建筑物低壓配電統(tǒng)電涌保護(hù)器能量配合分析

1、建筑物低壓配電系統(tǒng)電涌保護(hù)器能量配合分析- 建筑論文建筑物低壓配電系統(tǒng)電涌保護(hù)器能量配合分析林 世祺 LINShi-qi；鄭 鍵雄ZHENGJian-xiong；羅志勇 LUOZhi-yong ；謝寶永 XIEBao-yong（中山市氣象局，中山528401 ）（ZhongshanBureauofMeteorology，Zhongshan528401，China ）摘要：低壓配電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)電涌保護(hù)器（SurgeProtectiveDevice，縮寫成 SPD）之間有效的配合，確保發(fā)生雷擊瞬間各級 SPD 依次按級啟動(dòng)，從而保護(hù)設(shè)備免遭雷電損壞，需要對 SPD 各種能量配合方案進(jìn)行分析，選擇更

2、優(yōu)的解決方案。本文通過行波理論分析 SPD 前后級的關(guān)系，提出各級電源 SPD 與被保護(hù)設(shè)備能量配合基本原則和方法，對實(shí)際工程問題具有重要指導(dǎo)意義。Abstract:Inlow-voltagepowerdistributionsystem,inorderrealizetheeffectivecoordinationofSurgeProtectiveDevice(SPD)andensurethatSPDatalllevelssuccessivelystartbygradeinthelightninginstantaneous,soastoprotectequipmentfromlightning

3、damage,itisnecessarytoanalyzedifferentSPDenergycooperationsolutionsandchooseabettersolution.Basedonthetravelingwavetheory,thispaperanalyzestherelationshipbetweenthebeforeandafterleveloftheSPD,proposesthebasicprincipleandmethodofenergycooperationbetweenalllevelsofSPDpowerandprotectedequipment,whichha

4、simportantguidingsignificancetotheactualengineeringproblems.關(guān)鍵詞：低壓配電系統(tǒng)；電涌保護(hù)器；行波理論；能量配合Keywords:low-voltagepowerdistributionsystem；SurgeProtectiveDevice； travelingwavetheory； energycooperation中圖分類號： TM862文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1006-4311 （2015 ） 21-0144-030 引言最近幾年， SPD 的級間配合問題越來越受到國內(nèi)工程人員高度重視，有些規(guī)范中提出了級間配合問題，但對

5、指導(dǎo)實(shí)際工程解決級間配合問題缺乏可操作的方法。本文根據(jù)理論計(jì)算并結(jié)合實(shí)際情況，對低壓配電系統(tǒng)內(nèi)的SPD 級間以及與被保護(hù)設(shè)備配合問題進(jìn)行分析，提出一個(gè)可行的SPD 能量配合方案，希望更好地處理 SPD 能量配合問題。1SPD 級間的行波理論分析低壓配電系統(tǒng)過電壓防護(hù)，通常采用多級SPD 加以保護(hù)，一般第一級采用電壓開關(guān)型 SPD，以泄放大的雷電流；第二級采用限壓型SPD，目的是使電壓保護(hù)水平小于被保護(hù)設(shè)備的絕緣耐沖擊電壓額定值。在這種情況下，就會(huì)出現(xiàn)前后級保護(hù)的配合問題，因此我們可用行波理論來分析一下SPD 前后級的關(guān)系。雷電發(fā)生瞬間，雷電波沿著電力電纜侵入，首先到達(dá)電壓開關(guān)型SPD，由于電壓

6、開關(guān)型 SPD 內(nèi)放電間隙有響應(yīng)時(shí)延，約為100ns ，限壓型 SPD 內(nèi)限壓元件的響應(yīng)時(shí)間較快，一般為25ns 。因此我們應(yīng)該保證在侵入波到達(dá)限壓元件之前讓放電間隙動(dòng)作，或者前后限壓型SPD 依次按級啟動(dòng)。下面我們用行波理論來分析一下前后級的關(guān)系。從資料了解到波在電纜中的傳播速度為V=1.5 × 108m/s，限壓元件的響應(yīng)時(shí)間 T 小于等于 25ns ，放電間隙的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間T 為 100ns 。那么，波在這個(gè)時(shí)間差（ 100 25 ）ns 內(nèi)向前行進(jìn)的距離S 為：S=V × T= （ 1.5 × 108m/s）×100-25（ ）× 10

7、-9s ） =11.25m從計(jì)算結(jié)果可知，如果SPD1 元件和 SPD2 元件之間的距離（電纜）大于11.25m ，就能夠保證在到達(dá)后級SPD2 之前讓 SPD1 先動(dòng)作，從而達(dá)到將強(qiáng)的雷電流先泄放入地的目的?？紤]到防雷元件性能差異造成實(shí)際響應(yīng)時(shí)間的誤差，一般情況下應(yīng)將開關(guān)型SPD 與限壓型SPD 之間的距離考慮得更長一些，選用 15m 是較合適的。同理，如果前后級均為限壓型SPD，響應(yīng)時(shí)間均為30ns ，但考慮到其實(shí)際響應(yīng)時(shí)間的誤差，那么為了保證前級先動(dòng)作，則兩級保護(hù)間的距離應(yīng)該為：S=V × T= （ 1.5 × 108m/s）×（30-9s×）10

8、=4.5m考慮到其實(shí)際響應(yīng)時(shí)間的誤差，選用5m 是合適的。在實(shí)際的工程中，有時(shí)很難保證開關(guān)型SPD 和限壓型 SPD 之間的距離（電纜）大于15m ，因此，我們通常采用集中電感來等效這個(gè)距離2 。一般情況下，導(dǎo)線的 L0 約為 1.6 × 10-6H/m ，為了等效 15m 和 5m 長導(dǎo)線分布參數(shù)的電感量，則集中電感分別為：L15=L0 × S=1.6 ×- 6H/m10 × 15m=24 HL5=L0 × S=1.6 ×- 6H/m10 × 5m=8 H計(jì)算可知，我們可以分別用電感量為24 H 和 8H 的集中電感來等效

9、15m和 5m 長的導(dǎo)線。2SPD 與被保護(hù)設(shè)備的能量配合基本原則低壓配電系統(tǒng)中，通常SPD 安裝在各防雷區(qū)交界處及被保護(hù)設(shè)備處，其允許的電壓保護(hù)水平UP 和殘壓值必須滿足被保護(hù)設(shè)備絕緣水平和抗沖擊性的要求。特別是信息系統(tǒng)設(shè)備時(shí)，可能需要裝設(shè)多級SPD 以逐級削減雷電瞬態(tài)過電壓能量，直到滿足保護(hù)設(shè)備的安全性要求。SPD 能量配合的一般原則是SPD電壓保護(hù)水平必須小于如下被保護(hù)設(shè)備絕緣耐沖擊電壓額定值。（表1 ）3 電涌保護(hù)器的能量配合方法3.1 基于靜態(tài)伏安特性的配合（圖1 ）該配合方法是SPD 之間除了線路外不附加任何退耦元件，其能量的配合可用它們的靜態(tài)伏安特性來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)SPD 間有足夠的線

10、路距離時(shí)，利用線路的自然電感的阻滯作用，可使后級SPD 的電流較前級SPD 小，實(shí)現(xiàn) SPD 級間能量配合。根據(jù)上面行波理論分析，只要電壓開關(guān)型SPD 與限壓型 SPD 之間的線路長度不小于 15m ，限壓型 SPD 間的線路長度小于5m ，就可以利用兩級SPD 間的自然阻抗實(shí)現(xiàn)能量配合，保證多級SPD 不出現(xiàn)盲點(diǎn)。但是在實(shí)際施工中，往往建筑物比較小，SPD 間沒有足夠的線路距離。比如線路是電纜時(shí)，解決辦法是在施工時(shí)可以加長電纜線的長度，將加長的線盤繞成圈以減少空間（應(yīng)考慮圈與圈之間分布電容和絕緣水平）。3.2 利用線路分布阻抗或設(shè)退耦元件的配合在實(shí)際施工中，由于受場地限制，難于滿足安裝條件要

11、求，SPD 間沒有足夠距離時(shí)，可以利用線路的分布阻抗或設(shè)專用退耦元件（電阻元件主要用于信息系統(tǒng)中，電感元件主要用于電力系統(tǒng)中）來達(dá)到SPD 級間配合的目的。若采用電阻退耦，電流波前梯度是決定性參數(shù)，若采用電感退耦，必須考慮電流波形，即 di/dt 。電流波前梯度和電感量越大越容易實(shí)現(xiàn)能量配合。低壓配電系統(tǒng)中，可采用退耦元件來等效距離長度，電壓開關(guān)型SPD 與限壓型SPD 間串聯(lián)的退耦元件的電感量不小于24 H，限壓型 SPD 間串聯(lián)的退耦元件的電感量不小于 8 H 。3.3 采用觸發(fā)型 SPD 實(shí)現(xiàn)配合方法觸發(fā)型 SPD 的電子觸發(fā)電路能保證后續(xù)的SPD 不超過其能量耐受能力 ,可以用觸發(fā)型

12、SPD 達(dá)到配合。這個(gè)方法不需要退耦元件。4SPD 防護(hù)系統(tǒng)基本配合方案4.1 應(yīng)用這些方案時(shí)，應(yīng)充分考慮組件的能量容限及其分散性，也應(yīng)保證SPD 接線兩端足夠短直。4.2 方案 a、 b 屬于限壓型 SPD 的配合，具有連續(xù)的伏安特性。方案選用的各級 SPD 的殘壓 Ures 相同，級間無退耦元件或僅用線路阻抗來實(shí)現(xiàn)。方案選用的各級 SPD 的殘壓 Ures 呈臺階式，逐階級升高。4.3 方案 c 前級是開關(guān)型SPD 和限壓型SPD 之間的配合，后面是限壓型SPD 之間的配合。這種方案能快速減小沖擊電流，從而大大減小后續(xù)SPD 的“壓力”。4.4 方案 d 中多級聯(lián) SPD 組合成含有雙端口

13、模塊系統(tǒng)。雙端口SPD 模塊必須與系統(tǒng)中的其它SPD 按方案 a、方案 b 或方案 c 進(jìn)行充分配合。5 結(jié)束語5.1 本文根據(jù)行波理論計(jì)算，對建筑物低壓配電系統(tǒng)內(nèi)的SPD 級間以及與被保護(hù)設(shè)備配合問題進(jìn)行分析，提供上述a、b 、c、d 四種常見 SPD 能量配合方案供選擇，希望對處理SPD 能量配合實(shí)際問題具有指導(dǎo)意義。5.2 在實(shí)際的工程中，往往受場地限制，難以保證SPD 之間的距離符合規(guī)范要求，可以利用退耦元件來等效這個(gè)距離。5.3SPD 能量配合的一般原則是SPD 電壓保護(hù)水平必須小于被保護(hù)設(shè)備絕緣耐沖擊電壓要求，同時(shí)滿足被保護(hù)設(shè)備的抗擾水平要求。5.4 各種能量配合方案應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化選擇。5.5SPD系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)了配合，可以采用配合實(shí)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)模擬、仿真標(biāo)準(zhǔn)脈沖參數(shù)、用已證實(shí)廠家配合好的SPD 組合系統(tǒng)等方法加以驗(yàn)證。參考文獻(xiàn)：1GB50057-2010，建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范 S.北京：中國計(jì)劃出版社，2010.2 秦曾煌 .電工學(xué) M. 北