电涌保护器的UC值选用

张 铁 山(上海江南建筑设计院有限公司， 上海　201800)

电涌保护器的UC值选用

张 铁 山
(上海江南建筑设计院有限公司， 上海201800)

介绍了不同高低压接地系统引起的工频过电压，指出在低压供配电网络中安装的电涌保护器(SPD)的UC值选用应考虑工频过电压对其的影响,而其工频暂态过电压必须根据不同的接地系统来考虑。

电涌保护器； 工频； 暂态过电压； 最大持续工作电压； 低压供配电系统

0　引　言

电涌保护器(Surge Protective Device,SPD)是用来限制瞬态过电压和泄放电涌电流的一种器件,它是一种非线性元件,被广泛用于低压供配电网络中,一般接入带电导体与保护接地(PE)之间,属于防止共模过电压干扰措施,能保护线路、设备免受由于雷电流的危害。此种接法的SPD虽然不能保护短暂的工频过电压,但在选用SPD时却不能忽视工频过电压对最大持续工作电压UC值的影响。因为UC值与产品的使用寿命、电压保护水平UP有直接的关系,UC值选用过高,虽然寿命长,但电压保护水平(SPD的残余电压)也相应提高。UC值偏低,在工频过电压时容易损坏,引起其他电气灾害。故此值一定要综合考虑,选用合适的UC值既能保证SPD的正常和安全使用,又能使残余电压降低到最小。

GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》中规定了SPD根据系统特征所要求的最大持续运行工作电压UC最小值的表格,而在国家建筑标准设计图集D501-1《防雷与接地安装》中,规定接地系统的UC≥1.55U0。二者对比相差很多,给设计人员和成套厂选用SPD造成了很大的困惑。

SPD主要用来防止大气过电压导致线路中产生过电流(使设备绝缘损坏,引起设备故障和人员处在危险环境中),其接入带电导体与保护接地线之间,承受的工作电压应为相对地或中性线对地的电压,该电压不但与低压电网的不同接地系统型式有直接关系,也与高压侧的接地类型有关。

1　不同高低压接地系统引起的工频过电压

高压侧通常分为不接地系统与小电阻接地系统。当10 kV高压侧采用不接地系统时,根据DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中的规定,有其电缆线路构成的系统,10 kV中性点不接地系统允许最大接地故障电流不超过30 A,变压器低压侧工作接地电阻<4 Ω。如变电站内高低压共用一组接地极,当10 kV线路发生接地故障时,低压侧接地电阻上产生的故障电压为30×4=120 V,此电压为中性点电位。 当10 kV高压侧采用小电阻接地系统,10 kV线路发生接地故障时,由于接地电流较大,低压侧接地电阻上产生的故障电压为数百伏甚至上千伏,比不接地系统产生的工频过电压要大数倍或数十倍,而相线与中性线对保护接地线之间存在的电压则随低压侧的接地系统型式不同而变化。

低压侧接地系统型式通常有TN系统、TT系统、IT系统。TN系统由于PEN线、PE线与低压侧中性点共用一接地极,并且在建筑物内作总等电位联结时,中性点地电位的升高不会造成所供电气装置的外露可导电部分对地产生电位差,即中性线对保护接地线之间处在同一电位水平上;相线对保护接地线之间的电压与相线对中性线之间的电压相等,始终为正常的相电压。TT系统内,电源中性点的系统接地和低压电气装置的外露可导电部分的保护接地分别接至大地,两接地在电气上没直接联系,电源中性线与相线对地绝缘,所以单相接地故障状态时,中性点地电位的升高造成所供电气装置的外露可导电部分对地产生电位差,即中性线对保护接地线之间不处在同一电位水平上,具体电压数值为低压侧接地电阻上产生的故障电压;相线对保护接地线之间的电压为接地电阻上产生的故障电压加上相电压。故低压TT系统高压侧采用小电阻接地系统发生接地故障时,大幅值的瞬态工频过电压易把4+0星型接法的SPD相对中性线直接击穿短路而烧毁。所以在该场合的SPD就不是纯粹按UC值选用能解决问题了,必须按3+1的接线方式。接于中性线和保护接地线之间的开关型SPD可以阻止接于相线和中性线之间的电压限制型SPD导通,其只能在更高幅值的冲击雷电过电压下开关型SPD被击穿而导通，如图1所示。IT系统内,由于电源中性点不接地,通常也无中性线引出,故高压侧发生接地故障时,相线对保护接地线之间的电压无影响。

图1　TT系统3+1接线方案

在低压配电系统中,中性线断开,单相接地等线路故障是引起工频过电压的另一种主要原因。中性线断开会导致中性点漂移,三相相电压不平衡,对防止差模过电压干扰接法的SPD有严重的危害,而对防止共模过电压干扰接法的SPD无影响。短路电流的零序分量会使其他的二相非短路正常相出现工频电压升高,系统中不对称短路故障,以单相接地故障最为常见,且引起的工频电压升高也最严重。因此,必须在最严重情况下考虑选用SPD的UC值,才能真正保证SPD的安全使用。下面就低压不同接地系统型式的单相接地故障和中性线断开对相线与保护接地线之间的电压影响作分析。

在低压TN系统中,假如发生相对中性线短路,如图2所示,并且相线与中性线的截面相同,即相线与中性线的阻抗相等,短路电流Id在流经的中性线上产生电压降ΔUN=IdZN,则正常相与中性线之间的电压上升为UTOV=Ua0=U0+ΔUNej120,如图3所示,经计算可得工频暂态过电压UTOV为1.32U0。同理,当中性线是相线的截面一半时,或考虑中性线因谐波电流较大,而按规范加粗中性线是相线的截面2倍时,可得工频暂态过电压UTOV分别为1.45U0、1.20U0。TN系统由于中性线与保护接地线通过金属导体直接连通,即中性线与保护接地线之间处在同一电位水平。因此,在此场合的SPD按UC≥1.15UO值选用就明显偏小了。如再按规范考虑电网系统的电压偏差裕度为10%,不考虑SPD老化因数,以最不利工频暂态过电压UTOV为1.45U0为例,则UC≥1.45×1.1UO=1.59UO,此值与国家建筑标准设计图集D501-1中选用UC值的要求基本吻合。

图3　发生单相短路时产生的暂态过电压UTOV的相量图

在低压TT系统中,假如同样发生相对中性线短路,如图4所示,则与TN系统一样,正常相与中性线之间的工频暂态过电压UTOV随相线中性线的截面比例不同而不同,也分别为1.45U0、1.32U0、1.20U0。由于TT系统中性线与保护接地线处在不同电位水平,因此UTOV对接入系统中相线与保护接地线之间的SPD无影响,而系统中性线与保护接地线之间的工频暂态过电压UTOV也分别为0.7U0、0.5U0、0.33U0。

图4　TT制单相短路时引起的暂态过电压

图5　IT制单相短路时引起的暂态过电压

表1　高压不同接地系统接地时对各低压系统特征下产生的工频过电压其数值　V

注：①以上“无”代表无此电压,“0”代表无此电位差。 ②U0为低压系统相线对中性线之间的标称相电压220 V。 ③高压不接地系统按接地电流30 A计算,高低压共用接地极接地电阻为4 Ω。 ④不计入导线的正常压降。

不管低压何种接地型式,当发生低压中性线断开时,三相线电压不变,但会发生中性点漂移现象,导致系统中性线与保护接地线之间的工频暂态过电压UTOV最高可达到相电压U0,相线对中性线之间的电压随各相的负荷容量不同差异很大,三相相电压极不平衡,理论上最高相可达到360 V左右,接近线电压,而相线对保护接地线之间的电压不变,故对接入于系统中相线与保护接地线之间的SPD无影响。如发生中性线断开,同时发生相对中性线短路,此时系统相线对中性线之间的电压成为了线电压,中性线、相线与保护接地线之间的工频暂态过电压UTOV最高均可达到相电压U0,如表2所示。

值得注意的是,在IEC标准和国家标准中并没考虑中性线断开时产生的过电压对SPD的影响,估计一些发达国家的施工质量较高,管理水平较好,出于为中性线断线是一个小概率事件而选用较高UC值影响了SPD的作用。本文认为国家标准应结合国情,在国内设计不考虑谐波电流等因素,导致中性线断开事故时有发生,因此该故障决不能忽视。实际上在IEC标准中另要求对此故障发生时产生的工频暂态过电压UTOV下,SPD能安全地失效,以免工频续流造成电气火灾等其他电气灾害,其含义就是在选用SPD时不考虑承受中性线断开产生的工频暂态过电压,就应在故障发生时把SPD脱离电气线路,也就是必须采用SPD专用保护电流器件。

表2　各低压系统特征下单相接地或中性线断开并接地产生工频过电压其数值　V

注: ① 以上“无”代表无此电压,“不允许”代表PEN线不能断开,“0”代表无此电位差。 ②U0为低压系统相线对中性线之间的标称相电压220 V。 ③ 不计入导线的正常压降。 ④ 有三行数字者从上到下分别代表中性线为相线的一半、相同、一倍。

综上所述,对预防大气过电压产生的过电流而使设备绝缘损坏而设置的SPD,其UC值如完全按GB 50057—2010中规定的最小值选用在有些故障状态下偏小;如完全按国家建筑标准设计图集D501-1中1.55UO选用又有些偏大。因此,应根据工程的实际情况,评估安装场合可能发生的最严重的故障来选用合适的SPD。归纳各种故障对SPD的UC值选用的影响,在实际工程中可对照表3来选用合适SPD的UC值。

表3　SPD取决于电力系统特征所要求的最大持续运行电压UC最小值　V

注: ①U0是低压系统相线对中性线的标称相电压220 V。 ② 考虑电网系统的电压偏差裕度为10%,SPD老化因数5%,即需计及15%的允许偏差。 ③ 有三行数字者从上到下分别代表中性线为相线的一半、相同、一倍。 ④ 未注明接线方案的均采用4+0星型接线。

另外,在有些文献中有人提出在用500 V或1 000 V绝缘电阻摇表来检测线路绝缘电阻时,如线路上接有SPD,应把SPD与线路隔离退出,否则很容易使SPD劣化或损坏。实际上绝缘电阻摇表只是一台高电压小电流微型发电机或发生器(内阻很大,电流应为微安级),随着电流增加电压快速下降,其最大短路电流约为1.5 mA,1 000 V输出电压的最大功率约为0.2 W(实测<0.05 W),500 V的最大功率只有0.1 W(实测<0.02 W)。该功率即便全部加载在SPD上,也不会引起SPD任何温度变化,故不会对压敏电阻MOV造成任何损坏。实验室测试证明,34大小的MOV标准方片能够承受的电量为5 C,而绝缘电阻摇表所发的电量远小于一个SPD叠加标准方片所能承受的电量,故不把SPD从线路退出。用500 V或1 000 V绝缘电阻摇表进行线路绝缘电阻测试,既不会影响绝缘电阻测试值,也不会损坏SPD。

2　结　语

SPD的安装能使设备免受由于雷电涌的危害,但在选用SPD时不能忽视工频过电压对其的影响,必须根据工程的实际情况,评估安装场合可能发生的最严重的故障来选用合适UC值的SPD,才能保证SPD的正常和安全使用,又能使残余电压降低到最小。

[1]GB 50057—2010建筑物防雷设计规范[S].

[2]DL/T 620—1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].

[3]D501-1防雷与接地安装[G].

UCSelection of Surge Protective Device

ZHANG Tieshan

(Shanghai Jiangnan Architectural and Design Institute Co., Ltd., Shanghai 201800, China)

The power frequency overvoltage caused by different high and low grounding systems were introduced.The influence of power frequency overvoltage on selection of theUCvalue of surge protection devices (SPD) in the low voltage power supply network installation was discussed,but its transient power frequency overvoltage must be considered according to the different grounding systems.

surge protective device (SPD); power frenquency; transient overvoltage;UC; low voltage power distribution system

张铁山(1986—),男,从事建筑电气设计。

TU 856

A

1674-8417(2015)10-0029-05

2015-09-23