承受較大的能量。一般電壓開(kāi)關(guān)型SPD進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)4）II級(jí)分類試驗(yàn)。用1.2/50μs沖擊電壓、8/20μs沖擊電流作的試驗(yàn)。測(cè)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(xiàng)試驗(yàn)，用于低暴露地點(diǎn)。5）III級(jí)分類試驗(yàn)。開(kāi)路時(shí)施加1.2/50μs沖擊電壓、短路時(shí)施加8/20μs沖擊電流作的試驗(yàn)。開(kāi)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(shí)間不小于設(shè)計(jì)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(guò)規(guī)定次數(shù)8/20μs沖擊電流的最大值。在通過(guò)這些電流后，SPD的特性變化不超過(guò)允許范圍?？捎蒊、II級(jí)分類試驗(yàn)確定。（3）最大放電電流Imax。指SPD通過(guò)1次8/20μs沖擊電流的最大值。在通過(guò)該電流后，SPD不得發(fā)生實(shí)質(zhì)性損壞。由II級(jí)分類試驗(yàn)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(guò)1次10/350μs沖擊電流的最大值。在通過(guò)該電流后，SPD不得發(fā)生實(shí)質(zhì)性損壞。由I級(jí)分類試驗(yàn)確定。用于衡量電壓開(kāi)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(kāi)關(guān)型SPD的極限通流能力。SPD不會(huì)因通過(guò)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(kāi)關(guān)型SPD的額定通流能力。通過(guò)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(duì)電壓開(kāi)關(guān)型SPD，又等于放電電壓。殘壓指SPD動(dòng)作后的電壓，為隨時(shí)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(shí)間。一般要求小于25ns。參數(shù)示例。某通過(guò)I級(jí)分類試驗(yàn)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(gè)8/20μs電流波）沖擊電流Iimp：115kA（1個(gè)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(jiǎn)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(guò)在電氣電子設(shè)備的電源側(cè)限制雷電過(guò)電壓（兼限制大部分操作過(guò)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(duì)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(guò)電壓防護(hù)對(duì)比：能量相對(duì)較小，但被保護(hù)設(shè)備承受力也小，響應(yīng)時(shí)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(duì)象及耐受水平保護(hù)對(duì)象為低壓配電和用電設(shè)備。低壓設(shè)備耐壓分4個(gè)等級(jí)，見(jiàn)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(duì)中性點(diǎn)的電壓（不大于）設(shè)備的額定沖擊耐壓過(guò)電壓（安裝）類別三相IIIIIIIV230/4003001500250040006000400/6906002500400060008000過(guò)電壓類別I：用電設(shè)備，如音響、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等。過(guò)電壓類別II：用電設(shè)備，如洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)器等。過(guò)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(dòng)機(jī)等）。過(guò)電壓類別IV：電源側(cè)的配電設(shè)備。各過(guò)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(jí)的布局。理由：同一電壓等級(jí)系統(tǒng)中有多個(gè)耐壓等級(jí)設(shè)備，且設(shè)備本身是分散布置的。結(jié)果：逐級(jí)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(guò)I級(jí)分類試驗(yàn)的SPD。其他交界面：設(shè)置通過(guò)II、III級(jí)分類試驗(yàn)的SPD。（3）同一防雷區(qū)中的同一配電級(jí)中，考慮電涌波過(guò)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(jí)保護(hù)分別被稱為第一、二、三、四級(jí)，對(duì)應(yīng)于被保護(hù)對(duì)象的過(guò)電壓類別。辯異：一級(jí)SPD：在系統(tǒng)中處于最靠電源側(cè)的SPD；I級(jí)SPD：通過(guò)I級(jí)分類試驗(yàn)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(duì)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(duì)象共模保護(hù)MC相－地、中－地載流導(dǎo)體對(duì)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(diǎn)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(shí)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(duì)象按雷擊危險(xiǎn)性分為A、B、C、D四級(jí)，并規(guī)定了每個(gè)分級(jí)對(duì)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(jí)保護(hù)放電電流（kA）第二級(jí)標(biāo)稱放電電流（kA）第三級(jí)標(biāo)稱放電電流（kA）第四級(jí)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(jí)系統(tǒng)中各級(jí)SPD通流容量參考值表中的等級(jí)指SPD在電涌保護(hù)布局中的分級(jí)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(gè)因素。1）正常運(yùn)行時(shí)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(shí)，不同接地形式的系統(tǒng)可能出現(xiàn)不同的過(guò)電壓，若持續(xù)時(shí)間超過(guò)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(guò)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(jí)間配合由于低壓系統(tǒng)電涌保護(hù)采用分散、多級(jí)的布局，以逐級(jí)削減電涌能量并與被保護(hù)設(shè)備匹配，因此各級(jí)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(jí)間配合就是指各級(jí)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(jí)電涌保護(hù)器間的電壓耦合如圖，上級(jí)為電壓開(kāi)關(guān)型SPD，下級(jí)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(huì)考慮電涌保護(hù)因素），R、L只取決于兩級(jí)SPD間的線路長(zhǎng)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(guò)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(jí)間電氣距離過(guò)短，達(dá)不到解藕要求。人為解藕方法上、下級(jí)SPD之間因電氣距離過(guò)短導(dǎo)致電涌電壓耦合過(guò)強(qiáng)，又不能調(diào)整電氣距離時(shí)，需要使用解藕元件。解藕元件為專門的電阻或電感器件。一