从过电压角度解析低压配电系统SPD的装设和选择

冯　臣

[国旅(北京)投资发展有限公司, 北京　100027]



从过电压角度解析低压配电系统SPD的装设和选择

冯臣

[国旅(北京)投资发展有限公司, 北京100027]

摘要：通过对低压配电系统大气过电压、操作过电压产生原因的分析,解析建筑物第一级电涌保护器(SPD)的装设情况及分类试验的选择。阐述了装设第二级SPD及后续级SPD的校验条件和步骤。通过对低压系统暂时过电压最严重情况下最大值的分析,阐述了SPD暂时过电压耐受值的选择，以供电气设计人员参考。

关键词：过电压保护; 电涌保护器(SPD); 振荡保护距离; 感应保护距离; 暂时过电压耐受值

0引言

建筑物电气系统正常运行中,过电流、过电压都将对系统产生影响和危害。过电流的危害主要是大电流产生的力效应和热效应而导致系统设备损坏,而过电压的危害主要是使绝缘遭到破坏而导致系统设备损坏。

过电流保护通常采用熔断器、断路器等保护电器。电涌保护器(Surge Protecive Device,SPD)是低压电气系统的过电压保护电器。本文从过电压保护的角度来解析SPD的装设,并从过电压的角度阐述SPD部分参数的选择。

1低压电气系统中的三种过电压

1.1大气过电压

雷电的损害源是雷电流[1]。雷电流由于有极大峰值和陡度,在其周围会形成极大的电磁场。雷电产生的大气过电压就来自雷电流和雷电电磁场。对于建筑物电气系统,大气过电压主要有以下三种：

(1) 直击雷过电压,也称反击过电压。雷击建筑物时,雷电流流经接地装置,造成接地点处地电位的升高,使设备外壳与设备的导电部分之间产生高电压差,高电压反击导致设备的损坏;同时,雷电流在流经引下线时也会产生高电位,造成对附近金属物或电气系统线路的反击。

(2) 雷电侵入波。当雷电击中连接到建筑物的户外架空线路时,则含直击雷电流的雷电波会沿线侵入;当雷云之间或雷云对地放电时,在附近的金属管线上产生感应过电压(包括静电感应和电磁感应,对于长距离线路,静电感应过电压远大于电磁感应过电压)。该感应过电压会以行波的方式窜入室内,造成设备的损坏。

(3) 感应过电压。雷击建筑物或其近区时,在防雷引下线(或雷电流柱)附近会形成极大的电磁场,处在电磁场中的导体会感应出较大的电动势,产生感应过电压;当带电的雷雨云出现时,与其对应的建筑物会形成感应过电压。静电感应过电压是由电容性耦合产生的,电磁感应过电压是由电感性耦合产生的。对于建筑物内的各种金属环路或设备,电磁感应大于静电感应。

1.2操作过电压

电气系统的许多设备都是储能元件,在断路器或隔离开关的投切、熔断器的熔断过程中,储存在电感中的磁能和储存在电容中的电能发生转换、过渡的振荡过程,由振荡引起过电压。操作过电压的特点是持续时间通常比雷电过电压长,但比暂态过电压短,一般在数百μs到100 ms,并且衰减得很快。对于峰值电流、电压,这些威胁低于雷电的威胁,但是在某些情况下,尤其是在建筑物内部或靠近操作过电压源的地方,其威胁可能比雷电的威胁大。

低压配电系统发生操作过电压一般有以下几种情况:切断电感性负载而引起的操作过电压,如切断电动机等引起的过电压;切断电容性负载而引起的操作过电压,如切断电缆线路、电容器组等引起的过电压;电弧过电压,断路器、开关在开断过程中产生电弧,高频振动产生电弧过电压。与合闸相比,分闸会产生更高幅值的过电压。在切断过程中,负载侧的开关电涌比电源侧的开关电涌具有较大的振幅和能量。在低压系统中,操作过电压预期小于4 kV[2]。

1.3暂时过电压

暂时过电压有幅值和时间两个因素。过电压持续时间主要取决于电力系统的接地。在确定暂时过电压时,应考虑系统的最大持续工作电压。暂时过电压通常由事故引起,由三相供电系统故障引起的暂时过电压持续时间为0.05~5 s[3]。低压系统中引起最严重的暂时过电压通常有以下几种情况[4]:高压系统与地之间的故障;低压系统中性导体中断;低压IT系统非正常接地;低压装置短路。GB/T 18802.12—2006 《低压配电系统的电涌保护器(SPD) 第12部分:选择和使用导则》给出了低压电网中预期的暂时过电压UTOV的最大值,如表1所示。

表1GB/T 18802.12—2006给出的最大UTOV值

UTOV发生位置接地系统UTOV最大值 相线与中性线之间(与中性线断线(断零)有关)TT、TN3U0 相线与地之间(与相线意外的接地有关)IT、TT*3U0 相线与中性线之间(与相线和中性线之间的短路有关)TT、IT、TN1.45U0(持续时间≤5s)

*注: ① 已经证明了更高的UTOV也可以在TT系统中出现,持续时间≤5 s。

② 在变压器处的最大UTOV值可能与表中所列不同(或高或低)。

③ 选择SPD时不考虑中性线断线(断零)。

④ 1.45U0是在TN系统中L-PE取1 200 V时,只适用于高压系统小电阻接地,并且接地电阻为2 Ω、接地故障电流为600 A时的状况。

⑤U0为系统标称的相对中性线的电压。

2设备的冲击耐受电压

设备的冲击耐受电压表征电气设备在冲击电压波(1.2/50 μs)下的绝缘强度。按设备的用途、在配电系统中的位置和可靠性要求而规定。GB/T 16935.1—2008《低压系统内设备的绝缘配合 第1部分:原理、要求和试验》给出了建筑物内220/380 V配电系统中电气设备绝缘冲击耐受电压额定值(UW)[5],如表2所示。

表2220/380 V配电系统中电气设备绝缘冲击

耐受电压额定值(UW)

设备位置电源处的设备配电线路和最后分支线路的设备用电设备特殊需要保护的设备耐冲击电压类别Ⅳ类Ⅲ类Ⅱ类Ⅰ类耐冲击电压额定值/kV642.51.5

3大气过电压和操作过电压对SPD装设的影响

建筑物在装有防雷装置的情况下使用SPD以防止直接雷击或在建筑物临近处被雷击引起的大气瞬态过电压;建筑物电气装置装设SPD,限制从电源配电系统传来的大气瞬态过电压和操作过电压[4]。

3.1是否装设第一级SPD

建筑物是否在入口处装设第一级SPD,主要从防止大气过电压来考虑。按雷击点相对于建筑物的位置,雷击类型分为四种:S1,雷击建筑物;S2,雷击建筑物附近;S3,雷击连接到建筑物的服务设施;S4,雷击连接到建筑物的服务设施附近[1]。

3.1.1雷击类型为S1型和S2型时的选择

当雷电直击建筑物,电气接地装置与防雷接地装置共用或相连时将形成地电位反击。为把反击过电压箝位在设备的耐冲击过电压值以下,需在相线、中性线与保护线之间装设SPD。SPD导通的同时，将雷电流导入大地,因此选I级试验,且装设位置越靠近线路入口处或总配电箱处,建筑物内将被此处SPD保护到的设备越多。当雷电击中建筑物邻近区域时,感应过电压和雷电侵入波会沿线路传到建筑物内,此时也需在线路入口处装设SPD。

3.1.2雷击类型为S3型和S4型时的选择

(1) 与建筑物连接的线路全线采用埋地敷设时,在土壤电阻率理想的情况下,没有雷电侵入波,电气系统可能只承受感应过电压。设备的固有过电压抑制能够承受,不需要采取大气过电压防护,线路入口或总配电箱处可不装设SPD。在可靠性要求较高或预期有较高危险性(如火灾)，以及根据电气装置用途其承受危险能力特别低的情况下,可装设SPD,由于不用泄放雷电流,故选用Ⅱ级试验。当建筑物内设备的过电压类别为I类时,应装设SPD,选Ⅱ级试验。

(3) 与建筑物连接的线路采用金属杆架空线(采取接地措施)时,当年平均雷暴日数小于25d/a,可以不装设SPD,设备本身的固有过电压抑制能够承受,但当设备的过电压类别为I类时应装设SPD,选Ⅱ级试验；当年平均雷暴日数不小于25d/a,须在线路入口处设置第一级SPD,选用Ⅱ级试验,直击雷电流在金属杆接地处已泄放。

(4) 与建筑物连接的线路采用木杆架空线时,须在线路入口处设置第一级SPD,选用I级试验,并需泄放直击雷电流。当木杆上铁横担及绝缘瓷瓶铁脚均接地时,按金属杆情况装设SPD。

3.2是否装设第二级SPD及后续级SPD

雷电流的原有能量被防雷和接地装置及第一级SPD耗散掉大部分后,则后续SPD只需限制LPZ0与LPZ1界面处的剩余电涌和LPZ1区内电磁场的感应效应[7]。建筑物是否在设备处装设SPD,主要从限制由电源配电系统传来的大气瞬态过电压和操作过电压来考虑。由于不用泄放直击雷电流,选用Ⅱ级或Ⅲ级试验[6]。

从过电压保护的角度考虑,SPD的作用是保护设备使其免受过电压的损坏。SPD的电压保护水平UP和受保护设备的冲击耐受电压额定值UW是决定是否装设多级SPD的核心。设备安装处可能出现的过电压超过设备的冲击耐受电压UW时,需装设SPD。

3.2.1SPD有效电压保护水平UP/f

GB/T 21714.4—2008《雷电防护 第4部分:建筑物内电气和电子系统》给出了SPD有效电压保护水平UP/f的计算公式。

对于限压型SPD：

UP/f=UP+ΔU

对于电压开关型SPD：

式中: ΔU——SPD两端引线的感应电压降,户外线路进入建筑物处可按1 kV/m计算,其后按ΔU=0.2UP计算,仅感应电涌时可忽略不计[8]。

3.2.2振荡保护距离LPO和感应保护距离LPi

(1) 振荡保护距离LPO。SPD工作时线对地电压被限制在UP。若SPD与被保护设备间的线路太长,电涌的传播可能导致振荡现象。设备终端产生的振荡电压值增至2UP,可能会超过设备的UW而引起损失。保护距离是SPD与被保护设备间的最大线路长度,在此距离内SPD对被保护设备的保护才是有效的(考虑感应现象)。线路长度<10 m或UP/f<0.5UW时,保护距离可以不考虑；线路长度>10 m或UP/f>0.5UW时,振荡保护距离估算为LPO=(UW-UP/f)/K，其中，K=25 V/m。

(2) 感应保护距离LPi。建筑物或建筑物附近地面遭受雷击时会在SPD与被保护设备构成的回路内感应出过电压,降低了SPD的保护效果。感应过电压随线路长度、保护地PE与相线的距离、电源线与信号线间回路面积的尺寸增加而增大,随空间屏蔽、线路屏蔽的效率提高而减少。

在雷电产生的磁场极强时,需减小SPD与设备间的距离或采取措施减小磁场强度,如建筑物(LPZ1)或房间(LPZ2或后续防雷区)采取空间屏蔽(使用屏蔽电缆或电缆管道对线路进行屏蔽等)。当提供了足够的屏蔽,可以不考虑保护距离。

当SPD与被保护设备间的线路较长、线路未屏蔽、回路面积较大时,应考虑感应保护距离:

式中:KS1——由LPZ或其他LPZ0、LPZ1边界屏蔽措施提供的屏蔽;

KS2——LPZ1、LPZ2或更高区域边界屏蔽措施提供的屏蔽;

KS3——内部线路的特性。

KS1、KS2、KS3取值见GB/T 21714.2—2008中B.4。

需要指出的是,IEC 62305-4:2010无需计算振荡保护距离和感应保护距离。目前,IEC62305-4:2010还没有转化为我国标准,虽然GB 50057—2010第6.4.7条参考了IEC 62305-4:2010,但表述不同,不能作为是否装设第二级SPD及后续级SPD的依据。

3.2.3装设第二级SPD及后续级SPD的校核步骤

(1) 在线路进入建筑物的入口处或总配电盘处装设第一级SPD。

(2) 确定被保护电气系统的冲击耐受电压UW。

(3) SPD的有效电压保护水平UP/f≤UW。

(4) 检查振荡保护距离LPO和感应保护距离LPi。

如果满足步骤(3)、(4)的要求,则第一级SPD能有效地保护被保护系统设备,否则需装设第二级SPD。

(5) 靠近被保护设备处(或分配电盘处)装设第二级SPD。

(6) 再重复按步骤(2)、(3)、(4)校核，否则需在贴近被保护设备处安装第三级SPD。

以此类推,但级数越少越好。因为过电流保护中的断路器或熔断器都需要满足动作选择性级间配合的要求,级数越少，越易配合,供电可靠性越高。同样,多级过电压保护也需要满足级间配合的要求,级数越少，配合越好,供电可靠性越高。SPD级间配合也是通过分析特性曲线来达到配合要求的。

4暂时过电压对SPD选择的影响

低压系统中为实现有效的箝压,SPD最大持续运行电压UC会选择至最低值(如UC≥1.15U0),此值一般不会超过350 V(均方根值)。当系统出现的暂时过电压UTOV超过UC时,SPD会动作,且常常因为不能承受较长时间的暂时过电压而损坏。因此，SPD的暂时过电压耐受值UT应高于系统可能出现的暂时过电压UTOV值,以防止SPD因暂时过电压动作或损坏。

SPD的UT最小值在不同的低压系统接地型式和不同的连接位置(保护模式)而不同,如表3所示。

表3SPD的UT最小值

系统型式连接位置UT最小值持续时间5s持续时间200msTNL-PENL-NL-PE1.45U03U03U0——1200VTTL-PEN-PEL-N250+U03U03U01200V+UCS1200V—ITL-PEN-PEL-N250V+U0250V1.45U01200V+UCS1200V—

(1) 包括了因高压(HV)、中压(MV)和低压(LV)网络故障造成的暂时过电压的极值。

(2) TN系统包括TN-S或TN-C,IT系统包括配出中性线和未配出中性线的两种形式。IEC标准不提倡使用配出中性线的IT系统。

(3) 在TN系统中L-PE取1 200 V时,只适用于高压系统小电阻接地,并且接地电阻2 Ω、接地故障电流为600 A时的状况。

(4) 在TN系统中L-PE的UT最小值适用于PEN线截面SPEN、PE线截面SPE为相线截面SL的1/2的情况。当SPEN=SL时,UT宜取1.32U0;当SPEN=2SL时,UT宜取1.2U0。

(5) 在配出中性线的IT系统中L-N的UT最小值同样只适用于N线截面SN为相线截面SL的1/2的情况。当SN=SL时,UT宜取1.32U0;SN=2SL时,UT宜取1.2U0。

(6)U0为系统标称的相对中性线的电压,UCS为电源系统的最大持续工作电压。

一般可以认为UT=UC,意味着选择UC时要考虑使UC高于系统中可能出现的暂时过电压最大值。选择具备较高的UT值和较低的UP值的SPD很困难,但可通过比较SPD的UT和系统中预期产生的暂时过电压值UTOV,同时考虑UT和UTOV随时间变化特性来进行选择。

5结语

低压电气系统中过电压危害设备的绝缘,影响系统的正常运行,工程设计中应重视过电压保护和SPD的装设。为更好地保护系统设备免受电涌及电磁脉冲的损坏,电气人员应充分了解设备的冲击耐受水平。目前,电气设备逐渐向着智能化、信息化方向发展,其中包含大量电子器件,这部分冲击耐受较弱,整体设备的耐冲击电压类别可能为Ⅰ类,对过电压保护提出更高的要求,对SPD的研发和制造也提出新的要求。

SPD的电压保护水平UP和受保护设备的冲击耐受电压额定值UW是决定是否装设多级SPD的核心。过电压保护中SPD级数越少,越容易级间配合,越可靠。工程设计中应校验SPD暂时过电压耐受值UT,以防止SPD因暂时过电压动作或损坏。

[1]雷电防护 第1部分:总则：GB/T 21714.1—2008/IEC 62305-1:2006[S].

[2]雷电防护 第2部分:风险管理：GB/T 21714.2—2008/IEC 62305-2:2006[S].

[3]低压配电系统的电涌保护器(SPD) 第12部分:选择和使用导则：GB/T 18802.12—2006/IEC 61643-12:2002[S].

[4]低压电气装置 第4-44部分:安全防护 电压骚扰和电磁骚扰防护:GB/T 16895.10—2010/IEC 60364-4-44:2007[S].

[5]低压系统内设备的绝缘配合 第1部分:原理、要求和试验:GB/T 16935.1—2008/IEC 60664-1:2007[S].

[6]建筑物防雷设计规范:GB 50057—2010[S].

[7]雷电电磁脉冲的防护 第3部分 对浪涌保护器的要求:GB/T 19271.3—2005/IEC TS 61312-3:2000[S].

[8]雷电防护 第4部分:建筑物内电气和电子系统:GB/T 21714.4—2008/IEC 62305-4:2006[S].

[9]2010 Protection against lightning-Part 4:Electrical and electronic systems within structures:IEC 62305-4[S].

[10]低压电涌保护器(SPD) 第1部分:低压配电系统的保护器 性能要求和试验方法:GB 18802.1—2011/IEC61643-1:2005[S].

SPD Installation and Selection of Low voltage Power Distribution System from Overvoltage Perspective

FENGChen

(CITS Investment & Development Co., Ltd., Beijing 100027, China)

Abstract：By analyzing the cause of atmosphere overvoltage and operation overvoltage in low voltage electrical system,this paper analyzed the installation conditions and the group test selection of the building’s first level of surge protective device(SPD),and elaborated the check requirements and steps of installing the second level and subsequent level SPD.By analyzing the maximum value under the situation of the most serious temporary overvoltage in low voltage system,the selection of temporary overvoltage withstanding value of SPD was parsed. It could provide references for electric designers.

Key words:overvoltage protection; surge protection device(SPD); oscillation protection distance; induction protection distance; temporary overvoltage withstanding value

收稿日期：2015-05-26

中图分类号：TU 895

文献标志码：A

文章编号：1674-8417(2016)02-0028-05