交流电气装置过电压保护设计要求及限制措施

13.2交流电气装置过电压保护设计要求及限制措施13.2.1过电压概述表13.2－1低压系统过电压类别大气过电压直击雷过电压感应雷击过电压雷电波侵入过电压操作过电压操作容性负载过电压电容器组空载长线路操作感性负载过电压空载变压器电抗器电动机真空断路器谐振引起的过电压工频过电压并列或解列过电压负载的投入与切除IT系统发生接地故障引起对地电压升高TN系统或TT系统中性线开路引起对地电压升高低压系统相导体与中性导体间的短路时中性线对地电压升高低压系统故障相的接地故障电压不超过50V，非故障相对地电压升高高压系统接地故障电压窜入低压侧（高压为接地系统，变电所内一个接地系统）。当切断时间大于5s时，允许的工频过电压U0+250V；当切断时间小于或等于5s时，允许的工频过电压U0+1200V。13.2.2耐冲击类别（过电压类别）的划分1.耐冲击类别（过电压类别）划分的目的耐冲击类别标识数字越高，表明设备的耐冲击性能越高，可供选择的抑制过电压的方法越多。耐冲击类别这一概念适用于直接从电源线上接电的设备。13.2.3过电压抑制的配置需装设电涌保护器时，应符合下列各条：1.自身抑制在电气装置全部由低压地下系统而不含架空线供电的情况下，依据表13.2－2所规定的设备耐冲击电压值便足够了，而不需要附加的大气过电压保护。在电气装置由低压架空线供电或含有低压架空线供电的情况下，且外界环境影响为AQ1（雷暴日数<25日/年）时，不需要附加的大气过电压保护。2保护抑制一、电气装置由架空线或含有架空线的线路供电，且当地雷电活动符合外界环境影响条件AQ2（雷暴日数>25日/年）时，应装设大气过电压保护。保护装置的保护水平不应高于表2列出的Ⅱ类过电压水平。二、在一、条件下，建筑物电气装置的大气过电压保护可采取以下措施：－按照IEC60364-5-534（过电压保护电器）安装具有II类保护水平的电涌保护器。－或通过其他方法提供至少等效的电压衰减量。表13.2－2要求的设备额定耐冲击电压值电气装置标称电压*V要求的耐冲击电压值kV三相系统带中性点的单相系统电气装置电源进线端的设备(耐冲击类别Ⅳ)(耐冲击类别Ⅲ)用电器具(耐冲击类别Ⅱ)有特殊保护的设备(耐冲击类别Ⅰ)－120～24042.51.50.8230/400277/480－642.51.5400/690－8642.51000－12864*根据IEC60038：1983。三、在架空线上应用保护抑制的导则对过电压水平的保护抑制可通过在电气装置中直接安装电涌保护器，或在架空线上安装电涌保护器来获得。例如，可以采取以下措施：a）如果是架空供配电网，应在电网的结点，尤其在每个长度超过500m的线路末端建立过电压保护。沿供配电线路每隔500m就应安装过电压保护器件。过电压保护器件之间的距离应小于1000m。b）如果供配电网中部分为架空线路，部分为地下线路，在架空电网应按照上述a）进行过电压保护，并应在从架空线至地下电缆的转换点进行过电压保护。c）在TN配电网供电的电气装置中，在由自动切断电源为间接接触提供保护的地方，连接到相导体的过电压保护器件的接地导体与PEN导体相连或与PE导体相连。d）在TT配电网供电的电气装置中，在由自动切断电源为间接接触提供保护的地方，要为相导体和中性导体提供过电压保护器件。在供电网的中性导体直接接地的地方，不必为中性导体安装过电压保护器件。13.2.4建筑物电气装置中电涌保护器（SPD）的选择和安装13.2.4.1电涌保护器（SPD）的接线应在电气装置的电源进线端或其附近设电涌保护器（SPD），至少应在下面各点之间装设：1.当在电气装置电源进线端或其附近，中性线与PE（保护线）直接连接，或没有中性线时：接在每一相线与接地端子或总保护线之间，取其路径最短者；注：在IT系统，中性线与PE线之间接了阻抗，不能认为二者是直通的。2.当在电气装置的电源进线端或其附近，中性线与PE（保护线）不直接相连时：接线形式1：接在每一相线与接地端子或总保护线之间，和接在中性线与接地端子或总保护线之间，取其路径最短者；或接线形式2：接在每一相线与中性线之间和接在中性线与总保护端子或总保护线之间，取其路径最短者。13.2.4.2电涌保护器（SPD）的选择1.电涌保护器（SPD）的电压保护水平（UP）若用一套电涌保护器（SPD）达不到所要求的保护电压水平时，应采用附加的配合协调的电涌保护器（SPD），以确保达到要求的保护水平。2.选择电涌保护器（SPD）持续运行电压（UC）3.选择电涌保护器（SPD）标称放电电流（In）和冲击电流（Iimp）4.选择电涌保护器（SPD）耐受的预期短路电流电涌保护器（SPD）耐受短路电流（当电涌保护器（SPD）失效时产生）和与之相连接的过电流保护器（设置于内部或外部）一起承受等于和大于安装处预期产生的最大短路电流，选择时要考虑到电涌保护器（SPD）制造厂规定应具备的最大过电流保护器。此外，制造厂所规定电涌保护器（SPD）的额定阻断续流电流值不应小于安装处的预期短路电流值。在TT系统或TN系统中，接于中性线和PE线之间的电涌保护器（SPD）动作（例如火花间隙放电）后流过工频续流，电涌保护器（SPD）额定续流电流值应大于或等于100A。在IT系统中，接于中性线和PE线之间的电涌保护器（SPD）的额定续流电流值与接在相线和中性线之间的电涌保护器（SPD）是相同的。5.防止电涌保护器（SPD）失效的后果和过电流保护防止电涌保护器（SPD）短路的保护是采用过电流保护器，应当根据电涌保护器（SPD）产品手册中推荐的过电流保护器的最大额定值选择。如果过电流保护器的额定值小于或等于推荐用的过电流保护器的最大额定值，则可省去过电流保护器。重点是要保证供电的连续性还是保证保护的连续性取决于在电涌保护器（SPD）故障时，断开电涌保护器（SPD）的过电流保护器所安装的位置。在所有情况下，应当明确设置的保护器间的区别：－若过电流保护器安装在电涌保护器（SPD）的回路中，则可保证供电的连续性，但再发生过电压时，无论是电气装置或是设备都得不到保护（见图13.2－5）。这些过电流保护器可以是设于内部的电涌保护器（SPD）脱离器。图13.2－5重点保证供电连续性－若过电流保护器接入设有电涌保护器（SPD）保护电路的电气装置进线前端，则电涌保护器（SPD）故障时可导致供电中断，要等到更换电涌保护器（SPD）后才能恢复供电（见图13.2－6）。为了提高在同一时间内供电连续性和保护连续的概率和可靠性，允许使用图13.2－7所示的接线方式。图13.2－6重点保证保护连续性图13.2－7供电连续性和保护连续性的结合这种情况是将两个相同的电涌保护器（SPD1和SPD2）分别接到两个相同的保护器（PD1和PD2）。当一个电涌保护器（SPD1）发生故障，不会影响另一电涌保护器（如SPD2）工作，并且将使其本身的保护器动作（如PD1）。这种方式将显著提高供电连续性和保护连续性的概率。6.间接接触防护间接接触防护即使当电涌保护器（SPD）故障时，对所有电气装置的保护也应保持有效。当采用自动切断供电时：－在TN系统中，一般可在电涌保护器（SPD）的电源侧装设过电流保护器实现间接接触防护；－在TT系统中可采用下述a)或者b)实现间接接触防护：1)将电涌保护器（SPD）安装在剩余电流保护器（RCD）的负荷侧；2)将电涌保护器（SPD）安装在剩余电流保护器（RCD）的电源侧，由于接在中性线和PE线之间的电涌保护器（SPD）也可能发生故障，因此，a)应当符合外露可导电部分预期接地故障电压不大于50V的规定。和b)根根据接线形式2来安装电涌保护器（SPD）。－在IT系统中，不需要附加其它措施。7.连接导线连接导线是指相线与电涌保护器（SPD）之间的导线，和电涌保护器（SPD）与总接地端子或保护线之间的导线。因为增加电涌保护器（SPD）连接导线的长度，会降低电涌保护器（SPD）过电压保护的效果，尽可能减少电涌保护器（SPD）所连接导线的长度并且不形成环路可获得最佳过电压保护效果（总引线长度最好不超过0.5m），见图13.2－8。如果图13.2－8所示a+b的长度不能小于0.5m，则可采用图13.2－9的接线方式。图13.2－8电涌保护器（SPD）安装在或靠近图13.2－9电涌保护器（SPD）安装在或靠近电气装置电源进线端的示例电气装置电源进线端的示例8.接地线的导体截面安装在电气装置电源进线端或靠近进线端处的电涌保护器（SPD）接地线的最小截面应是不小于4mm2的铜线或与其等效。当设有雷击保护系统时，符合Ⅰ级试验的电涌保护器（SPD）的接地线的最小截面不小于16mm2的铜线或与其等效是必要的。13.3建筑物防雷的分类及措施13.3.1建筑物防雷的分类注：1.在设有信息系统的建筑物需防雷击电磁脉冲的情况下，当该建筑物没有防直击雷和不处于其它建筑物或物体的保护范围内时，宜按第三类防雷建筑物采取防直击雷的防雷措施。在要考虑屏蔽的情况下，防直击雷接闪器宜采用避雷网。2.由于历史上频发雷击灾害地区的建筑物需采取防雷措施。13.4建筑物防雷设计的计算方法和设计要求13.4.1建筑物防雷设计的计算方法13.4.1.1建筑物年预计雷击次数1.建筑物年预计雷击次数应按下式确定：(13.4－1)式中N－建筑物预计雷击次数，次/a；k－校正系数，在一般情况下取1，在下列情况下取相应数值：位于旷野孤立的建筑物取2；金属屋面的砖木结构建筑物取1.7；位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5；Ng－建筑物所处地区雷击大地的年平均密度，次/km2•a；Ae－与建筑物截收相同雷击次数等效面积，km2。2.雷击大地的年平均密度应按下式确定：(13.4－2)式中Td－年平均雷暴日，根据当地气象台、站资料确定，d/a。3.建筑物截收相同雷击次数等效面积Ae应为其实际面积向外扩大后的面积。其计算方法应符合下列规定：一、当建筑物的高H小于100m时，其每边的扩大宽度和等效面积应按下列公式计算确定（图13.4－1）：(13.4－3)(13.4－4)式中D－建筑物每边的扩大宽度，m；L、W、H－分别为建筑物的长、宽、高，m。图13.4－1建筑物截收相同雷击次数等效面积注：建筑物平面积扩大后的面积Ae如图13.4－1中周边虚线所包围的面积。二、当建筑物的高H等于或大于100m时，其每边的扩大宽度应按等于建筑物的高H计算；建筑物等效面积应按下式确定：(13.4－5)三、当建筑物各部位的高不同时，应沿建筑物周边逐点算出最大扩大宽度，其截收相同雷击次数等效面积Ae应按每点最大扩大宽度外端的连接线所包围的面积计算。13.4.1.2接地装置冲击接到电阻与工频接地电阻的换算1.接地装置冲击接到电阻与工频接到电阻的换算应按下式确定：(13.4－6)式中R～－接地装置各支线的长度取值小于或等于接地体的有效长度le或者有支线大于le而取其等于le时的工频接到电阻，Ω；A－换算系数，其数值宜按图13.4－2确定；Ri－所要求的接地装置冲击接到电阻，Ω。2.接地体的有效长度应按下式确定：(13.4－7)式中le－接地体的有效长度，应按图13.4－3计量，m；ρ－敷设接地体处的土壤电阻率，Ω•m。3.环绕建筑物的环形接地体应按以下方法确定冲击接到电阻：一、当环形接地体周长的一半大于或等于接地体的有效长度le时，引下线的冲击接地电阻应为从与该引下线的连接点起沿两侧接地体各取le长度算出的工频接到电阻（换算系数A等于1）。二、当环形接地体周长的一半l小于le时，引下线的冲击接地电阻应为以接地体的实际长度算出的工频接到电阻再除以A值。4.与引下线连接的基础接地体，当其钢筋从与引下线的连接点量起大于20m时，其冲击接地电阻应为以换算系数A等于1和以该连接点为圆心、20m为半径的半球体范围内的钢筋体的工频接到电阻。图13.4－2换算系数A注：l为接地体最长支线的实际长度，其计量与le类同。当它大于le时，取其等于le。图13.4－3接地体有效长度的计量1.单支避雷针的保护范围应按下列方法确定（图13.4－4）。一、当避雷针高度h小于或等于hr时：①距离地面hr处作一平行地面的平行线；②以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线的A、B两点；③以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切。则从此弧线起到地面止就是保护范围。保护范围是一个对称的锥体；④避雷针在hx高度的xx’平面上和在地面上的保护半径，按下式求得：(13.4－8)(13.4－9)式中rx──避雷针在hx高度的xx平面上的保护半径，m；hr──滚球半径，第一、二、三类防雷建筑物分别为30m、45m、60m；hx──被保护物的高度，m；r0──避雷针在地面上的保护半径，m。二、当h大于hr时，在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针的针尖作为圆心。其余做法同本款第1）项。13.4－8和13.4－9式中的h用hr代入。图13.4－4单支避雷针的保护范围2.单根避雷线的保护范围，当避雷线的高度h大于或等于2hr时，无保护范围；当避雷线的高度h小于2hr时，应按下列方法确定（图13.4－5）。确定架空避雷线的高度时应计及弧垂的影响。在无法确定弧垂的情况下，当等高支柱间的距离小于120m时架空避雷线中点的弧垂宜采用2m，距离为120～150m时宜采用3m。a）hrh2hrb）hhr图13.4－5单根避雷线的保护范围(1)距离地面hr处作一平行于地面的平行线；(2)以避雷线为圆心、hr为半径，作弧线交于平行线的A、B两点；(3)以A、B为圆心，hr为半径作弧线，两弧线相交或相切并与地面相切，从该弧线起到地面止就是保护范围；(4)当h小于2hr且大于hr时，保护范围的最高点的高度h0按下式计算：(13.4－10)(5)避雷线在hx高度的xx’平面上的保护宽度bx，按下式：(13.4－11)式中bx──避雷线在hx高度的xx’平面上的保护宽度，m；h──避雷线的高度，m；hr──滚球半径，m；hx──被保护物的高度，m。(6)避雷线两端的保护范围按单支避雷针的方法确定。1闪电中可能出现的三种雷击见图13.4－6其参量应符合表13.4－1～表13.4－3的规定。雷击参数的定义应按13.4－7确定。短时间首次雷击后续雷击长时间雷击图13.4－6闪电中可能出现的三种雷击I－峰值电流（幅值）T－从波头起自幅值10％至波点T1－波头时间降至峰值10％之间的时间T2－半值时间Q1－长时间雷击的电荷量（a）短时雷击（b）长时间雷击图13.4－7雷击参数定义2对雷电流的电荷量Qs和单位能量可近似按下列计算式计算：(13.4－12)(13.4－13)式中Qs－雷电流电荷量，C；W/R－雷电流单位能量，J/Ω；I－雷电流幅值，A；T2－半值时间，s表13.4－1首次雷击的雷电流参量雷电流参数防雷建筑物类别一类二类三类I幅值（kA）200150100T1波头时间（μs）101010T2半值时间（μs）350350350Qs电荷量（C）1007550W/R单位能量（MJ/Ω）105.62.5注：1因为全部电荷量Qs的本质部分包括在首次雷击中，故所规定的值考虑合并了所有短时间雷击的电荷量。2由于单位能量W/R的本质部分包括在首次雷击中，故所规定的值考虑合并了所有短时间雷击的单位能量。表13.4－2首次以后雷击的雷电流参量雷电流参数防雷建筑物类别一类二类三类I幅值（kA）5037.525T1波头时间（μs）0.250.250.25T2