低压配电系统中多级电涌保护器的能量配合 毕业论文.doc

目 录1. 引言22. 电涌保护器的种类、性能和参数22.1 电涌保护器的分类 22.1.1 电压开关型电涌保护器22.1.2 限压型电涌保护器32.1.3 混合型电涌保护器32.2 电涌保护器的性能及参数32.2.1 电涌保护器主要参数定义32.2.2 电涌保护器冲击试验级别43. 多级电涌保护器的级间配合43.1 电涌保护器的配合原则43.1.1 基于静态伏安特性的配合43.1.2 利用退耦元件的配合53.2 电涌保护器的配合形式73.2.1 限压型spd之间的配合73.2.2 电压开关型spd与限压型spd之间的配合73.2.3 电压开关型spd之间的配合83.2.4 电涌保护器与被保护设备的配合83.2.5 同级中并联spd的配合93.3 多级电涌保护器保护系统的基本配合方案103.3.1 配合方案103.3.2 配合方案103.3.3 配合方案113.3.4 配合方案113.4 电涌保护器配合的实例124结束语13低压配电系统中多级电涌保护器的能量配合 【摘 要】本文主要依照gb5005794（2000年版）建筑物防雷设计规范、iec616431接至低压配电系统的电涌保护器，分析了低压配电系统中利用电涌保护器对雷电电涌的防护。系统地阐述了安装电涌保护器时遇到的级间能量配合问题，并提出了相应的解决方案。【关键词】浪涌保护器 能量配合 残压 退耦器1. 引言现代建筑物的防雷保护工程作为一个系统工程，它包括：接闪、分流、均压（等电位连接）、接地、屏蔽、（电涌）保护等方面的综合技术。其中“保护”技术主要是指采用“防雷击电涌保护装置”。随着防雷体系一体化工程的实施，电涌保护得到了很大的发展。为了满足不同防雷保护区中的电力、电子设备的安全，建筑物中的电涌保护器通常采用多级配置，这样在一条线缆的不同位置上配置几个特性不同的spd时就产生了级间配合的问题。2. 电涌保护器的种类、性能和参数电涌保护器（surge protective device）是一种用于电气系统中限制瞬态过电压和导引泄放电涌电流的非线性防护器件，用以保护电器、信息设备和线路免受雷电及其它过电压涌流的侵害。2.1 电涌保护器的分类 电涌保护器的分类方式繁多，如按用途可分为电源系统spd、信号系统spd和天馈系统spd 等；按端口形式和连接方式可分为与保护电路并联连接的单端口spd和与保护电路串联连接的双端口（输入、输出端口）spd，以及适用于信息系统的多端口spd等；按使用环境可分为户内型和户外型。一般情况可按其元件类型分类如下。 2.1.1 电压开关型电涌保护器此类spd当无电涌时呈高阻状态，而当电涌电压达到一定值时，又突然变为低阻抗。因此，这类spd被称为“短路开关型spd”；常用的非线性元件有放电间隙、气体放电管、双向可控硅开关管等，具有通流容量大的特点，常用在电源保护系统首级的“3+1”保护模式中（每一相线l与中性线n之间连接一个spd，中性线n与保护线pe之间连接一个spd）。2.1.2 限压型电涌保护器此类spd当无电涌时呈高阻抗状态，但随着电涌电压和电流的升高，其阻抗持续下降而呈低阻抗导通状态。此类非线性元件有压敏电阻、瞬态抑制二极管等，有时又称为“箝压型spd”，因其箝位电压水平比开关型spd要低，可用于电源系统的首级保护或后续雷电防护区域内的雷电过电压或操作过电压保护。2.1.3 混合型电涌保护器这是将开关型元件和限压型元件组合在一起的一种spd。随其所承受的冲击电压特性的不同而分别呈现出开关型spd、限压型spd或同时呈现开关型spd和限压型spd两种特性。2.2 电涌保护器的性能及参数在1998年2月iec颁布的标准iec616431接至低压配电系统的电涌保护器 第1部分 性能要求及测试方法中规定了用于低压配电系统的spd的使用环境要求：应用于1000vac（48/62hz）和1500vdc以下电路系统中的spd，使用高度不超过海拔2000m，贮备和使用时的环境温度在540之间，特殊情况下可扩展到4070之间，相对湿度在常温下为3090。2.2.1 电涌保护器主要参数定义额定电压un：指制造商对spd规定的电压值。由于低压配电系统正常运行条件下在供电端电压有不超过10波动值，额定电压un的规定应考虑此情况。最大持续工作电压uc：指能持续加在spd各种保护模式间的电压有效值。uc不应低于低压电路中可能出现的最大持续工频电压。电压保护水平up：用于表征spd限制接线端子间电压的性能参数，对电压开关型spd指规定陡度下最大放电电压，对电压限制型spd指规定电流波形下的最大残压，其值应比在spd端子测得的最大限制电压大，与设备的耐压一致。箝位电压uas：当spd进入箝位状态时，浪涌电压达到的值。残压ures：当冲击电流通过spd时，在其端子处呈现的电压峰值。ures与冲击电涌通过spd时的波形和峰值电流有关，用于表征spd的性能，经常使用ures/uas=残压比这一概念。残压比一般应小于3。标称放电电流in（额定放电电流）：流过spd的8/20s波形的放电电流峰值。一般用于对spd做级分类试验，也可用于、级分类试验的预处理试验。冲击电流iimp（脉冲电流）：由电流峰值ipeak和总电荷q所规定的脉冲电流。一般用于spd级分类试验，其波形为10/350s。泄漏电流ii：在0.75uref（直流电压）作用下限压型spd的漏电流，通常为微安级。为防止spd的热崩溃和自然起火，spd应通过规定的泄漏电流试验。最大放电电流imax：通过spd的8/20s电流波的峰值电流。用于spd的级分类试验，其值按级动作负载试验程序确定。imaxin。响应时间：从暂态过电压作用于spd到spd实际导通放电时刻之间的延迟时间。该时间越小越好。通常限压型spd的响应时间短于开关型spd。冲击通流容量：spd不发生实质性损坏而能通过规定次数、规定波形的最大冲击电流的峰值；对级分类试验的spd用ipeak来表征；对、级分类试验的spd用imax来表征，一般为标称放电电流的2.5倍。2.2.2 电涌保护器冲击试验级别级分类试验：这是对类spd进行的用标称放电电流in、1.2/50s冲击电压和10/350s最大冲击电流（iimp）做的试验。最大冲击电流在10ms内通过的电荷q（as）在数值上等于幅值电路ipeak(ka)的二分之一，即q=0.5ipeak。这是规定用于安装在lpz0a和lpz1区交界处的雷电流型spd的试验程序。级分类试验：这是对类spd进行标称放电电流in、1.2/50s冲击电压和8/20s最大放电电流（imax）做的试验。这是规定用于限压型spd的试验程序。级分类试验：对spd进行的复合波（发生器产生的开路电压峰值uoc波形为1.2/50s电压波，短路电流峰值isc波形为8/20s电流波，且uoc/isc为2，该比值定义为虚拟阻抗zf）所做的试验。3. 多级电涌保护器的级间配合 在需要保护的系统中装设spd的数量取决于防雷区的划分和被保护设备的抗冲击性要求。各防雷区交界处及被保护设备处安装的spd，其允许的电压保护水平和残压值必须符合各级电力装置绝缘配合的要求，并满足被保护设备的抗冲击性要求。特别是保护低压电力系统和敏感的信息系统设备时，可能需要装设多级spd以逐级削减雷电瞬态过电压能量，直到满足保护设备的安全性要求。3.1 电涌保护器的配合原则当系统中安装多级spd时，各级spd之间应按以下原则之一进行能量和动作性能的配合：3.1.1 基于静态伏安特性的配合采用该配合方式时，spd之间除线路外不附加任何退耦元件，其能量的配合可用它们的静态伏安特性在有关的电流范围内实现。本原则一般应运于限压型spd之间的配合。此法对电涌电流的波形可不予考虑。当spd间有足够的线路距离时，利用线路的自然电感的阻滞作用，可使后级spd的电流较前级spd小，实现级间通流配合。根据行波理论电流波或电压波是以光速沿架空线路传播的，其传播速度v （3-1） 式中： l0表示导线以大地为回路的每米电感值，lo1.610-6h/mc0表示导线每米对地的电容值，co710-12f/m电流波或电压波在低压电缆中的传播速度v= （3-2）式中: l表示电缆每米的电感值c表示电缆每米的电容值如图1所示，在低压配电系统的多级防护中，第一级采用放电间隙以泄放大的雷电流，第二级采用压敏电阻（如金属氧化物非线性电阻器mov，以下用mov表示压敏电阻）。将电压限制在较低的范围之内。这是一种较常用的多级保护模式。由于mov的响应时间较快，一般为25ns左右，而放电间隙的响应时间则比较慢，约为100ns，为了保证第一级保护比第二级保护先动作，以泄放大的雷电流，我们应该保证的是在雷电波到达mov之前让放电间隙动作。雷电波沿着电力电缆侵入，首先到达放电间隙，由于放电间隙有响应时延，雷电波继续向前行进，上面我们知道了波在电缆的传播速度为v=1.5108m/s，放电间隙的动作时间为100ns，mov的响应时间为25ns，那么，波在这个时间差t=（100-25）ns内向前行进的距离s可以计算出来。1.5108m/s75ns=11.25m （3-3）也就是说，如果第一级保护器与第二级保护器件之间的距离大于11.25m，就能够保证前级先动作，从而达到spd之间的配合目的。如果前后两级保护均为mov，响应时间均为25ns，但考虑到前后级mov的引线长度的不同，启动电压的不同以及响应时间上的分散性等情况，响应时间的差值假定为30ns，那么，为了保证前级先动作，则两级保护间的距离应为： s=vt=1.5108ms30ns=4.5m （3-4）根据上面的计算可知，电压开关型spd与限压型spd之间的线路长度不小于11.25m，限压型之间的线路长度不小于4.5m。该计算结果与gb50057-94（2000年版）建筑物防雷设计规范中第6.4.11条 “在一般情况下，当在线路上多处安装spd且无准确数据时，电压开关型spd与限压型spd之间的线路长度不宜小于10m，限压型spd之间的线路长度不宜小于5m。” 的规定是相符合的。但是，有时建筑物比较小，spd之间没有足够的距离，在施工时可以额外的加长电源线的长度。例如是电缆时，可以盘绕成圈以减少空间。如果是散线，要注意盘绕成圈后圈与圈之间分布电容的增加以及在冲击电压下的绝缘问题。3.1.2 利用退耦元件的配合当spd间没有足够距离时，也可以利用退耦器来达到级间配合的目的，退耦元件一般采用有足够耐电涌能力的电感或电阻元件。退耦器可以分为电阻型和电感型，电阻型常用于信息系统，电感型常用于电力系统。当用电阻作为退耦元件时，浪涌电流峰值决定了退耦元件所需的阻值，在选择器件的脉冲额定参数时应考虑浪涌电流在电阻上的压降；如用电感作为退耦元件时，必须考虑电流波形，即di/dt。图2是两级spd利用退耦器相配合的例子。图2中两级非线性元件rv1和rv2都是压敏电阻，当然也可以是rv1采用气体放电管，rv2采用稳压管或瞬态抑制二极管。两级之间的隔离组件可以是电感ls或电阻rs，若rv1、rv2的导通电压分别是un1和un2，则所选用的元件应当满足un2 up2up3，具体取up1=2.5kv，up2=2.0kv，up3=1.5kv。在级间距离较小时，各级残压约为ures1=1. 7kv, ures2=1 .5kv, ures3=1 .5 kv。各级电流约为i1=3 .0ka，i2=1 .5 ka，i3=3 .0 ka；在级间距离较大时，各级残压约为ures1=1.9kv, ures2=1 .4kv, ures3=1 .4 kv。各级电流约为i1=5 .0ka，i2=1 .5ka，i3=2.5ka；由数据可得出以下结论：残压易于满足电压保护水平的要求，两种方案都可以做到ures1ures2ures3,而ures3up2up3，即使级间距离很大，通流容量也可能出现倒置，对第二、第三级的通流容量要求大，甚至近于第一级；一般情况下，两个spd间的线路上的电涌电压不会超过spd上的电压，但可能开路的分支线的末端可能有高于分支点的电涌电压。4结束语随着spd的级间配合问题在国内外得到重视，许多关于电涌保护的标准和规范中都提到了级间配合问题，有的还给出了分析的原则。但是对如何在工程中处理级间配合问题都缺乏具体的、可操作的办法。目前实际上就是在同一条电线上的各级spd都采用同一制造商的产品，用来保证能量配合。但是由于部分制造商在推出产品的时候并没有试验或计算值作为配合依据，造成了多级spd间配合的不可靠。所以，在工程中电涌保护设计者应根据实际情况，认真地处理级间配合问题。参考文献：1. 关象石.防雷技术标准规范汇编.北京华云克雷