电涌保护器在防雷中的作用_图文
防雷
培训
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班
教材之四
3.电涌保护器的性能要求和使用原则
3.1 SPD的定义:
在GB50057-94《建筑物防雷设计规范》中,SPD定名是过电涌保护器:“用于限制瞬时过电压和泄放电涌电流的电器,它至少包括一个非线性元件”。
3.2 SPD 的分类:
SPD可按几种不同方法进行分类:
3.2.1(按使用非线性元件的特性分类:(设计电路拓朴)
a) 电压开关型SPD:当没有浪涌出现时呈高阻状态;有浪涌电压,时能立即转变成低阻抗的SPD。
开关型SPD常用的非线性元件有放电间隙、气体放电管等、闸流管(硅可控整流器)和三端双向
可控硅开关元件。这类SPD有时也称“短路型SPD”。开关型SPD具有通流容量(标称放电电流和最
大放电电流)大的特点,特别适用于易遭受直接雷击部位的雷电过电压保护。(即LPZ0——直击雷A
非防护区)。
b) 电压限制型SPD:当没有浪涌出现时具有高阻,但是随着电涌电流和电压的上升,其阻抗将持续
减小的SPD。
常用的非线性元件有压敏电阻和瞬态抑制二极管。这类SPD有时也称作“箝位型SPD”,是大量
常用的过电压保护器,一般适用于户内,即IEC规定的直击雷防护区(LPZ0)、第一屏蔽防护区(LPZ1)、B
第二屏蔽防护区(LPZ2)的雷电过电压防护。IEC标准要求将它们安装在各雷电防护区的交界处。
c) 复合型SPD:由电压开关型元件和电压限制型元件组成的SPD。其特性随所加电压特性可以
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
现为电压开关型、电压限制型或两者皆有。
3.2.2(按SPD的端口型式分类:
a) 一端口SPD:SPD与被保护电路并联。一端口能分开输入和输出端,在这些端子之间没有特殊的
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串联阻抗。见下图1
并联单口SPD
? 单口SPD
单口SPD 总示意图 ? 串联单口SPD
S P D
图1
3.2.2 b) 二端口SPD:有两组输入和输出接线端子的SPD,在这些端子之间有特殊的串联阻抗。
(见图2)
串联感抗 串联感抗
? 输入端 输出端 输入端 输出端 ? (IN) (OUT) (IN) (OUT)
共地端
双口SPD总示意图 S P D
图2
图1和图2上可以看出,无论SPD从外表上看是否串接或并联在被保护电路中,SPD的非线性元件实质上都是与被保护电路处于并联状态,当其动作时,能将被保护电路中的电涌电流通过SPD分流泄入地
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中。
3.2.3 按使用的性质分类:
由于雷电过电压和投切过电压(过去常称为操作过电压)可能沿供(配)电线路侵入,雷电过电压还可能沿信号线(含电话线)或天馈线侵入,因此安装在不同的系统中的SPD必须满足不同系统的特殊要求。这样,生产厂商又可将SPD按使用性质将SPD分为:电源系统SPD、信号系统SPD和天馈系统SPD。
(此外,还可以按安装的环境(位置)分为室内用或户外用;按可接触性分为可接触或不可接触;按安装方式分为固定式或卡接可移式等等。)
3.3表征SPD性能的主要技术参数:
3.3.1使用条件:在GB18802.1—2002/IEC 61643-1:1998《低压配电系统的电涌保护器(SPD) 第1部分 : 性能要求和试验方法》中规定了用于低压配电系统的SPD的使用条件是:
频率:电源交流频率在48Hz和62Hz之间
电压:持续施加在SPD的接线端子间的电压不应超过其最大持续工作电压。
海拔:不应超过2000m .
使用和储存温度: ——正常范围:,5?~ +40? ;
——极限范围:—40?~+70?
湿度:相对湿度在室温下应在30, 和90%之间。
在此范围之外的恶劣环境下和使用于户外或暴露在日光中或处在其它辐射源之下的SPD应有特别的设计要求,这是设计者、制造厂商和用户要特别注意的。
3.3.2 主要技术参数
在进行参数介绍之前,有必要介绍一下过电压的概念。在IEC60664-1《低压系统内设备的绝缘配合》标准中,定义过电压(overvoltage):“峰值大于正常运行下最大稳态电压的相应峰值的任何电压”。过电压一般分为短时过电压(或暂态过电压)(temporary overvoltage)和瞬态过电压(transient overvoltage)。这两种过电压的区分是短时过电压是持续时间较长的工频过电压,而瞬态过电压则是振荡的或非振荡的,通常为高阻尼,持续时间只有几毫秒(ms)或更短的短时间过电压。雷击过电压便属瞬态过电压。由于特定
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通断操作或故障通断,在系统中的任何位置出现的瞬态过电压又称投切过电压(操作、通断过电压)(switching overvoltage)。SPD应具备抑制瞬态过电压的功能,含防护雷电过电压和投切过电压。但是,SPD不能抑制工频的暂态过电压。
3.3.2.1)保护模式:SPD可连接在L(相线)、N(中性线)、PE(保护线)间,如L-L、L-N、L-PE、N-PE,这些连接方式称为保护模式,保护模式的选择与供电系统的接地型式有关。按GB50054-95《低压配电设计规范》规定,供电系统的接地型式可分为:
TN系统,具体有分为TN-S系统(三相五线)、TN-C系统(三相四线)TN-C-S系统(由三相四线过渡到三相五线);IT系统(三相三线,电源没有接地或对地呈高阻,负荷侧电气装置外露可导电部分连接接地极)和TT系统(三相四线,电源有一点与地直接连接,负荷侧电气装置外露可导电部分连接的接地极与电源接地极无电气联系)。
.2) 系统标称工作电压U:系统标称的相线对中性线的电压(交流电压的有效值)。在低压配电系统0
中标称电压有220V、380V等,指的是相对地的电压值也称为供电系统的额定电压,在正常运行条件ACAC
下,在供电终端电压波动值不应超过?10%,这些是制造商在规定额定电压值时需考虑的。
.3) 最大连续工作电压U,允许持久地施加加在SPD上的交流电压有效值或直流电压。其值等于额C
定电压(制造商规定的)U不应低于低压线路中可能出现的最大连续工频电压。选择220/380V三相系统C
中的SPD时,其接线端的最大连续工作电压Uc不应小于下列规定:
TT系统中U?1.55 U(SPD安装在剩余电流保护器的负荷侧。U=220V) COO
TN、TT系统中U?1.15 U(TT系统SPD安装在剩余电流保护器的电源侧。U=220V.) CO O
IT系统中U?1.15U ( U为线间电压,在220/380系统中U =380V) C
注:如果SPD因电涌而动作,在泄放规定波形的电涌后,SPD在U电压以下时应能切断来自电网的C
工频对地短路电流。这一特性在IEC标准中称为可自复性。
上边提到的U?1.55Uo、U?1.15Uo、Uc?UIEC60364-5-534,是从我国供电系统实际出发,取值CC
比IEC60364-5-534略高,有专家认为原因是国外配电变电所接地电阻规定为1-2Ω,而我国规定为4-10Ω,因而在发生低压相线接地故障时另两相对地电压常偏大且由于长时间过热很易烧毁SPD。但SPD的U值C定的偏大又会因残压较高而影响SPD的防护效果。
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.4) 点火电压,开关型SPD火花放电电压,是在电涌冲击下开关型SPD电极间击穿电压。
3.3.2 .5)U 启动电压(有称压敏电压):,限压型SPD从高阻向低阻转折处的电压,规定以漏电流等于1mA
1mA时的电压作为启动电压。(标准要求在I冲击前后测出的U值的变化应不大于?10%) 。 n1mA
.6) 限压型SPD的漏电流: 限压型SPD在相当于U 的75%的电压下的泄漏电流。(有标准要求在1mA
I冲击前后测出的U值均应小于20µA ,变化率应小于200%) n1mA
.7) 残压U,当放电电流通过SPD时,在其端子处呈现的电压峰值(U与冲击电涌通过SPD时的波resres形和峰值电流有关。因此给出残压时必须给出试验条件)。
.8) 箝位电压U,当浪涌电压达到U值时,SPD进入箝位状态。不能认为箝位电压即标称压敏电压, asas
因为U是SPD上通过1mA电流时在其两端测得的电压。而实际上通过SPD的电流可能远大于测试电1mA
流1mA,这时不能不考虑SPD两端已经抬高的U(残压)对设备保护的影响(残压随泄流值增大而增大)。res
从压敏电压至箝位电压的时间比较长,对MOV而言约为100ns。
.9) 限制电压: 施加规定波形和幅值的冲击电压时,在SPD接线端子间测得的最大电压峰值。
.10) 标称放电电流I: 流过SPD具有8/20波形的电流峰值,用于II级试验的SPD分级以及I级、II级n
试验的SPD的予处理试验。
.11) 冲击电流 I:由峰值I(10/350波形)和电荷量Q确定。其试验应根据动作负载试验的程序i m ppeak
进行。这是用于I级试验的SPD分类试验。
.12) 电压保护水平U(保护电平),表征SPD限制接线端子间电压的性能参数,其值可以从一系列的优P
先值的列表中选取(如0.08、0.09、„„1、1.2、1.5、1.8、2„„8、10KV等),该值应比在SPD端子测得的最大限制电压(I、II级试验用I 冲击时SPD两端的残压值,III级试验用复合波测量的限制电压)。 n
.13) 暂态过电压U,保护装置应能承受的,持续短时间的直流电压或工频交流过电压有效值。它比最T
大连续工作电压U要大。但是SPD 不能抑制暂态过电压U 。(保护装置承受U应能达到一定时间t,CTTT这种特性称作暂态过电压特性(TOV)。
.14)(电压降(百分比):ΔU=[(U—U)/U]×100% inoutin
其中U指双口SPD输入端电压, in
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U指双口SPD输出端电压, out
通过电流为阻性负载额定电流
3.3.2. 15)(最大放电电流Imax:通过SPD具有8/20波形电流的峰值,其大小按?级动作负载的程序确定,Imax,In。(要求SPD能经受住1次Imax的冲击并允许损坏,但损坏的同时仍应起到保护作用)。
.16)(续流I:指当SPD放电动作刚刚结束的瞬间,跟着来的流过其的由电源提供的工频电流。 f
.17) 劣化:由于电涌、使用或不利环境的影响而引起原始性能参数的变化。其中MOV型SPD表现为漏电流变大,当漏流大到一定程度可能引起器件发热(有热脱扣装置的器件能脱扣保护)。 (18)响应时间:SPD两端施加的压敏电压到SPD箝位电压的时间(注:如6所说明的MOV从压敏电压到箝位电压的时间约为100ns)。
.19)(插入损耗:在特定频率下,连接到给定电源系统的 SPD插入损耗定义为:电源上紧靠SPD接入点之后,在被试SPD接入前后的电压比,结果用dB表示。
.20) 热稳定性:当进行操作规定试验引起SPD温度上升后,对SPD两端施加最大持续工作电压,在指定环境温度下,在一定时间内,如果SPD温度逐渐下降,则说明SPD具有良好的稳定性。
.21) 外壳保护能力(IP代码):设备外壳提供的防止与内部带电危险部分接触及外部固体物体和水进入内部的能力。(具体标准见IEC60529)
.22) 过电流保护装置:安装在SPD外部的一种防止当SPD不能阻断工频短路电流而引起发热和损坏的过电流保护装置(如熔丝、断路器)。
.23) 漏流保护装置(RCD):一种当漏电流或不平衡电流达到一定值时便断开电路接点的机械开关或组件,又称剩余电流保护器。
.24) SPD最大承受能量Emax:SPD未退化时能承受的最大能量,又称SPD的耐冲击能量。 .25) SPD的脱离器:把SPD从电源系统断开所需的装置(内部的和 / 或外部的) 。
.26) 冲击试验及分类
a) ?类试验:对样品进行额定放电电流I,1.2,50μs冲击电压,最大冲击电流I的试验 . nimp
b) ?类试验:对样品进行额定放电电流I,1.2,50μs冲击电压和最大放电电流I试验 . nmax
,50μs冲击电压,短路时施加8,20μs冲击电流) b) ? 类试验:对样品进行混合波(开路施加1(2
的试验。
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3.4 SPD在低压系统中的选择
3.4.1(在低压供(配)电系统装置中的各种设备耐冲击过电压额定值。
1)在低压供(配)电系统装置中的设备均应具有一定的耐受浪涌能力(耐冲击过电压能力,不同于暂态过电压和连续过电压——注)。当无法获得220/380V三相系统各种设备的耐冲击过电压值时,可按IEC60664-1的给定指标选用。见表1
表1 220/380V三相系统各种设备耐冲击过电压额定值
配电线路和最后特殊需要保护的
设备的位置 电源处的设备 用电设备
分支线路的设备 设备
耐冲击过
?类 ?类 ?类 ?类
电压类别
耐冲击电压额定
6 4 2.5 1.5/ 0.5
值(kV)
注:?类——需要将瞬态过电压限制到特定水平的设备;
?类——如家用电器、手提工具和类似负荷;
?类——如配电盘、断路器、布线系统(包括电缆、母线、分线盒、开关、插座),应用于工业的设备和一
些其他设备(例如永久接至固定装置的固定安装的电动机);
?类——如电气计量仪表、一次线过流保护设备、波纹控制设备。
在IEC60364-4-443中也将建筑物电气装置的电气设备按其所在装置内的位置划分为4类耐雷电或投切过电压的区域。鉴于集成化程度很高的电子设备是通过微电位和小电流进行工作的,其元件的耐冲击能量很低,因此从一次性投资与效益(主要指该信息系统的运转停顿的风险)之比出发,可能需要设置耐冲击电压更低的安装位置类别,如将?类安装类别定为500V或耐冲击电压值更低,参看图4,在实际低压运行中雷电过电压常常大于6KV,因此必须考虑SPD的选择问题。
2)在IEC60364-4-443中提出低压电气装置设置防止雷电或投切过电压保护装置
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图4 各类安装位置电气设备示例
3.4.2是否需要安装SPD的考虑
需考虑的因素有:所在地区多年平均雷暴日数是否超过25天/年;供电线路使用裸线或电缆以及是否架空或埋地入户等。但在实际工作中不能仅使用25天/年这个指标,也不能仅用是否使用埋地电缆供电来决定是否选用SPD。正确的方法是进行风险
分析
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,其一为是否需要使用SPD,其二是需要使用多少级SPD,及SPD能量承受能力的分析。
关于用户是否应使用SPD,可参考如下参数进行综合考虑:
a) 环境参数
2i) Ng :建筑物所处地区雷击大地的年平均密度(次/km.年)
环境系数的分析应考虑到直击雷对建筑物闪击造成的电阻耦合和电感耦合,也应考虑到闪击到输电线路或通讯线路上的影响。
风险分析要考虑到直接雷击和间接雷击的各种能量,雷电流可能通过外部防雷装置(LPS),电线(缆),通讯线,以及各种金属管线的侵入。
光纤电缆如果没有金属外护层或金属加强芯,一般情况下不会带来雷电波侵入。
ii) 要充分考虑所在配电系统的投切(操作)过电压产生的频次和严重程度。
iii) 当一建筑物受到雷击时,除LPS系统接闪引下过程中产生电磁耦合,可至使设备损害外。进入地中的雷电流在接地装置和远处大地之间产生一个数百kV量级的电压,即地电位升。此电压值取决于接地电阻。这是部分雷电流流入建筑物并引至远处大地的导体(如电缆)的原因。
iv) 建筑物和设备的位置
——地形
——邻近高大建筑物和森林
与山谷和低矮地区相比,位于高山或山地顶部的设备更易遭受雷击,高塔架上的设备也是这样。一些位于低处的设备会因邻近更高物的保护遭受直击雷次数较少,但不能解决雷电流通过金属线缆引入的危险。
b) 设备和器材
i) 设备耐冲击类型和抗冲击等级
设备的耐各种冲击的能力应由设备制造商提供,一般来说耐受能力越低则雷击风险越高。通常在不
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了解(或厂商未提供有关资料)设备耐受能力时,可以按设备内部无耐冲击能力进行防电涌设计。
正确的防护
方案
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是:在建筑物入口处将最大的电涌能量分流使进入设备的电涌降到最低程度。 ii) 接地系统
——接地电阻和阻抗
——不同接地系统的间距
——不同接地系统的连接
在应用SPD中最重要的一点是在SPD接地端的接地和等电位连接。
iii) 供电系统的设计
——架空电力线
——埋地电力线缆
——兼有架空和埋地的电力线缆
虽然埋地电力线缆雷击概率较架空电力线更低,但仍有因埋地电缆附近遭受雷电直接闪击而产生的过电压,对于高阻值土壤电阻率的地区更是这样。
在兼有架空和埋地电力线缆的防雷设计中,设计者要进一步进行精确的计算。一般来说,架空线路很长和架设高度较高的线路,风险较大。
c)经济损失和业务中断
i) 业务量下降或业务损失
因雷电灾害损坏设备至使业务工作运转困难或中断造成的损失。如工业自动化控制系统或计算机处理系统,在故障的短时间内改为人工操作是不可能的。
ii) 经营损失
由于计算机、通讯设备等信息系统在瞬态过电压影响下无法使用会造成商业的营运和工业生产的停顿的直接损失。
iii) 设备更换、修理的损失
d) 安全
如果存在着绝缘击穿危及人身安全,那么有必要选用SPD。
e) 防护所需费用
含:设计费、材料费和安装费用。
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3.4.3 选择SPD的基本原则
在低压系统中确定使用SPD后。便是如何选择SPD这个问题了。选用SPD是一系统工程,其基本原则应包含:防护分区、利用分流、划分等级、区分系统和分别安装,简称“五分法”,介绍如下。 3.4.3.1防护分区:
前面,已有对雷电防护区(LPZ)的概念和实际意义的说明,其作用之一是便于确定在不同的LPZ交界处SPD的安装位置和估算SPD的不同性能指标。其中在LPZ0与LPZ1区交界处因冲击电流幅值较大(200,100kA),持续时间较长(T为350μs),因而要求SPD具有较大的通流能量和最大承受能量(Emax)2
值,所以应选用开关型SPD,但由于开关型SPD的弱项是响应时间较长和大多带有续流和残压较大等,因此从能量配合角度出发需要在LPZ1和LPZ2区交界处选用SPD,在敏感电子设备前端选用SPD„„23SPDn等,其安装位置也就是等电位连接位置基本都在各雷电防护区的交界处,如LPZ2与LPZ3区交界处。
在一多层建筑物中,LPZ的划分与SPD的安装位置可参见图5。
SPD:电涌保护器
PZ:保护区
LPZ:雷电防护区
图5
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3.4.3 .2)利用分流:
进入建筑物的各种设施之间雷电流的分配见图6。
在图6示意说明了通过低压配电线路进入建筑物的雷电流仅为全部雷电流的17%,在相线和中性线上各为4.3%。假定该建筑物为第一类防雷建筑物,那么在每一相线或中性线上安装的SPD的放电参数Iimp(最大冲击电流)达到200KA×4.3%=8.6kA(10/350μs),用20 kA(10/350μs)的SPD即能满足要求。在IEC标准中设定50%的电流通过外部防雷装置泄入地中,余下的50%称In,它平均在实际工作中,不可能计算每次雷击电流的分配,但可以设定有50%的电流通过外部防雷装置泄入地中。余下的50%,称I,S它平均分配于进入建筑物的各种设施(外来导电物、电力线和通信线等),流入每一设施中的电流I=I/n,iS此处n为上述设施的个数。为估算流经无屏蔽电缆芯线的电流I,电缆电流I要除以芯线数m,即I = I/m。ViVi所以,在防雷工程设计时需认真计算分流系数,充分利用分流这一理论,做到在尽可能节约的情况下达到安全防护的目的。
环型接地
49% 闪击建筑物电流I 墙 (100%)
入地
雷电流分量 17% 17% 金属水管 ?
? ? ? 等电位连接带
金属管(燃气管) SPD
? ? SPD
和数为17%
相线 中性线
图 6 雷击中建筑物外部设施时的电流分布
.3划分等级:
在IEC61312-1中给出了首次雷击的雷电流参量,首次以后雷击的雷电流参量(后续雷击)和长时间
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雷击的雷电流参量。(参见培训班教材之一的表1,表3)此表中防雷建筑物类别是由建筑物的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果等综合因素考虑而确定的,是在防雷绝对保护与耗费之间取得折衷方案。简单的说:就是对易发生雷电事故,且事故后果严重的重要建筑物在防雷设计中取较大的雷电流参数(如200KA10/350μs)。但是这种分类并未考虑到建筑物内部电子设备的复杂性和设备的耐受冲击电流的能力(抗扰性),也未考虑到雷击通过电磁场干扰的屏蔽效力等因子。但是,在目前国内外尚无一比较系统的风险估算方式可以为我们提供一定量计算的方法时,利用GB50057-94建筑物防雷分类并与其它因子相结合,可模糊的选用雷电流参数。至于设计裕度的大小要考虑被保护设备以往的雷击事故历史,也要从一次性投资的经费宽裕程度考虑,
3.4.3.4)区分系统(指供电系统):
区分系统是指SPD的选择和安装要区分开是在IT还是TT或TN系统。
在选择220/380V三相系统中的电涌保护器时,其接线端的最大连续工作电压U不应小于下列规定。 ca) 按图7接线的TT系统中,U不应小于1.55U。(SPD接在剩余电流保护器的负载侧) co
1——装置的电源; 5——电涌保护器的接地连接,5a或
2——配电盘; 6——需要保护的设备;
3——总接地端或总接地连接带; 7——剩余电流保护器;
4——电涌保护器(SPD); F——电涌保护器制造商指定的保护器(如熔
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丝、断路器、剩余电流保护R——本装置的接地电阻; A
器); R——供电系统的接地电阻; B
图7 TT系统中电涌保护器安装在剩余电流保护器的负荷侧 3.4.3.4b) 按图8和图9接线的TN和TT系统( SPD接在剩余电流保护器的电源侧)中,U不应小于1.15U。 co
1——装置的电源; 6——需要保护的设备;
2——配电盘; F——电涌保护器制造商指定的保护器(如3——总接地端或总接地连接带; 熔丝、断路器、剩余电流保护器); 4——电涌保护器(SPD); R——本装置的接地电阻; A
5——电涌保护器的接地连接,5a或5b; R——供电系统的接地电阻;B
图8 TN系统中的电涌保护器
注:当采用TN-C-S或TN-S系统时,在N与PE线连接处电涌保护器用三个,在其以 后N与PE线分开处安装电涌保护器时用四个(即在N与PE线间增加一个)。
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1——装置的电源; 6——需要保护的设备; 27——配电盘; ——剩余电流保护器,可位于母线的上方或3——总接地端或总接地连接带; 下方;
4——电涌保护器(SPD); F——电涌保护器制造商指定的保护器(如熔4a——放电间隙或电涌保护器,它们应能承受丝、断路器、剩余电流保护器);
电源变压器高压侧碰外壳短路产生的过电压; R——本装置的接地电阻; A
5R——供电系统的接地电阻; ——电涌保护器的接地连接,5a或5b; B
图9 TT系统中电涌保护器安装在剩余电流保护器的电源侧
c)按图10接线的IT系统中U不应小于1.15U 。 c
注:U是低压系统相线对相线的电压,在220/380V三相系统中,U=380V。
开路或接
1——装置的电源;
7——剩余电流保护器; 2——配电盘;
F——电涌保护器制造商指定的保3——总接地端或总接地连接带;
护器(如熔丝、断路器、剩余4——电涌保护器(SPD);
电流保护器); 5——电涌保护器的接地连接,5a或b;
R——本装置的接地电阻; 6——需要保护的设备;A
R——供电系统的接地电阻; B
图10 IT系统中电涌保护器安装在剩余电流保护器的负荷侧
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3.4.3.5)不同特性SPD的区别安装:
在本文参数定义和SPD的分类中,我们已介绍了组成SPD的非线性元件可按其特性分为开关型和箝压型两大类,也可串、并联组成混合型,它们主要有放电间隙、气体放电管和可控硅整流器及压敏电阻雪崩二极管等,常用符号参见图11。
各种SPD在浪涌(8/20μs)下的响应曲线,见图12。
从图12中可以看出开关型与箝压型SPD具有不同的箝位电压和响应曲线,利用混合型采用不同元件和串(并)联方式又能取得新的参数。
雪崩二极管 压敏电阻 放电间隙 可控整流器
气体放电管 ?
?
并联混合型 串联混合型
开关型SPD浪涌电压
图11
混合型
OUT IN
图12 各种SPD在浪涌(8/20μs)下响应曲线
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关于不同冲击波形下,SPD的Q值。
在IEC61024-1-2中指出:要处理脉冲为10/350μs的电荷量,相当于8/20μs脉冲情况下电荷量的20倍,即:
Q(10/350μs)=20×Q(8/20μs):
上式可用图13示意看出,其中脉冲电流曲线包络下的面积即Q值。
图13
从计算公式也可以推导出,在电流幅值相同情况下,不同波形下Q的比值应为:
Q(10/350μs)=1/0.7×I×T 2
Q(8/20μs)=1/0.7×I×T2
式中I值相同,T不同,10/350μs的T为350μs,8/20μs的T为20μs,分别代入222式中,其比值为;
Q(10/350μs)/Q(8/20μs) =17.5?20
350 1/0.7×I×T2 = 20 1/0.7×I×T2
即要处理10/350μs的首次雷击电流,如选用?类试验(8/20μs波形)的SPD,其额定泄放电流应比铭牌上标出的数值大20倍。
在IEC61643-2中特别指出,雷电冲击电流有二个关健性的参数:
,雷电流幅值上升速度快,陡度大 ?di
dt
?持续时间,一般用T表示,如T=350μs时,对?类防雷建筑物I=100KA, 22
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Qs=?idt约为50C。
因此,在不同的位置,对不同的设备分别安装SPD是一重要原则。
3.4.4.常规安装要求
SPD在低压系统中的选择,安装位置及其所提供的保护可用图14表示。
1 保护模式 尽可能安装在建筑物入口处
2 振荡现象 安装应靠近被保护设备
3 连接导线的长度 SPD的连接线尽可能短和直
物入口处
在入口处安装一个SPD1后,第二 4 附加保护的需要 个 SPD2应靠近设备安装
安装
?、?、类试验的SPD可用于入口物入口处 5 SPD的安装位置取决 处,?、?类试验的SPD可用于安 于试验类型 装在靠近设备处 6 雷电防护区的概念 SPD安装在雷电防护区(LPZ)的 交界处 物入口处
图14 SPD的安装位置及其所提供的保护 处
对于固定式SPD,常规安装应遵循下述步骤: 1)确定放电电流路径
2)缩短在设备终端引起的额外电压降的导线,见图15(1)和15(2)。
说明:在图15中, U是?、?类SPD的残压或更一般地说是限制电压。 res
3)为避免不必要的感应回路,应缩短每一设备的接地 PE导体,图15(3)、15(4)和
16。
说明:如果不可能进行单一接地则需要两个SPD(如图15(4)所示)。
4)设备与SPD之间建立等电位连接。 5)要进行多级SPD的能量协调 说明:——为了限制安装后的保护部分和不受保护的设备部分之间感应耦合,需进行一 定测量。通过感应源与被感应电路的分离、回路角度的选择和闭合回路区域的限制能降低互 感,见图15。
17
——当载流分量导线是闭合回路的一部分时,由于此导线接近电路而使回路和感应电
压而减少。见图16(c)。
—— 一般来说,将被保护导线和没被保护的导线分开比较好,而且,应该与接地线
分开。同时,为了避免动力电缆和通信电缆之间的瞬态正交耦合,应该进行必要
的测量。
——与防护距离有关的振荡效应:
“当 SPD用来保护设备或安装在输入口配电盘上却不能对某些设备提供足够的保护1
时, SPD的安装位置应该尽可能地靠近被保护的设备。如果距离太远,可能会在终端设备2
上产生2倍于 U甚至更高的振荡电压,尽管对设备使用了 SPD保护,但这个振荡电压仍p
会使设备损坏。见图17)。合理的距离(又称防护距离)与 SPD类型、系统类型、进入的浪涌源的陡度和波形及相连的负载有关。特别是在设备相当于高阻负载或设备内部发生脱离,可能出现电压倍增。”
为了解释此现象,图18给出了这类情况下出现电压倍增的一个例子。
要使回路尽量小
(a) 合格方式 (b)若U和U和足够小合格 W1W2
(d) (d)合格方式 (c)合格方式 和 图15 单口SPD的安装
18
较好的方法 合格但不够好的方法
(a) 设备
大回路区di/dt产生的d
φ/dt 较大
较好的方法 (b) 设备
小回路产生的dφ/dt
较小
最好的方法 设备 (c)
电缆的外护层与芯线 使dφ/dt ?0
合格 (d)
上游 下游
负载
(e)
不合格的方法 负载
电感耦合
图16 安装合格或不合格的例示
19
物理图解 电气设计图
U 若干米(,10m) U'=k?U [ L r ] L r 浪涌 浪涌 S S P P 被保护设备 D D [C] C
由r决定的L与C之间的振荡,
使设备终端U',kU k值取决于各种参数,在设备为 高阻时k,2
图17 SPD与被保护设备之间可能出现的振荡
------------------------------------------------------------------------------------------------
设备终端电压
SPD终端电压(残压)
冲击电源 5kA(8/20 10m导线 μs)
SPD(MOV) 电容:5μF
起负载作用
图18 电压倍增图示
20
一般认为距离小于10米时不会产生振荡,图18说明即使距离为10米,也有可能产生电压倍增,但只有负载为纯电容时才有可能发生。有时设备有内部保护元件(如压敏电阻),即使距离较远,振荡也会显著减少。此时应注意SPD与设备内部保护元件的协调。
说明:一般来说,仅在靠近被保护设备处安装一个 SPD是不够的。由于电磁兼容原因(为避免浪涌电压产生的电磁干扰,最好在入口处进行分流)和为了对设备进行保护(避免导线之间的闪络),最好在设备的入口处安装 SPD。如果设备不在入口处安装的 SPD的保护范围内,有必要在靠近设备处另行安装一个SPD,此时也应考虑其协调性。
说明:这种现象可以通过由与浪涌频率和导线长度相关的振荡和行波来解释。
—— 连接线长度的影响
为获得最佳过压保护应使SPD的连接导线尽可能短。如导线太长将引起SPD电压降,为提供有效的保护有必要降低安装于此的 SPD的保护等级。转移至设备的残压为由 SPD上和导线上感应电压的总和。这两种电压不一定同时达到峰值。出于实用的目的,一般情况下,它们可以相加。图19说明连接线的感应如何导致SPD残压的增加。
图19 b)表示脉冲发生器先加在金属氧化物压敏电阻然后通过几米连接导线后的结果。
尽可能避免的方式 建议使用的方式
和l对应导线长度l12
的电感 b]
A、B两点的电压为SPD 的终端电压(残压)与由
于导线l、l产生电压降12
之和
SPD的终端电压
合格的设计 冲击电流
图19 与SPD连接导线对SPD的影响
21
一般假设导线感抗为1μH,m。当脉冲陡度为1kA,μs,导线上感应电压降接近1kV,m,而且,如果 di,dt陡度更大时,感应电压值将增加。在可能情况下,当这种感抗的影响被认为是由于环路的分离而显著减小时,最好选用方案c);当方案c)不能采用时,则采用方案d),尽可能避免采用方案a)。
注意:如果回流线与进线是通过紧凑接线方式磁耦合,感抗将减小。
需要附加保护之处:
当建筑物进线处浪涌电压较低时,在靠近进线处安装一个SPD便行。但在某些特殊情况下,例如安装了非常敏感的设备(电子设备,计算机)或这些需要保护的设备离安装在入口处的 SPD太远、在建筑物内由于雷电放电和内部干扰源而产生电磁场时,有必要在靠近被保护设备处或设备内部安装附加的SPD。电源系统和信号网络线
进入防护区时,应彼此靠近并连接在同一金属物上,实现等电位连接,这一点对由非屏蔽金属(如木材、砖混结构)建筑物尤为重要。
要考虑系统中多数被保护的电子敏感设备的耐压水平。对安装在设备最近处的 SPD,必须使其U值至少低于设备耐压值的20,。假定安装在进线处的SPD在保护范围内,如P
果进线处的 SPD的 U乘以一个过压因子后低于U,那么,只能使用进线处的SPD。(见PlP2
图20)
图20需要符合设备情况
说明:用户应注意设备的抗扰性可按IEC6l000-4-5标准,用混合波发生器进行试验得出。在这种情况下,低阻抗设备的抗扰性不只是根据耐压U来定义,且部分浪涌电流通过W
设备分流,需设计一合理的协调。
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在建筑物内部当可能出现一些高能量的开关浪涌(投切过电压)时,此时需安装附加
SPD
3.4.5 SPD应具备的功能和附加要求
3.4.5.1SPD的基本功能
对于正常工作状态下的低压系统,安装后的SPD不应对系统和系统装置内的设备工作特性有明显的影响。
对于出现浪涌等非正常工作状态的低压系统,SPD应及时对浪涌作出反应,通过SPD能限制瞬态过电压和分走电涌电流的特性,将过电压降到IEC60664-1规定的各类别位置设备耐冲击过电压额定值以下。
对于经历了非正常状态的低压系统,即经过浪涌后恢复正常状态的SPD,应恢复其高阻抗特性,并采取
措施
《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施
防止或抑制电力线上的续流。
3.4.5.2(使用SPD的附加要求
1) 对直接接触进行保护。 SPD应以这种方式安装:安装在不可接触的范围内或对直接接触采取保护(如安置隔离罩等)。
2) 发生 SPD失效事件的安全性。当浪涌电压超过设计的最大承受能力和放电电流容量时, SPD可能会失效或被损坏。 SPD的失效模式大致分为开路和短路两种方式。
处于开路模式时,被保护设备将不再受保护。这时,因为对系统本身几乎不会产生影响,很难发现 SPD己失效。为了保证在下一浪涌到来之前,能将失效的SPD替换掉,必须要求SPD具备指示失效的功能。
处于短路模式时,系统出于 SPD的失效而受到严重影响。短路电流由配电系统流向失效的 SPD。因为失效的 SPD通常并未完全短路且有一定阻抗,在开路前将产生热能引起燃烧。在这种情况下,被保护系统没有合适的器件使其与失效的SPD发生脱离,对于短路失效模式的SPD要求安装一个合适的脱离装置(断路器或熔断器)。
3)(SPD的选择步骤:一般来说,SPD的选择有如下六个步骤:
U,U CCS1 选择Uc、U及最大浪涌能力 TU,U TTOV
2 保护距离 SPD的安装位置
3 SPD寿命和失效模式
4 SPD与其它外部设备的关系
SPD与防过电流装置间的配合 正常 故障 状态 状态
在In,防过电流设备不动
作; IC不会涉及到SPD不干扰其在Imax,防过电流设备动人身安全,不会它器件或线路作,且不会产生任何损伤; 对设备产生故开关 障
考虑被保护设备的承受浪涌能力和配5电压保护水平UP的选择 电系统的额定电压 23
6考虑SPD之间的能量配合
说明如下:
A:Uc、UT和Ic
关于Uc在不同供电系统中的取值已在本文中说明。U是SPD能承受的短时过电压值,T
在理论上是一直线。但在实际中常因一些值(电源频率、直流过压)可能随时间变化,使得在一定的时间间隔内(一般在0.05秒到10秒间),会超过最大连续工作电压Uc,因此选用U值应考虑大于U。但事实上,要求一个SPD既要有较高的耐短时过电压能力同时又能TTOV
提供低保护等级不可能的,只有比较而舍取,或采用多级保护。
当外加连续工作电压Uc时,通过SPD的最大连续工作电流值为Ic。为避免过电流保护设备或其它保护设备(如RCD)不必要动作,Ic值的选择非常有用。Ic的选择可参看“五分法”的利用分流来确定。
B(保护距离
主要指SPD的安装位置。一般SPD应安装在低压供电系统在建筑物的入口处多指在变压器的低压侧(特别说明:在公共配电系统中安装SPD必须取得公共配电系统管理部门如供电局的批准)的配电盘上。当配电盘与用电设备距离较远或用电设备需要多重保护时,SPD、SPD应尽可能的靠近被保护设备并在防雷区交界处做等电位连接。 23
C(SPD的寿命和失效模式
SPD的寿命是指其在使用期限内耐受规定的冲击能力。由于浪涌类型及浪涌出现的频率不同,SPD的寿命可以很长也可以很短。事实上,如果一个最大放电电流I为20KA(8max,20μs)的 SPD,在安装几秒钟后便遭受了一个30KA(8,20μs)的雷击电流,这个SPD可能会损坏!这种情况下,SPD的实际使用寿命只有几秒钟!这种极端的情况说明预期寿命只可能是通过标准化测试得到的,而由厂家提供的预期使用寿命没有任何保证。
唯一可能的途径是进行寿命长短的比较。在先前的例子中,两个最大放电电流分别为10KA和20KA(8,20μs)的SPD在几秒钟后都将会损坏,但一般来说,第二个SPD的寿命应该比第一个SPD的寿命长。
一般应选择在标准老化试验条件下,测试SPD是否老化,而选用未老化的 SPD。另外还需考虑 U、预计的雷击浪涌及与其它 SPD的协调,这样即使在 SPD失效时也能保证TOV
安全。
失效模式取决于浪涌类型。很容易选择到失效时开路(直接地或通过脱离装置)的 SPD,而选择一个失效时短路的 SPD却很困难。无论采用何种类型,为避免发生供电电源扰动或中断,必须考虑 SPD与上游备用防护装置之间的配合。一般在SPD前串接的断路器(或熔断器)负荷电流的容量应小于上级供电电路的断路器(或熔断器)——1.6倍。
D(SPD与其它外部设备的关系
SPD与防过电流装置间的配合应达到在额定放电电流In下,过电流设备不动作(断路器未断开或熔丝未融化)。但当电流很大时如Imax时,过流保护设备必须动作。对有复位功能的过电流保护设备(如断熔器),在发生浪涌之后应能立即恢复正常状态。在这种情况下,
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在过流保护设备的响应时间内,所有浪涌将流过SPD。因此,SPD应有足够的能量承受力。由于这种现象引起的损坏不应认为 SPD己失效,因为此时设备仍被保护。如果用户不允许供电中断,则应该使用特殊配置或使用特殊过流保护设备。(说明:如使用开关型的 SPD发生火花放电,其工作性能将降低,除非开关类型 SPD为自熄式,否则较大的残压和续流对设备会产生不利影响,这就有更必要与SPD入口处的过流保护系统协调。)
在正常状态下SPD的Ic(漏电流)应不会造成对任何人身安全危害(非直接接触)或设备故障(如RCD)。一般情况下对RCD,Ic应小于额定残压电流值(IΔn)的1/3。如果SPD安装在RCD(或熔断器、断路器)的负荷侧,则不能对由于浪涌引起的障碍跳闸,无意识动作或设备损坏提供任何保护。(?)
E(电压保护水平的选择
在选择 SPD的最佳电压保护水平时,应考虑被保护设备的浪涌承受力和系统的额定电压。电压保护水平值越低,则保护性能越好。主要受到U,U、SPD的退化和与其它SPDCT
的协调等因素的限制。
说明:电压保护水平与?类试验规定的I、?类试验规定的I相关。?类试验中电压peakn
保护水平由混合波试验(Uoc)来定义。
F(被选择的SPD与其它SPD间的协调关系
F(1(综述
如上所述,为了使被保护设备承受的浪涌减少至设备可接受的值(较低的保护水平), 有时需要安装两个(甚至更多)的SPD。 为了获得两个(或更多的)SPD共同耐受电涌冲击值,需要根据它们的各自耐受电涌冲击值及其它特征进行协调,可参见图23。
开路
被保护设备
图23 使用2个SPD的典型 25
两个SPD间的阻抗Z(一般为电感)可以是一个物理器件或代表一定长度线的分布电感(一般为1μH,m),当Z为一个实际阻抗时(物理器件),导线的电感因与阻抗Z相比较小可忽略。图23中Z代表了上述两种情况。事实上,由SPD至汇流排(等电位连接带)的电流回路也存在一定阻抗且存在的可能很大。当两个 SPD间未插入一特定阻抗时(物理器件),两SPD之间距离意味着两个SPD间增加了回路长度。
F(2(协调问题
协调问题可简单的规纳为要解决以下问题:假设有一个浪涌电流i进入时,电流i中哪部分将流过SPD、又有哪一部分将流过SPD,另外,这两个SPD能否耐受这个浪涌电流? l2
为了更好地解决这些问题,图25给出了由一个电感器进行隔离两个氧化锌压敏电阻之间协调的典型例子,SPD的 U值较低,由于电感影响,浪涌波头的绝大部分电流将流过 2P
SPD。在一定的时间内流过 SPD的电流将逐渐增加,这个时间决定于电感及 SPD的特122性,依靠这种方法,总电流中越来越大一部分将流过SPD。 2
图25氧化锌压敏电阻间的协调 26
如果两个 SPD之间的距离和两者之间的传播时间(由浪涌持续时间决定)较短促,电感器影响可忽略不计,SPD则可能过载。 2
较好的协调可以通过选择SPD使i降到合理的(可接受的)值、并通过SPD之间的阻抗2
使 SPD之间进行较好的协调,这种方法自然将使SPD的残压降至期望值。 2
应该避免采取下述协调方法:
——对SPD进行超裕度的设计 2
——如果i过大,则由于 EMC扰动将对建筑物内其它设备干扰,只考虑电流值处理协2
调问题还不够,还有必要根据能量进行协调。
为了确保两个SPD之间很好地协调,必须满足以下需要,称为能量法则。如下:
当出现的浪涌小于SPD最大承受能力(Emax1)时,由 SPD12 耗散的能量应小于或等于SPD的最大承受能量(Emax2)。 2
最大承受能量(E)定义为 SPD未退化时能承受的最大能量。E可由试验结果得出: maxmax
I类试验电流为I、?类试验电流为I时,在加工作负载试验中所测量到的能量, impmax
或通过厂家提供的数据如 I(II类试验)或I(I类试验),U(I)或U(I)等获maxpeakresmaxrespeak
得E的值。 max
说明:应该强调:两个协调好的SPD的最大能量承受能力至少应等于两个SPD中最低
的能量承受力。当只使用了一个SPD,但随后又需连接一个新的SPD,必须保证
得到了恰当的协调。
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