電氣安全第5章2

1、第四節(jié) 電涌 一、電涌的來源 1、什么是電涌（surge） 以雷擊電磁脈沖（LEMP）和（或）操作電磁脈沖（SEMP）為騷擾源，在電氣電子系統(tǒng)中耦合的能量脈沖。 用電磁兼容模型解釋電涌 按技術(shù)領(lǐng)域分類，電涌屬于電磁兼容（EMC）問題，電磁兼容的模型如下。騷擾源(發(fā)射器）(耦合路徑）耦合機制敏感設(shè)備(感受器） 按電磁兼容模型，對電涌解釋如下。 騷擾源（發(fā)射器）：LEMP和SEMP等。電感性耦合電容性耦合空間輻射耦合耦合）導(dǎo)體傳導(dǎo)耦合（電阻性耦合路徑 感受器（敏感設(shè)備）：低壓配電系統(tǒng)或電子信息系統(tǒng)，本課程主要介紹以低壓配電系統(tǒng)作為感受器的電涌保護。電涌電壓的示例tu雷電電涌電壓持續(xù)時間約100 s

2、頻率100kHz1MHz操作電涌電壓0工頻電壓波形 2、電涌的耦合路徑詳解 （1）傳導(dǎo)（阻性）耦合 主要是通過金屬管線的直接電氣連通，將能量脈沖從一處傳輸?shù)搅硪惶帯?在分析用等效電路上，這種耦合路徑可用一個電阻來表示，因此又叫做阻性耦合。 如：直接雷擊線路造成的侵入雷電波，接地導(dǎo)體上的雷擊電磁脈沖傳導(dǎo)（見下頁圖）等。設(shè)備1接閃器引下線建筑1EBB1PERsh1電涌電流雷電流屏蔽層芯線信號線sh2RPEEBB2建筑2引下線接閃器設(shè)備2EBB等電位連接板阻性耦合的電涌示例 （2）感性輻射耦合 指空間磁場傳遞的能量脈沖。 耦合的原理為電磁感應(yīng)。信線號線源電設(shè)備1設(shè)備2RL （3）容性輻射耦合 指通過

3、空間電場傳遞的能量脈沖。設(shè)備1建筑物1EBB1PE1注入電流外部防雷外部防雷PE2EBB2建筑物2設(shè)備2雷電通道注入電流信號線Rsh 小結(jié)： 電涌是LEMP或（和）SEMP通過阻性、感性或容性耦合傳遞到低壓系統(tǒng)或電子信息系統(tǒng)上的能量脈沖。 電涌的危害以脈沖電壓或脈沖電流的形式出現(xiàn)。 危害的對象除了絕緣以外，還包括用電設(shè)備本身的元、器件（又稱硬件）。 二、電涌強度計算 電涌能量騷擾源能量耦合衰減 1、騷擾源能量（雷電） 復(fù)習(xí)上一章內(nèi)容 考慮雷擊電磁脈沖問題時，應(yīng)考慮電閃中可能出現(xiàn)的三種雷擊形式： （1）短時首次雷擊； （2）首次后的短時雷擊； （3）長時間雷擊。短時雷擊長時間雷擊t90%10%1

4、T2TI50%I峰值電流（幅值）波頭時間T半峰時間12Ti+ _t_ +ic）向下閃擊的組合形式_+itti+_itti_a）b）d）c）單個首次短時雷擊首次短時雷擊后續(xù)多次短時雷擊后續(xù)多次短時和長時間雷擊首次短時雷擊后續(xù)長時間雷擊首次短時雷擊0000c）d）b）a）_itti_ +itti+ _ +ite）短時雷擊疊加的短時雷擊首次長時間雷擊后續(xù)長時間雷擊后續(xù)短時雷擊時雷擊疊加的短單一長時間雷擊00000向上閃擊的組合形式雷電流參數(shù)雷電流參數(shù)防雷建筑類別防雷建筑類別一類一類二類二類三類三類I I幅值幅值/kA200200150150100100T T1 1波頭時間波頭時間/s10101010

5、1010T T2 2波頭時間波頭時間/s350350350350350350Q Qs電荷量電荷量/C C10010075755050W W/ /R R單位能量單位能量/(M MJ/)10105.65.62.5首次短時雷擊雷電流參數(shù) 雷電流參數(shù)雷電流參數(shù)防雷建筑類別防雷建筑類別一類一類二類二類三類三類I I幅值幅值/kA5037.525T T1 1波頭時間波頭時間/s0.250.250.25T T2 2波頭時間波頭時間/s100100100I I/ /T T1 1平均陡度平均陡度/（kA/s）200150100首次以后短時雷擊的雷電流參數(shù)雷電流參數(shù)雷電流參數(shù)防雷建筑類別防雷建筑類別一類一類二類二

6、類三類三類Q Q1 1電荷量電荷量/C C200150100T T時間時間/s0 0.50.50.5長時間雷擊參數(shù) 2、線路中感性耦合的能量估算 感性耦合能量計算非常復(fù)雜，除考慮騷擾源能量以外，還要考慮耦合路徑上的衰減以及環(huán)路的面積和位置等。 業(yè)界專家對一些典型的感性耦合能量進行了計算，并將結(jié)果列成表格，可供工程應(yīng)用選擇。典型情況見后頁圖，計算結(jié)果見教材表5-9。iiV1mlViil1m0.1miiVTilViiilKViiiiiiVlla）b）c）d）e）f） 3、傳導(dǎo)耦合的能量計算 主要考慮壓降和各處連接的分流作用。見上頁圖a、c、d及下圖。100%雷電流sh1REBB引下線接閃器iiii

7、ii50%雷電流遠處接地的進入建筑物的金屬管線建筑物的金屬管線遠處接地的進入EBB等電位聯(lián)結(jié)板i 小結(jié)： 電涌的能量取決于騷擾源（LEMP、SEMP）能量大小和耦合路徑衰減量大小。 騷擾源能量以雷電流幅值、電荷量來表征。 阻性耦合衰減主要是各處聯(lián)接的分流作用。 感性耦合衰減主要涉及空間距離、屏蔽及感應(yīng)環(huán)路面積等。第五節(jié) 電涌保護器 電涌保護器是一種用于帶電系統(tǒng)中限制瞬態(tài)過電壓并釋放電涌能量的非線性器件，簡稱SPD（Surge Protective Device），用以保護電氣電子系統(tǒng)免遭電涌破壞。 電子系統(tǒng)中還有串接限制過電流的電涌保護器件。 辯異：電涌保護器與避雷器?；驹硐嗤?，特性參數(shù)和

8、應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用目的不同。通過共同點加深對基本概念的理解，通過不同點加強工程意識培養(yǎng)。 一、電涌保護器的類別與工作原理 分為電壓開關(guān)型、限壓型和混合型三類。 電壓開關(guān)型：突然導(dǎo)通特征。通流容量大，特性陡，殘壓高。主要用于泄放能量。適用于LPZ0與LPZ1區(qū)交界處。 限壓型：隨電涌電壓升高漸進導(dǎo)通。通流容量小，特性緩，因逐漸釋放能量而具有降低過電壓幅值的作用。主要用于保護設(shè)備。適用于LPZ0B及以后防雷區(qū)。 混合型：隨承受的電涌電壓不同而分別呈現(xiàn)電壓開關(guān)型或限壓型特性?？勺鳛榕潆娤到y(tǒng)中間級的保護。 三類SPD的保護動作特性圖。tuA雷電波開關(guān)型SPD0t0iASPD中電涌電流SPD中工頻續(xù)流放電電

9、壓Aut限壓型SPD雷電波0殘壓SPD中電涌電流Ai0ttuA混合型SPD雷電波0放電電壓殘壓t0iASPD中電涌電流SPD中工頻續(xù)流電壓開關(guān)型電壓開關(guān)型限壓型限壓型混合型混合型 二、電涌保護器的沖擊分類試驗 SPD有三種沖擊分類試驗，這三種試驗沒有等級之分。生產(chǎn)廠家可根據(jù)自己所生產(chǎn)產(chǎn)品的應(yīng)用條件，選擇其中一種或幾種進行試驗，并以試驗類別標定相關(guān)參數(shù)。 應(yīng)用條件：指SPD在系統(tǒng)中的安裝位置和應(yīng)起到的保護作用。 安裝位置：高暴露地點；低暴露地點。 保護作用：泄放能量為主；與被保護設(shè)備耐壓特性配合為主。 1、試驗用電流與電壓波形 （1）試驗標準電流。見圖。其中曲線、為IEC61643-1標準推薦，

10、曲線為德國E DIN VDE0675標準推薦。 （2）試驗標準電壓。一般采用1.25/50s的沖擊電壓作為試驗電壓。電涌保護器試驗電流曲線曲線1曲線曲線2曲線曲線3imax（kA）1001005Q（As）50100.1WR（J） 2.510651050.4103波形（波形（s）1035088082002004006008001000204050608010035080 st /i / kA123 2、三種分類試驗 （1）I級分類試驗。用1.2/50s沖擊電壓、8/20s和10/350s沖擊電流作的試驗。 試驗結(jié)果：標稱放電電流In（8/20s），最大沖擊電流Iimp（10/350s）。 通過該

11、試驗的SPD通常用于高暴露地點，可承受較大的能量。一般電壓開關(guān)型SPD進行該項試驗 （2）II級分類試驗。用1.2/50s沖擊電壓、8/20s沖擊電流作的試驗。 試驗結(jié)果：標稱放電電流In（8/20s）和最大放電電流Imax（8/20s）。 一般限壓型SPD進行該項試驗，用于低暴露地點。 一級與二級分類試驗得出的參數(shù)中，In是重疊的。 （3）III級分類試驗。開路時施加1.2/50s沖擊電壓、短路時施加8/20s沖擊電流作的試驗。 開路電壓與短路電流峰值之比為2。 三、主要參數(shù) （1）最大持續(xù)工作電壓Uc。使SPD工作時間不小于設(shè)計壽命所允許施加的最高工頻電壓。 原理：長期熱穩(wěn)定性。 系統(tǒng)可能

12、出現(xiàn)的最大持續(xù)運行電壓不應(yīng)該高于該電壓。 （2）標稱放電電流In。指SPD通過規(guī)定次數(shù)8/20s沖擊電流的最大值。在通過規(guī)定次數(shù)的這個電流后，SPD的特性變化不超過允許范圍?？捎蒊、II級分類試驗確定。 （3）最大放電電流Imax。指SPD通過1次8/20s沖擊電流的最大值。在通過該電流后，SPD不得發(fā)生實質(zhì)性損壞。由II級分類試驗確定。用以衡量限壓型SPD的最大通流能力。 同一只SPD的Imax一般為In的22.5倍。 （4）沖擊電流Iimp。指SPD通過1次10/350s沖擊電流的最大值。在通過該電流后，SPD不得發(fā)生實質(zhì)性損壞。由I級分類試驗確定。用于衡量電壓開關(guān)型SPD的最大通流能力。

13、 辯異： Imax、Iimp分別表示限壓型SPD和電壓開關(guān)型SPD的極限通流能力。SPD不應(yīng)因通過這樣大的電流而發(fā)生燒毀、爆炸等事故，但SPD的特性可能已經(jīng)變壞，不能繼續(xù)工作。 In表示限壓型和電壓開關(guān)型SPD的額定通流能力。多次通過該電流后，SPD應(yīng)可繼續(xù)正常工作，直至達到規(guī)定的次數(shù) 。 （5）電壓保護水平UP。即最大殘壓。對電壓開關(guān)型SPD ，又等于放電電壓。 殘壓指SPD動作后的電壓，為隨時間變化的波形，UP即變化的上限。 電壓保護水平應(yīng)低于設(shè)備耐壓。 （6）響應(yīng)時間。一般要求小于25ns。 參數(shù)示例。某通過I級分類試驗的SPD參數(shù)如下： 最大持續(xù)工作電壓Uc：350V 標稱放電電流In

14、：20kA（15個8/20s電流波） 沖擊電流Iimp：115kA（1個10/350s電流波） 電壓保護水平UP：600V第六節(jié) 低壓系統(tǒng)電涌保護配置 一、電涌保護對象分級 電涌防護等級是以建筑物中電子信息系統(tǒng)為對象劃分的，依據(jù)有兩個，一個是雷擊風(fēng)險，另一個是電子信息系統(tǒng)的重要性和使用性質(zhì)。 電氣系統(tǒng)的防護級別與同一建筑內(nèi)電子信息系統(tǒng)的防護級別等同，有時又簡稱建筑物的電涌防護等級。 分為A、B、C、D四個等級，A級防護要求最高，D級最低。 二、電涌保護的目的及其在防雷體系中的地位 1、目的 通過在電氣電子設(shè)備的電源側(cè)限制雷電過電壓（兼限制大部分操作過電壓）并泄放雷電能量，以保護設(shè)備絕緣及硬件不

15、致?lián)p壞。 2、地位 1）建筑物內(nèi)部防雷的重要組成部分。 2）綜合防雷體系的末端環(huán)節(jié)。 3）采取了基本防雷措施的前提下，專門針對耦合到低壓配電系統(tǒng)中和電子信息系統(tǒng)中的雷電能量進行防護。 與雷電過電壓防護對比：能量相對較小，但被保護設(shè)備承受力也小，響應(yīng)時間要求高，環(huán)境要求高，與其他環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)性高。 二、電涌保護主要對象及耐受水平 保護對象為低壓配電和用電設(shè)備。 低壓設(shè)備耐壓分4個等級，見下表。系統(tǒng)標稱系統(tǒng)標稱電壓電壓從交流或直流標從交流或直流標稱電壓導(dǎo)出線對稱電壓導(dǎo)出線對中性點的電壓中性點的電壓（不大于）（不大于）設(shè)備的額定沖擊耐壓設(shè)備的額定沖擊耐壓過電壓（安裝）類別過電壓（安裝）類別三相三相I

16、IIIIIIIIIIIIVIV230/400230/40030030015001500250025004000400060006000400/690400/69060060025002500400040006000600080008000 過電壓類別I：用電設(shè)備，如音響、電視機、計算機等。 過電壓類別II：用電設(shè)備，如洗衣機、冰箱、空調(diào)器等。 過電壓類別III：負荷側(cè)配電設(shè)備及永久連接至系統(tǒng)的工業(yè)用電設(shè)備（如工業(yè)用電動機等）。 過電壓類別IV：電源側(cè)配電設(shè)備。各過電壓類別設(shè)備在系統(tǒng)中的位置WhWh電梯電動機特殊設(shè)備一般家用電器住戶380V220/380V220V6000V4000V2500V1

17、500VIIIIIIIV樓道燈 四、電涌保護系統(tǒng)的布局 采用分散、多級的布局。 理由：同一電壓等級電網(wǎng)中有多個耐壓等級設(shè)備，且設(shè)備本身是分散布置的。 結(jié)果：逐級泄放電涌能量。 要求：在恰當?shù)奈恢迷O(shè)置恰當?shù)谋Ｗo器： 1）SPD電壓保護水平與被保護設(shè)備配合。 2）不同防雷區(qū)交界面處，應(yīng)設(shè)置SPD。 LPZ0與LPZ1區(qū)交界面：設(shè)置通過I級分類試驗的SPD。其他交界面：設(shè)置通過II、III級分類試驗的SPD。 3）同一防雷區(qū)中的同一配電級中，考慮電涌波過程，可能在若干處設(shè)置SPD。 按從電源到負荷的方向，系統(tǒng)的多級保護分別被稱為第一、二、三、四級，對應(yīng)于被保護對象的過電壓類別。辯異： 一級SPD：在

18、系統(tǒng)中處于最靠電源側(cè)的SPD； I類SPD：通過I級分類試驗的SPD。 某高層住宅電涌保護布局示例變配電所照明LPZ0LPZ1屋頂彩燈PU6kV低壓配電屏4kVUP樓層配電箱PU4kVPU 2.5kV住戶配電箱電源插座1.5kV剩余電流 電涌電流成為剩余電流。 預(yù)防：采用防電涌的RCD。最大防護能力：250A（非選擇型）、3kA（選擇型）。 （2）RCD對電涌保護器失效的保護IRCDL1L3L2NPE=IdIPENL2L3L1RCDI=0IIdIRCDL1L3L2NPENI共模：有效共模：有效差模：無效差模：無效對對N-PE間間RCD失效保護失效保護保護有效性判斷關(guān)鍵：失效故障電流是否成為剩余電流。PENL2L3L1RCDIIdIdII_N-PE間SPD失效對RCD保護靈敏性的影響 （3）電涌保護與過流保護配合 主要考慮SPD失效（相當于元件短路）時，過流保護能否切除故障元件。k2IL1NL2L3PESPD1SPD2(1)(1)Ik1d2I=d1I TN系統(tǒng)中SPD失效故障電流性質(zhì)： 共模接法：短路 差模接法：短路 TT系統(tǒng)中SPD失效故障電流性質(zhì)： 共模：遠小于短路量級的接地故障電流 差模：短路電流 采用31接法，過流保護可保護3SPD失效。不必