低壓配電系統(tǒng)中多級SPD的能量配合的探討

王江

【摘 要】低壓配電系統(tǒng)中，常采用多級SPD釋放電涌能量，以保護用電設

備因雷電過電壓、操作過電壓及暫態(tài)過電壓而絕緣損壞。本文基于行波理論分析各級SPD的關(guān)系，對各種能量配合方案進行分析，對工程實際具有重要指導意義。

【關(guān)鍵詞】浪涌保護器；能量配合；行波理論；退耦器

Discussion on Energy Coordination of Multilevel SPD in Low Voltage Power Distribution System

WANG Jiang

（Guiyang Architectural Design Institute Co.， Ltd.， Guiyang 550081， China）

【Abstract】In low-voltage power distribution system， often adopts multi-stage SPD release surge energy， to protect the Insulation of equipment damage from lightning， switching over-voltage and temporary over-voltage. Based on traveling wave theory， the paper analyzes the relationship between multi-stage SPD， and the analysis of various kinds of energy cooperation schemes， which has important guiding significance for engineering practice.

【Key words】Surge Protective Device；Energy cooperation；Traveling wave theory；Decoupling device

0 引言

在建筑物的防雷系統(tǒng)中，防雷電電涌入侵是整個防雷工程的重要組成部分，GB50057-2010對各類防雷建筑物的低壓配電線路裝設電涌保護器（SPD）進行規(guī)定，并給出各級SPD之間的安裝要求[1]，GB/T18802.12-2006規(guī)定多級SPD之間的配合原則[2]，然而，規(guī)范中未給出多級SPD級間配合可操作的方法。本文通各種配合方案進行分析，提出對多級SPD的選型與安裝優(yōu)選方案。

1 電涌保護器的配合目的

配電線路SPD能量配合的目的，是利用SPD的泄流和限壓作用，把出現(xiàn)在配電線路上的任何地點的任何波形和幅度的過電流安全引入大地，把電壓限制在絕緣所能承受的范圍內(nèi)[3]，對所有的浪涌過電壓、過電流，多級SPD保護系統(tǒng)中任何一個SPD所耗散的能量不超出其耐受能力，就實現(xiàn)了級間能量的配合。

2 多級電涌保護器的級間配合

2.1 基于靜態(tài)伏安特性的配合

根據(jù)行波理論，電流波或電壓波在線路中傳播速度為：

式中：L0表示導線以大地為回路的每米電感值

C0表示導線每米對地的電容值

在低壓配電系統(tǒng)的多級防護中，第一級采用電壓開關(guān)型SPD（如放電間隙）泄放大的雷電流，第二級采用限壓型SPD（如金屬氧化物非線性電阻器MOV，以下用MOV表示壓敏電阻），將電壓限制在較低的范圍之內(nèi)，這是一種較常用的多級保護模式，如圖1所示。

由于MOV的響應時間較快，一般為25ns左右[4]，而放電間隙的響應時間約為100ns[4]，為了保證第一級保護比第二級保護先動作，以泄放大的電涌電流，應該保證的是在電涌到達MOV之前讓放電間隙動作。如雷電波沿著電力電纜侵入，首先到達放電間隙，由于放電間隙有響應時延，雷電波繼續(xù)向前行進，以交聯(lián)聚乙烯電力電纜為例，雷電波傳播速度為v=1.75×108m/s，那么，在上下級SPD響應的時間差T=（100-25）ns內(nèi)向前行進的距離S可以計算出來。s=vt=1.75×108×75=13.13m

即上下級保護器件之間的距離大于13.13m，就能夠保證前級先動作，考慮器件實際響應誤差，取15m，從而達到SPD之間的配合。如果前后兩級保護均為MOV，響應時間均為25ns，但考慮到前后級MOV的引線長度的不同，啟動電壓的不同以及響應時間上的分散性等情況，響應時間的差值假定為30ns，那么，為了保證前級先動作，則兩級保護間的距離應為：

s=vt=1.75×108×30=5.25m

由上計算可知，電壓開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間的線路長度不小于13.13m，限壓型之間的線路長度不小于5.25m，達到SPD之間的配合。

3.2 利用線路分布阻抗或退耦元件的配合

當SPD間沒有足夠距離時，如為電纜線路，可采用增加電纜長度實現(xiàn)配合，也可以利用退耦器來達到級間配合的目的，退耦元件一般采用有足夠耐電涌能力的電感或電阻元件，電阻元件常用于信息系統(tǒng)（不作討論）。

電感作為退耦元件，須考慮電流波形，即di/dt。

圖2是兩級SPD利用退耦器相配合的例子。圖中SPD1和SPD2都是限壓型電涌保護器，也可以是SPD1采用電壓開關(guān)型，SPD2采用限壓型。若SPD1、SPD2的導通電壓分別是Un1和Un2，則所選用的元件應當滿足Un2

（1）入侵沖擊波的波形，主要是電流波前的升速——di/dt；

（2）非線性元件SPD1和SPD2的導通電壓Un1和Un2的相對大??；

（3）隔離阻抗Zn的性質(zhì)是電阻Rs還是電感Ls，以及它們的大小。

由于通常情況下，入侵電流一開始的上升速度相當快，條件

Ls（di/dt）+Uu2≥Un1（2）

常常是能夠滿足的，于是第一級先導通。若第一級導通時的限制電壓為Ures，則以后隨著入侵沖擊電流的升速的下降，當條件

Ures≥Ls（di/dt）+Un2（3）

得到滿足時，第二級才導通。第二級導通后，將輸出端的電壓，抑制在一個較低的水平上。

當?shù)谝患墳殡妷洪_關(guān)型SPD、第二級為限壓型SPD時，退耦器電感值可用下式校驗：

Ls≥（4）

其中：Uf—氣體間隙的陡波最大擊穿電壓，kV；

U2—取限壓型SPD殘壓或電網(wǎng)額定相電壓峰值，kV；

di/dt—雷電流陡度，一般可取0.1kA/μs；

Ls—退耦器電感值，μH。

由式（8）可見，電感與雷電流陡度有關(guān)，電流陡度越小電感值越大。實際線路上電流陡度變化很大，所以退耦器電感不是一個確定的值。

3.3 采用觸發(fā)型SPD

觸發(fā)型SPD的采用電子觸發(fā)電路實現(xiàn)后續(xù)SPD通過電涌電流不超過其耐受能力，無須驗證級間能量配合。

4 電涌保護器之間的配合方案

4.1 配合方案Ⅰ

所有的SPD均采用相同的殘壓Ures，并都具有連續(xù)不斷的伏安特性。各級SPD和被保護設備的配合正常時由它們的線路阻抗來完成，如圖3所示。

4.2 配合方案Ⅱ

各級SPD的殘壓是遞增的，從第一級SPD到最后一級SPD逐級升高，且各級都有連續(xù)不斷的伏安特性的元件（限壓型SPD），殘壓逐級上高可以更好的保證上一級SPD先于后級動作[5]，但是最后一級殘壓不應大于設備絕緣耐受電壓，如圖4所示：

4.3 配合方案Ⅲ

第一級SPD為電壓開關(guān)型（如放電間隙，氣體放電管），其后的SPD為限壓型（如壓敏電阻），此方案中，第一級SPD主要泄防電涌電流，后續(xù)SPD為限電涌電壓，具備理想的保護效果，應用較普遍[6]示：

4.4 配合方案Ⅳ

將兩級SPD組合在一個裝置內(nèi)形成一個四端SPD，在裝置內(nèi)部兩級SPD之間用串接阻抗或濾波器進行配合，如圖6所示。

該配合起到了向下級傳遞最小能量的作用，使輸出到下一級SPD或設備的剩余威脅最小。

另外，SPD與被保護設備間的配合，主要是與被保護設備的特性和抗沖擊性進行配合。

5 結(jié)束語

（1）能量配合的目的是使SPD電壓保護水平小于被保護設備絕緣耐沖擊電壓要求，滿足低壓設備絕緣配合要求。

（2）通長情況下，電壓開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間距離大于15m時，限壓型SPD之間距離大于6m時，可實現(xiàn)上下級能量配合。

（3）上下級SPD之間距離不滿足距離要求時，可采用增設退藕電感實現(xiàn)配合，其電感量由第一級SPD擊穿電壓、后一級SPD殘壓與電涌電流波決定。

（4）給出低壓配電系統(tǒng)中常見的幾種SPD能量配合方案，方案Ⅲ保護效果更為理想，對于（下轉(zhuǎn)第9頁）（上接第6頁）采用何種方案，根據(jù)工程實際及仿真試驗加以驗證。

【參考文獻】

[1]《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057-2010.北京.中國計劃出版社，2010.

[2]《低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器（SPD）第12部分：選擇和使用導則》GB/T18802.12-2006，北京.中國標準出版社，2006.

[3]姜輝，劉全楨，劉寶全，高鑫，畢曉蕾，高劍.低壓配電系統(tǒng)電涌保護器能量配合研究.電磁避雷器[J].2013（3）：137-143.

[4]林世祺，鄭鍵雄，羅志勇，謝寶永.建筑物低壓配電系統(tǒng)電涌保護器能量配合分析.價值工程[J].2015（21）：144-146.

[5]吳勁夫.電涌保護器幾件能量配合設計，煤炭技術(shù)[J].2012，31（9）：41-43.

[6]梅衛(wèi)群，江燕如.《建筑防雷工程與設計》北京.氣象出版社.2008.endprint