淺談電力系統(tǒng)防雷中的浪涌保護(hù)

唐海津

（重慶市南岸馳騁電力設(shè)計(jì)所，重慶400060）

1 前言

近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，高層建筑智能化程度越來(lái)越高，各種智能電器的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。但是，由于電子產(chǎn)品集成度的提高，對(duì)電磁干擾也非常敏感，其耐沖擊水平也越來(lái)越引起重視。特別是由于雷電和開關(guān)操作在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的浪涌，會(huì)對(duì)電子產(chǎn)品的正常工作和壽命產(chǎn)生較大影響。而單單依靠傳統(tǒng)的避雷網(wǎng)及接閃器已不能滿足保護(hù)設(shè)備及各種智能電器的需要。

本文首先分析了電力系統(tǒng)中浪涌的成因：雷電浪涌及開關(guān)浪涌。然后通過對(duì)低壓電網(wǎng)中瞬態(tài)過電壓因素分析，提出在不同電力系統(tǒng)中。實(shí)現(xiàn)浪涌保護(hù)的有效途徑。

1 浪涌及其成因分析

浪涌(電涌)也叫突波，顧名思義，就是超出正常工作電壓的瞬間過電壓。本質(zhì)上講，浪涌是發(fā)生在幾百萬(wàn)分之一秒時(shí)間內(nèi)的一種劇烈脈沖，是在相線之間、相線與保護(hù)線或地之間產(chǎn)生一個(gè)瞬態(tài)的過電壓，時(shí)間少于1ms。該電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)備的最高允許工作電壓峰值，但它并無(wú)工作頻率。浪涌的成因是雷擊或者開關(guān)誤操作(如空氣開關(guān)過流跳閘)而引起的操作過電壓?？赡芤鹄擞康脑蛴校褐匦驮O(shè)備啟動(dòng)、短路、電源切換或大型發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。而含有浪涌阻絕裝置的產(chǎn)品可以有效地吸收突發(fā)的巨大能量，以保護(hù)設(shè)備免于受損。

在低壓供電系統(tǒng)、測(cè)量和控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，有許多因素可引起過電壓浪涌。下述四種原因形成的浪涌造成的危害最大。

1.1 直接雷擊(directlightningstroke)

如果雷電直接擊中有外部防雷裝置的建筑物就會(huì)通過引雷裝置傳輸雷電流人地，或者直接擊中建筑物頂部具有引雷作用的裝置放電(如室外天線，衛(wèi)星接收裝置等)。第一種情況，會(huì)使地電位抬升，有可能造成對(duì)電源線(低壓架空線)或數(shù)據(jù)線放電；亦或是將一大部分雷電流通過保護(hù)接地線引入到建筑物內(nèi)部裝置和連接的設(shè)備上。而第二種情況則會(huì)直接將大部分高能雷電流引入到建筑物內(nèi)的設(shè)備上。以上兩種情況都會(huì)使得終端設(shè)備過流。

1.2 間接雷擊(indirectlightningstroke)

有時(shí)即使建筑物本身沒有遭到雷擊，而較近距離的雷電閃擊也可能引起建筑物內(nèi)裝置上的過電壓。這個(gè)浪涌過電壓直接或通過電感性或電容性耦合到達(dá)電子裝置、設(shè)備的線路上。部分雷電流可能通過大地傳送到接地裝置從而對(duì)電子裝置造成極大危害?；蛘咄ㄟ^雷電放電通道散發(fā)出的磁場(chǎng)，在設(shè)備的線路上感應(yīng)出過電壓。建筑物內(nèi)的長(zhǎng)導(dǎo)線回路特別容易感應(yīng)出過電壓。容性耦合是通過具有高電位差的兩點(diǎn)之間的電場(chǎng)產(chǎn)生的，例如在雷電放電通道和金屬導(dǎo)線之間。

1.3 遠(yuǎn)距離雷擊

遠(yuǎn)距離雷擊就是幾百米之外的雷電閃擊，可能在低壓導(dǎo)線、數(shù)據(jù)線上感應(yīng)過電壓，也可能將高電壓引至建筑物的接地裝置上，從而對(duì)電子設(shè)備造成極大的危害。甚至云層之間或云層內(nèi)部的放電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)也能耦合過電壓到導(dǎo)線中。

1.4 開關(guān)浪涌

開關(guān)浪涌來(lái)自電路的閉合、斷開的轉(zhuǎn)換操作。感性和容性負(fù)載的開關(guān)操作，也可能因短路電流的阻斷因起浪涌。特別是大型用電系統(tǒng)或變壓器的斷開而產(chǎn)生的浪涌可能引起對(duì)鄰近的電子設(shè)備的損壞。

在低壓電網(wǎng)中，最大的電壓峰值是由于雷電泄放引起的。當(dāng)雷電直接擊中外部防雷裝置或低壓架空線路時(shí)，包含高能量的雷電浪涌常常使得連接在電網(wǎng)上的負(fù)載完全損壞。

在建筑物里的設(shè)備上、在電源線或通信線上的感應(yīng)過電壓的峰值也可以達(dá)到正常工作電壓值的幾倍或幾十倍范圍。

2 基于不同電力系統(tǒng)的浪涌保護(hù)方案

為實(shí)現(xiàn)浪涌保護(hù)，避免浪涌對(duì)電子設(shè)備的損害，在工程上要安裝浪涌保護(hù)器。浪涌保護(hù)器也叫信號(hào)防雷保護(hù)器，簡(jiǎn)稱SPD(SurgeProtection De-vice)，是一種為各種電子設(shè)備、儀器儀表、通訊線路提供安全防護(hù)的電子裝置。當(dāng)電氣回路或者通信線路中因?yàn)橥饨绲母蓴_突然產(chǎn)生尖峰電流或者電壓時(shí)，浪涌保護(hù)器能在極短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通分流，從而避免浪涌對(duì)回路中其他設(shè)備的損害。

在進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)時(shí)，通常將電力系統(tǒng)進(jìn)行三級(jí)防護(hù)。第一級(jí)對(duì)直接雷擊電流進(jìn)行泄放，或者對(duì)電源傳輸線路遭受直接雷擊時(shí)傳導(dǎo)的巨大能量進(jìn)行泄放，浪涌保護(hù)器安裝在大樓的總配電柜處；第二級(jí)進(jìn)一步將已通過第一級(jí)SPD的殘余浪涌電壓限制到2KV以下，浪涌保護(hù)器安裝在各樓層的分配電柜處及重要設(shè)備 (如UPS)的輸入電源側(cè)；第三級(jí)作為最終保護(hù)設(shè)備的手段，將殘余浪涌電壓的值降至1KV以內(nèi)，使浪涌的能量不致于損壞設(shè)備。

2.1 SPD的安裝位置及接線形式的選擇

按系統(tǒng)特征確定信號(hào)浪涌保護(hù)器(SPD)的裝設(shè)位置及接線形式。如表1。

表1 SPD在不同電力系統(tǒng)中的安裝位置及其接線形式

分析表1可知，在TN-C系統(tǒng)和不引出中性線的IT系統(tǒng)只能選擇安裝四極浪涌保護(hù)器。而其余的電力系統(tǒng)則可選擇兩種接線形式：接線形式1選擇3+1極浪涌保護(hù)器，接線形式2選擇四極浪涌保護(hù)器。

2.2 SPD電壓保護(hù)水平的確定

根據(jù)所要保護(hù)的設(shè)備耐沖擊電壓Uo，選擇浪涌保護(hù)器的電壓保護(hù)水平。

當(dāng)無(wú)法獲得設(shè)備的耐受沖擊電壓Uo時(shí)，安裝于220／380V三相電力系統(tǒng)的設(shè)備，其耐受沖擊電壓水平可按以下原則選擇確定：電源處的設(shè)備(工業(yè)電器)6KV；配電線路最后分支線路的設(shè)備 (工業(yè)電器)4KV；用電設(shè)備為家用電器：2.5KV；

電子設(shè)備：1.5KV。

2.3 最低Uc電壓值的確定

按電源系統(tǒng)特征確定浪涌保護(hù)器(SPD)的最低Uc電壓值，見表2。

表2 按電源系統(tǒng)特征確定浪涌保護(hù)器(SPD)的最低Uc電壓值

Uo應(yīng)為220V，所以一般情況下持續(xù)運(yùn)行電壓大于250V即可，但考慮到局部電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定性，可以選擇稍高一些，將持續(xù)運(yùn)行電壓選擇在275V一350V范圍內(nèi)。

2.4 SPD放電電流(In)和沖擊電流(Iimp)選擇根據(jù)當(dāng)?shù)氐睦纂姲l(fā)生情況、建筑物防雷等級(jí)及信號(hào)浪涌保護(hù)器安裝位置選擇SPD的標(biāo)稱放電電流(In)和沖擊電流(Iimp)。

防雷保護(hù)從根本上講是一種經(jīng)濟(jì)行為，目的是盡可能降低雷電帶來(lái)的損失。但是在實(shí)際選擇SPD時(shí)，有的設(shè)計(jì)方案為了加大保險(xiǎn)系數(shù)，在第一級(jí)防護(hù)時(shí)每相選用了Iimp高達(dá)200KA的SPD。統(tǒng)計(jì)資料顯示，高達(dá)200KA的雷電浪涌發(fā)生的概率為1/1000，通過接閃器及避雷帶引下線分流后，由SPD泄放的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到200KA，這樣的設(shè)計(jì)方案，實(shí)際上SPD并不能發(fā)揮作用，而且增加了工程造價(jià)。

但是，對(duì)C級(jí)和D級(jí)保護(hù)，每一保護(hù)模式通路的標(biāo)稱放電電流不應(yīng)小于5KA(8/20μs)；采用3+1保護(hù)模式時(shí)，其N線與PE線間的高能放電模塊，其標(biāo)稱放電電流In應(yīng)滿足以下條件：三相時(shí)不應(yīng)小于20KA(8/20μs)，單相時(shí)不應(yīng)小于 10KA(8/20μs)。

如果是B級(jí)保護(hù)，則每一保護(hù)模式通路的limp(10/350μs)不應(yīng)小于12.5KA；采用3+1保護(hù)模式時(shí)，其N線與PE線間的高能放電模塊沖擊電流limp應(yīng)滿足以下條件：三相時(shí)不應(yīng)小于50KA(10/350?s)，單相時(shí)不應(yīng)小于25KA(10／350μs)。

同時(shí)，要注意ln與／lmax區(qū)別，按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，ln值是正反各10次的額定通流容量，做完此項(xiàng)試驗(yàn)，浪涌保護(hù)器不應(yīng)損壞；lmax是極限通流一次的通流容量，做完此項(xiàng)試驗(yàn)后，浪涌保護(hù)器的性能已劣化，不能正常使用，此時(shí)要更換新的SPD。

2.5 選擇合適的SPD的后備保護(hù)

為防止浪涌保護(hù)器失效后引起的電流過載及短路，必需選擇合適的SPD的后備保護(hù)。后備保護(hù)可采用熔斷器、斷路器和漏電斷路器三種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。熔斷器作后備保護(hù)是一種最常用的方案，但是按In或Imax來(lái)配置，其結(jié)果是完全不同。在大電流沖擊條件下，集膚效應(yīng)使得熔斷體的電阻相對(duì)增大，熔斷器易提前熔斷。同時(shí)，因電阻產(chǎn)生的附加電壓降值將達(dá)數(shù)百伏，選用時(shí)應(yīng)予考慮。

采用熔斷器作后備保護(hù)時(shí)，推薦熔斷器的規(guī)格如下：第一級(jí)SPD為開關(guān)型15kA，10/350，熔斷器為63A；第二級(jí)SPD為限壓型40kA，8/20，熔斷器為32A；第三級(jí)SPD為限壓型10kA，8/20，熔斷器為16A。某個(gè)電器科學(xué)研究所對(duì)某一型號(hào)SPD進(jìn)行測(cè)試。其結(jié)論為：ln=20kA，lmax=40 kA時(shí)，串聯(lián)RTl4-63(熔體40 A)熔斷器，在19.8 KA大電流沖擊后熔體斷開。測(cè)得的限制電壓為2 674V，不串聯(lián)熔斷器時(shí)為l 900V。串聯(lián)DZ47-63斷路器(脫扣器1OA)，在18.29KA大電流沖擊后斷路器脫扣斷開。測(cè)得限制電壓為5 014V，其中斷路器附加電壓為3KV。因此，采用斷路器作后備保護(hù)，在斷路器上的附加電壓必須考慮。

結(jié)束語(yǔ)。浪涌保護(hù)器是近幾年研發(fā)出的保護(hù)電器，分為電源浪涌保護(hù)器和信號(hào)浪涌保護(hù)器。主要用于對(duì)因雷電等因素產(chǎn)生的過電壓、過電流的泄放。在實(shí)際應(yīng)用過程中，大家對(duì)浪涌保護(hù)器在不同電力系統(tǒng)中的應(yīng)用還存在著一定的誤區(qū)，以致使用不當(dāng)，不能發(fā)揮浪涌保護(hù)器的應(yīng)有功能。本文通過對(duì)浪涌的成因分析，提出了在不同電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)信號(hào)浪涌保護(hù)的途徑。

[1]門中奇.談電力系統(tǒng)的防雷保護(hù).沈陽(yáng)理工大學(xué).[期刊]中國(guó)西部科技，2010-07-25.