电气安全第5章2..ppt

第四节电涌,一、电涌的来源1、什么是电涌（surge）以雷击电磁脉冲（LEMP）和（或）操作电磁脉冲（SEMP）为骚扰源，在电气电子系统中耦合的能量脉冲。,用电磁兼容模型解释电涌按技术领域分类，电涌属于电磁兼容（EMC）问题，电磁兼容的模型如下。,按电磁兼容模型，对电涌解释如下。骚扰源（发射器）：LEMP和SEMP等。,感受器（敏感设备）：低压配电系统或电子信息系统，本课程主要介绍以低压配电系统作为感受器的电涌保护。,电涌电压的示例,工频电压波形,2、电涌的耦合路径详解（1）传导（阻性）耦合主要是通过金属管线的直接电气连通，将能量脉冲从一处传输到另一处。在分析用等效电路上，这种耦合路径可用一个电阻来表示，因此又叫做阻性耦合。如：直接雷击线路造成的侵入雷电波，接地导体上的雷击电磁脉冲传导（见下页图）等。,阻性耦合的电涌示例,（2）感性辐射耦合指空间磁场传递的能量脉冲。耦合的原理为电磁感应。,（3）容性辐射耦合指通过空间电场传递的能量脉冲。,小结：电涌是LEMP或（和）SEMP通过阻性、感性或容性耦合传递到低压系统或电子信息系统上的能量脉冲。电涌的危害以脉冲电压或脉冲电流的形式出现。危害的对象除了绝缘以外，还包括用电设备本身的元、器件（又称硬件）。,二、电涌强度计算电涌能量骚扰源能量耦合衰减1、骚扰源能量（雷电）复习上一章内容考虑雷击电磁脉冲问题时，应考虑电闪中可能出现的三种雷击形式：（1）短时首次雷击；（2）首次后的短时雷击；（3）长时间雷击。,短时雷击,长时间雷击,向下闪击的组合形式,向上闪击的组合形式,首次短时雷击雷电流参数,首次以后短时雷击的雷电流参数,长时间雷击参数,2、线路中感性耦合的能量估算感性耦合能量计算非常复杂，除考虑骚扰源能量以外，还要考虑耦合路径上的衰减以及环路的面积和位置等。业界专家对一些典型的感性耦合能量进行了计算，并将结果列成表格，可供工程应用选择。典型情况见后页图，计算结果见教材表5-9。,a）,b）,c）,d）,e）,f）,3、传导耦合的能量计算主要考虑压降和各处连接的分流作用。见上页图a、c、d及下图。,小结：电涌的能量取决于骚扰源（LEMP、SEMP）能量大小和耦合路径衰减量大小。骚扰源能量以雷电流幅值、电荷量来表征。阻性耦合衰减主要是各处联接的分流作用。感性耦合衰减主要涉及空间距离、屏蔽及感应环路面积等。,第五节电涌保护器,电涌保护器是一种用于带电系统中限制瞬态过电压并释放电涌能量的非线性器件，简称SPD（SurgeProtectiveDevice），用以保护电气电子系统免遭电涌破坏。电子系统中还有串接限制过电流的电涌保护器件。辩异：电涌保护器与避雷器。基本原理相同，特性参数和应用环境、应用目的不同。通过共同点加深对基本概念的理解，通过不同点加强工程意识培养。,一、电涌保护器的类别与工作原理分为电压开关型、限压型和混合型三类。电压开关型：突然导通特征。通流容量大，特性陡，残压高。主要用于泄放能量。适用于LPZ0与LPZ1区交界处。限压型：随电涌电压升高渐进导通。通流容量小，特性缓，因逐渐释放能量而具有降低过电压幅值的作用。主要用于保护设备。适用于LPZ0B及以后防雷区。,混合型：随承受的电涌电压不同而分别呈现电压开关型或限压型特性。可作为配电系统中间级的保护。,三类SPD的保护动作特性图。,电压开关型,限压型,混合型,二、电涌保护器的冲击分类试验SPD有三种冲击分类试验，这三种试验没有等级之分。生产厂家可根据自己所生产产品的应用条件，选择其中一种或几种进行试验，并以试验类别标定相关参数。应用条件：指SPD在系统中的安装位置和应起到的保护作用。安装位置：高暴露地点；低暴露地点。保护作用：泄放能量为主；与被保护设备耐压特性配合为主。,1、试验用电流与电压波形（1）试验标准电流。见图。其中曲线、为IEC61643-1标准推荐，曲线为德国EDINVDE0675标准推荐。（2）试验标准电压。一般采用1.25/50s的冲击电压作为试验电压。,电涌保护器试验电流,2、三种分类试验（1）I级分类试验。用1.2/50s冲击电压、8/20s和10/350s冲击电流作的试验。试验结果：标称放电电流In（8/20s），最大冲击电流Iimp（10/350s）。通过该试验的SPD通常用于高暴露地点，可承受较大的能量。一般电压开关型SPD进行该项试验,（2）II级分类试验。用1.2/50s冲击电压、8/20s冲击电流作的试验。试验结果：标称放电电流In（8/20s）和最大放电电流Imax（8/20s）。一般限压型SPD进行该项试验，用于低暴露地点。一级与二级分类试验得出的参数中，In是重叠的。,（3）III级分类试验。开路时施加1.2/50s冲击电压、短路时施加8/20s冲击电流作的试验。开路电压与短路电流峰值之比为2。,三、主要参数（1）最大持续工作电压Uc。使SPD工作时间不小于设计寿命所允许施加的最高工频电压。原理：长期热稳定性。系统可能出现的最大持续运行电压不应该高于该电压。（2）标称放电电流In。指SPD通过规定次数8/20s冲击电流的最大值。在通过规定次数的这个电流后，SPD的特性变化不超过允许范围。可由I、II级分类试验确定。,（3）最大放电电流Imax。指SPD通过1次8/20s冲击电流的最大值。在通过该电流后，SPD不得发生实质性损坏。由II级分类试验确定。用以衡量限压型SPD的最大通流能力。同一只SPD的Imax一般为In的22.5倍。（4）冲击电流Iimp。指SPD通过1次10/350s冲击电流的最大值。在通过该电流后，SPD不得发生实质性损坏。由I级分类试验确定。用于衡量电压开关型SPD的最大通流能力。,辩异：Imax、Iimp分别表示限压型SPD和电压开关型SPD的极限通流能力。SPD不应因通过这样大的电流而发生烧毁、爆炸等事故，但SPD的特性可能已经变坏，不能继续工作。In表示限压型和电压开关型SPD的额定通流能力。多次通过该电流后，SPD应可继续正常工作，直至达到规定的次数。,（5）电压保护水平UP。即最大残压。对电压开关型SPD，又等于放电电压。残压指SPD动作后的电压，为随时间变化的波形，UP即变化的上限。电压保护水平应低于设备耐压。（6）响应时间。一般要求小于25ns。,参数示例。某通过I级分类试验的SPD参数如下：最大持续工作电压Uc：350V标称放电电流In：20kA（15个8/20s电流波）冲击电流Iimp：115kA（1个10/350s电流波）电压保护水平UP：600V,第六节低压系统电涌保护配置,一、电涌保护对象分级电涌防护等级是以建筑物中电子信息系统为对象划分的，依据有两个，一个是雷击风险，另一个是电子信息系统的重要性和使用性质。电气系统的防护级别与同一建筑内电子信息系统的防护级别等同，有时又简称建筑物的电涌防护等级。分为A、B、C、D四个等级，A级防护要求最高，D级最低。,二、电涌保护的目的及其在防雷体系中的地位1、目的通过在电气电子设备的电源侧限制雷电过电压（兼限制大部分操作过电压）并泄放雷电能量，以保护设备绝缘及硬件不致损坏。,2、地位1）建筑物内部防雷的重要组成部分。2）综合防雷体系的末端环节。3）采取了基本防雷措施的前提下，专门针对耦合到低压配电系统中和电子信息系统中的雷电能量进行防护。与雷电过电压防护对比：能量相对较小，但被保护设备承受力也小，响应时间要求高，环境要求高，与其他环节的关联性高。,二、电涌保护主要对象及耐受水平保护对象为低压配电和用电设备。低压设备耐压分4个等级，见下表。,过电压类别I：用电设备，如音响、电视机、计算机等。过电压类别II：用电设备，如洗衣机、冰箱、空调器等。过电压类别III：负荷侧配电设备及永久连接至系统的工业用电设备（如工业用电动机等）。过电压类别IV：电源侧配电设备。,各过电压类别设备在系统中的位置,四、电涌保护系统的布局采用分散、多级的布局。理由：同一电压等级电网中有多个耐压等级设备，且设备本身是分散布置的。结果：逐级泄放电涌能量。要求：在恰当的位置设置恰当的保护器：1）SPD电压保护水平与被保护设备配合。2）不同防雷区交界面处，应设置SPD。LPZ0与LPZ1区交界面：设置通过I级分类试验的SPD。其他交界面：设置通过II、III级分类试验的SPD。,3）同一防雷区中的同一配电级中，考虑电涌波过程，可能在若干处设置SPD。按从电源到负荷的方向，系统的多级保护分别被称为第一、二、三、四级，对应于被保护对象的过电压类别。辩异：一级SPD：在系统中处于最靠电源侧的SPD；I类SPD：通过I级分类试验的SPD。,某高层住宅电涌保护布局示例,五、电压保护模式相与相间、相与中性线之间的电涌电压叫做差模电压。相与地间、中性线与地间的电涌电压叫做共模电压。SPD的电压保护模式指与电涌电压模式相对应的保护器件与系统的连接方式。典型的电压保护模式分三类，相应的典型电路接线有四种。,SPD电压保护模式及特点,a:共模,b:差模,c:全模,d:31,六、电涌保护器主要参数及类型选择1、电压保护水平Up理论上，Up连同引线上的压降，应小于被保护设备的冲击耐压Uw。实际上，一般用以下公式校核：Up0.8Uw2、通流容量及选择工程上将被保护对象按雷击危险性分为A、B、C、D四级，并规定了每个分级对SPD通流容量的最低通流容量要求。,例：A级保护对象中各级SPD通流容量参考值,表中的“级”指SPD在电涌保护布局中的分级,3、最大持续工作电压UcUc选择关系着SPD的寿命，应大于系统最大持续运行电压。一般持续5s以上的电压就应视为持续电压。应考虑以下几个因素。1）正常运行时10的系统电压偏差和5的SPD老化因素。2）系统接地形式。接地故障时，不同接地形式的系统可能出现不同的过电压，若持续时间超过5s，应考虑为持续电压。,3）中压系统故障传递到低压系统的持续过电压。示例如图。,4、电压开关型SPD的导通放电电压UOP指电压开关型SPD被电涌击穿所需的最低电压值，又称动作电压。只有当电涌电压上升达到该值时，电压开关型SPD才开始泄放雷电能量。,低压系统中Uc的选取,第七节电涌保护的级间配合,由于低压系统电涌保护采用分散、多级的布局，以逐级削减电涌能量并与被保护设备匹配，因此各级电涌保护器除了类型不同以外，在参数上还应满足一定的关系，才能满足保护要求。电涌保护的级间配合就是指各级电涌保护器在类型、参数及位置关系等上的协调。,一、电涌保护级间配合的原则原则：上级电涌保护应能可靠保证下级电涌保护器不致受到电涌损坏。原理：上级电涌保护器需提前泄放足够的电涌能量，以使下级电涌保护器不致因能量过大而受损。技术路线：在系统与器件两方面综合协调。系统方面：主要是上、下级的电压耦合问题，具体落实在安装间距上。器件方面：主要是上、下级SPD的类形与参数配合问题。,1、两级电涌保护间的电压耦合与安装间距上级为电压开关型SPD，下级为电压型SPD。上级SPD击穿放电电压高，当击穿放电时，可能已经有部分电涌能量以行波的方式到达下级SPD，并已经在下级SPD中泄放。上级SPD动作后，其残压仍会作用在下级SPD上。以上两者即为上、下级间的电压耦合。因此，下级SPD可能承受超过其自身泄放能力的电涌能量，从而招致损坏。,SPD1导通电压和电压保护水平均高于SPD2。配合要求为：SPD1必须先于SPD2导通以泄放能量，否则SPD2可能被损坏。,在短距离内，按集中参数电路近似分析。器件、系统、外部三类参数关系,在SPD器件参数和大气雷电参数确定的情况下，以上条件能否满足取决于R、L的大小；在线路类型、规格确定的情况下（线路选择不会考虑电涌保护因素），R、L只取决于两级SPD间的线路长度，或称电气距离。若将SPD2看作感受器，SPD1处电涌看作骚扰源，则电涌电压是通过线路传导耦合到SPD2的，耦合路径上的衰减与R、L正相关。因此将R、L称为解藕阻抗。为保护SPD2不致损坏，需要足够的解藕量。级间电气距离过短，达不到解藕要求。,人为解藕方法上、下级SPD之间因电气距离过短导致电涌电压耦合过强，又不能调整电气距离时，需要在线路上串联解藕元件。解藕元件为专门的电阻或电感器件。一般在电压开关型和限压型SPD间采用电感，在限压型SPD间采用电阻。2、其他参数配合包括通流容量、电压保护水平、响应时间等，都有级间配合的要求。不再详述。,第八节电涌保护与其他保护及系统接地形式的配合,一、电涌保护与其他保护的配合1.低压系统其他保护及其与电涌保护的关系（1）不能因为设置电涌保护而影响其他保护的效能。（2）必须考虑电涌保护器失效对系统影响，以及何种保护能消除这种影响。（3）电涌保护器自身的保护问题。其他保护：过电流保护，剩余电流保护，对地绝缘监测及故障电压动作（IT系统）。,2、电涌保护与剩余电流保护的配合（1）电涌保护使RCD误动作的问题,电涌电流成为剩余电流。预防：采用防电涌的RCD。最大防护能力：250A（非选择型）、3kA（选择型）。,（2）RCD对电涌保护器失效的保护,共模：有效,差模：无效,对N-PE间RCD失效保护,保护有效性判断关键：失效故障电流是否成为剩余电流。,N-PE间SPD失效对RCD保护灵敏性的影响,（3）电涌保护与过流保护配合主要考虑SPD失效（相当于元件短路）时，过流保护能否切除故障元件。,TN系统中SPD失效故障电流性质：共模接法：短路差模接法：短路,TT系统中SPD失效故障电流性质：共