建筑物低压配电系统电涌保护器能量配合分析.doc

建筑物低压配电系统电涌保护器能量配合分析 林世祺LINShi-qi；郑键雄ZHENGJian-xiong；罗志勇LUOZhi-yong； 谢宝永XIEBao-yong （中山市气象局，中山528401） （ZhongshanBureauofMeteorology，Zhongshan528401，China） 摘要：低压配电系统中，实现电涌保护器（SurgeProtectiveDevice，缩写成SPD）之间有效的配合，确保发生雷击瞬间各级SPD依次按级启动，从而保护设备免遭雷电损坏，需要对SPD各种能量配合方案进行分析，选择更优的解决方案。本文通过行波理论分析SPD前后级的关系，提出各级电源SPD与被保护设备能量配合基本原则和方法，对实际工程问题具有重要指导意义。 Abstract:Inlow-voltagepowerdistributionsystem,inorderrealizetheeffectivecoordinationofSurgeProtectiveDevice(SPD)andensurethatSPDatalllevelssuessivelystartbygradeinthelightninginstantaneous,soastoprotectequipmentfromlightningdamage,itisnecessarytoanalyzedifferentSPDenergycooperationsolutionsandchooseabettersolution.Basedonthetravelingwavetheory,thispaperanalyzestherelationshipbetweenthebeforeandafterleveloftheSPD,proposesthebasicprincipleandmethodofenergycooperationbetweenalllevelsofSPDpowerandprotectedequipment,whichhasimportantguidingsignificancetotheactualengineeringproblems. 关键词：低压配电系统；电涌保护器；行波理论；能量配合 Keywords:low-voltagepowerdistributionsystem；SurgeProtectiveDevice；travelingwavetheory；energycooperation ：TM862：A：1006-4311（xx）21-0144-03 0引言 最近几年，SPD的级间配合问题越来越受到国内工程人员高度重视，有些规范中提出了级间配合问题，但对指导实际工程解决级间配合问题缺乏可操作的方法。本文根据理论计算并结合实际情况，对低压配电系统内的SPD级间以及与被保护设备配合问题进行分析，提出一个可行的SPD能量配合方案，希望更好地处理SPD能量配合问题。 1SPD级间的行波理论分析 低压配电系统过电压防护，通常采用多级SPD加以保护，一般第一级采用电压开关型SPD，以泄放大的雷电流；第二级采用限压型SPD，目的是使电压保护水平小于被保护设备的绝缘耐冲击电压额定值。在这种情况下，就会出现前后级保护的配合问题，因此我们可用行波理论来分析一下SPD前后级的关系。 雷电发生瞬间，雷电波沿着电力电缆侵入，首先到达电压开关型SPD，由于电压开关型SPD内放电间隙有响应时延，约为100ns，限压型SPD内限压元件的响应时间较快，一般为25ns。因此我们应该保证在侵入波到达限压元件之前让放电间隙动作，或者前后限压型SPD依次按级启动。下面我们用行波理论来分析一下前后级的关系。 从资料了解到波在电缆中的传播速度为V=1.5108m/s，限压元件的响应时间T小于等于25ns，放电间隙的动作响应时间T为100ns。那么，波在这个时间差（10025）ns内向前行进的距离S为： S=VT=（1.5108m/s）（100-25）10-9s）=11.25m 从计算结果可知，如果SPD1元件和SPD2元件之间的距离（电缆）大于11.25m，就能够保证在到达后级SPD2之前让SPD1先动作，从而达到将强的雷电流先泄放入地的目的。考虑到防雷元件性能差异造成实际响应时间的误差，一般情况下应将开关型SPD与限压型SPD之间的距离考虑得更长一些，选用15m是较合适的。 同理，如果前后级均为限压型SPD，响应时间均为30ns，但考虑到其实际响应时间的误差，那么为了保证前级先动作，则两级保护间的距离应该为： S=VT=（1.5108m/s）（3010-9s）=4.5m 考虑到其实际响应时间的误差，选用5m是合适的。 在实际的工程中，有时很难保证开关型SPD和限压型SPD之间的距离（电缆）大于15m，因此，我们通常采用集中电感来等效这个距离2。一般情况下，导线的L0约为1.610-6H/m，为了等效15m和5m长导线分布参数的电感量，则集中电感分别为： L15=L0S=1.610-6H/m15m=24H L5=L0S=1.610-6H/m5m=8H 计算可知，我们可以分别用电感量为24H和8H的集中电感来等效15m和5m长的导线。 2SPD与被保护设备的能量配合基本原则 低压配电系统中，通常SPD安装在各防雷区交界处及被保护设备处，其允许的电压保护水平UP和残压值必须满足被保护设备绝缘水平和抗冲击性的要求。特别是信息系统设备时，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。SPD能量配合的一般原则是SPD电压保护水平必须小于如下被保护设备绝缘耐冲击电压额定值。（表1） 3电涌保护器的能量配合方法 3.1基于静态伏安特性的配合（图1） 该配合方法是SPD之间除了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来实现。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SPD级间能量配合。 根据上面行波理论分析，只要电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不小于15m，限压型SPD间的线路长度小于5m，就可以利用两级SPD间的自然阻抗实现能量配合，保证多级SPD不出现盲点。 但是在实际施工中，往往建筑物比较小，SPD间没有足够的线路距离。比如线路是电缆时，解决办法是在施工时可以加长电缆线的长度，将加长的线盘绕成圈以减少空间（应考虑圈与圈之间分布电容和绝缘水平）。 3.2利用线路分布阻抗或设退耦元件的配合 在实际施工中，由于受场地限制，难于满足安装条件要求，SPD间没有足够距离时，可以利用线路的分布阻抗或设专用退耦元件（电阻元件主要用于信息系统中，电感元件主要用于电力系统中）来达到SPD级间配合的目的。若采用电阻退耦，电流波前梯度是决定性参数，若采用电感退耦，必须考虑电流波形，即di/dt。电流波前梯度和电感量越大越容易实现能量配合。低压配电系统中，可采用退耦元件来等效距离长度，电压开关型SPD与限压型SPD间串联的退耦元件的电感量不小于24H，限压型SPD间串联的退耦元件的电感量不小于8H。 3.3采用触发型SPD实现配合方法 触发型SPD的电子触发电路能保证后续的SPD不超过其能量耐受能力,可以用触发型SPD达到配合。这个方法不需要退耦元件。 4SPD防护系统基本配合方案 4.1应用这些方案时，应充分考虑组件的能量容限及其分散性，也应保证SPD接线两端足够短直。 4.2方案a、b属于限压型SPD的配合，具有连续的伏安特性。方案选用的各级SPD的残压Ures相同，级间无退耦元件或仅用线路阻抗来实现。方案选用的各级SPD的残压Ures呈台阶式，逐阶级升高。 4.3方案c前级是开关型SPD和限压型SPD之间的配合，后面是限压型SPD之间的配合。这种方案能快速减小冲击电流，从而大大减小后续SPD的“压力”。 4.4方案d中多级联SPD组合成含有双端口模块系统。双端口SPD模块必须与系统中的其它SPD按方案a、方案b或方案c进行充分配合。 5结束语 5.1本文根据行波理论计算，对建筑物低压配电系统内的SPD级间以及与被保护设备配合问题进行分析，提供上述a、b、c、d四种常见SPD能量配合方案供选择，希望对处理SPD能量配合实际问题具有指导意义。 5.2在实际的工程中，往往受场地限制，难以保证SPD之间的距离符合规范要求，可以利用退耦元件来等效这个距离。 5.3SPD能量配合的一般原则是SPD电压保护水平必须小于被保护设备绝缘耐冲击电压要求，同时满足被保护设备的抗扰水平要求。 5.4各种能量配合方案应根据实际情况优化选择。 5.5SPD系统是否实现了配合，可以采用配合试验，计算机模拟、仿真标准脉冲参数、用已证实厂家配合好的SPD组合系统等方法加以验证。 参考文献： 1GB50057-xx，建筑物防雷设计规范S.北京：中国计划出版社，xx.