畢業(yè)論文-建筑物入口處SPD的選擇

PAGE16PAGE15目錄1、引言 12、建筑物入口處SPD選擇的新要求 13、建筑物入口處SPD的主要技術參數(shù) 23．1、建筑物入口處SPD的電壓類參數(shù) 33.1.1、建筑物入口處SPD的電壓保護水平（Up）的選擇 33.1.2、最大持續(xù)運行電壓Uc 43.1.3、Up和Uc的關系 53.2、建筑物入口處SPD的電流類參數(shù) 63.2.1、建筑物入口處雷電流估算 63.2.2、建筑物入口處SPD的電流類參數(shù) 73.3、建筑物入口處SPD的時間類參數(shù) 74、雷電波形分析及不同波形的能量差別 75、能量配合 95.1、自感解耦（靜態(tài)伏安特性配合） 95.2、電壓開關型SPD間的配合 105.3、限壓型SPD間的能量配合 115.4、電壓開關型和限壓型SPD間的配合 116、結束語 12參考文獻 13建筑物入口處電源SPD的選擇南京信息工程大學周春林210044【摘要】依照國標GB50057《建筑物防雷設計規(guī)范》、IEC及IEEE的最新規(guī)范提出了建筑物入戶處的SPD選擇的一些能量配合問題及選擇方法。并結合國標GB50057、IEC及IEEE最新標準，介紹了最新的能量配合技術?！娟P鍵詞】浪涌保護能量配合電壓保護水平自感解耦1、引言隨著國標GB50057—94(2000年版)的全面實施，同時IEC、IEEE等陸續(xù)對一些規(guī)范和標準做了修改和補充。這些使我們對建筑物內電子系統(tǒng)的浪涌保護器的設計提供了依據(jù)和幫助。SPD（SurgeProtectiveDevice的簡稱）作為防雷系統(tǒng)的一個重要部分，在建筑物防感應雷部分尤其重要，是為了限制過電壓通過線路引入建筑物，并順利地把過電流泄放入大地，從而保護建筑物內的設備。2、建筑物入口處SPD選擇的新要求“按照IEC61312-1防雷區(qū)的概念，每一條電氣線路穿過兩個防雷區(qū)交界處時，需要安裝浪涌保護器SPD。這些浪涌保護器必須充分將能量分配好，以便在各個SPD之間能根據(jù)它們各自的能量耐受能力獲得一個合理的承載值分配。并有效地將原始雷電威脅值減小至被保護設備的浪涌耐受能力范圍內?！蓖瑯覫EC60364-5-5-34對浪涌保護器選擇的要求規(guī)定：“SPD的最大連續(xù)工作電壓Uc應大于SPD端子間的實際最大連續(xù)電壓”。IEC/TC64/1226/FDIS（2002-01-25）標準IEC60364-5-53，ED.3：RevisionofClause534：Devisionforprotectionagainstovervoltages的Amendment1中對安裝SPD的一些新要求見表一。從表中可以看出，在新規(guī)范中TN-S既可以采用4﹢0的保護模式也可以采用3﹢1保護模式。（4+0保護模式：當中性線N與保護線EP沒有連接時，每一相線L與保護線PE之間連接SPD，中性線N與保護線PE之間連接一個SPD，及為CT1的連接形式。3+1保護模式：每一相線L與中性線N之間連接SPD，中性線N與保護線PE之間連接一個間隙型SPD。及為CT2的連接形式）表一，根據(jù)系統(tǒng)結構安裝浪涌保護在以下各線之間安裝SPDSPD安裝處的系統(tǒng)結構TTTN-CTN-S有中性線引出IT無中性線引出IT按以下形式連接按以下形式連接按以下形式連接CT1CT2CT1CT2CT1CT2每根相線與中性之間01NA01010每根相線與PE線之間1NANA1NA1NA1中性線與PE線之間11NA1111NA每根相線與PEN線之間NANA1NANANANANA各相線之間00000000注：1――必須；NA――適用；0――非強制性的，可附加選用3、建筑物入口處SPD的主要技術參數(shù)目前，由于國內國際有關SPD的設計規(guī)范在應用時一些細節(jié)未具體化，在國內SPD的市場管理不夠規(guī)范。當選用SPD產(chǎn)品時，設計人員應對SPD的主要技術參數(shù)有深刻的了解。這樣才能選出符合要求的產(chǎn)品，正確地選用SPD，從而設計出一個好的SPD安裝方案。3.1、建筑物入口處SPD的電壓類參數(shù)電壓類參數(shù)：電壓保護水平Up、最大持續(xù)運行電壓Uc3.1.1、建筑物入口處SPD的電壓保護水平（Up）的選擇標準IEC364-5-564[3]有條文(5)明確規(guī)定:“按沖擊耐受電壓類別來選擇電壓保護水平，不論是如何高的過電壓，對SPD選擇安裝時其Up不應大于表二中的Ⅱ類2.5kV?！睂Ρ硪恢械腃T2連接形式(3+1保護模式的連接形式)，此規(guī)定同樣適應于相線與PE線之間的總的電壓保護水平。表二,220/380V三相系統(tǒng)各種設備耐沖擊過電壓額定值設備的位置電源處的設備配電線路和最后分支線的設備用電設備特殊需要保護的設備耐沖擊過電壓類別Ⅳ類Ⅲ類Ⅱ類Ⅰ類耐沖擊電壓額定值（kV）642.51.5注：I類--需要將瞬態(tài)過電壓限制到特定水平的設備。Ⅱ類—家用電器、手提工具和類似負載。Ⅲ類—如配電盤，斷路器、包括電纜、母線、分線盒、開關、插座的布線系統(tǒng)，以及應用于工業(yè)的設備和永久接至固定裝置的固定安裝的電動機等。IV類—如電氣計量儀表、一次性過流保護設備、波紋控制設備。電壓保護水平Up：用來表征SPD限制其端子上電壓的特性的一個參數(shù)，是從一張推薦值表中選取。此參數(shù)應大于所測到的各個限制電壓中的最大值，GB50057第6.4.4條對建筑物入口處SPD的電壓保護水平的要求：“在建筑物進線處和其它防雷區(qū)界面處的最大電涌電壓，即電涌保護器的最大箝壓加上其兩端引線的感應電壓應與所屬系統(tǒng)的基本絕緣水平和設備允許的最大電涌電壓協(xié)調一致；在不同界面上各電涌保護器還應與其相應的能量承受能力相一致?！敝挥性跓o法得到設備的耐沖擊電壓時，系統(tǒng)的設備耐壓水平才按表二選用，由圖一及表二可知建筑物入口處SPD的浪涌電流波形近似10/350us，選擇限壓型SPD，殘壓還沒有達到保護水平，將標稱放電電流In下的殘壓向下靠一個優(yōu)選值，才能作為限壓型SPD的Up值。標準《IEC61643－12：2002低壓SPD第12部分：低壓配電系統(tǒng)的SPD――選擇與應用原則》也有類似的規(guī)定：既要考慮被保護設備的沖擊耐受水平，Up愈低愈好，也要考慮到SPD的Uc(連續(xù)工作電壓)、UT(系統(tǒng)的暫時過電壓)、SPD的劣化效應及其與其它級SPD之間的協(xié)調能力都必須接受上述IEC60364-5-5-34要求的限制。3.1.2、最大持續(xù)運行電壓Uc最大持續(xù)運行電壓Uc：反映持續(xù)加在SPD各種保護模式間的最大方均根電壓或直流電壓，即允許持久地施加在SPD兩端的最大交流電壓。而對Uc不應低于低壓線路中可能出現(xiàn)的最大連續(xù)工頻電壓。選擇220/380V三相中的SPD時，其接線端的最大持續(xù)運行電壓Uc應符合下列規(guī)定：TT系統(tǒng)Uc至少應為1.55Uo；TN系統(tǒng)中Uo至少應為1.15Uo；IT系統(tǒng)的Uc應等于線電壓Uo（Uo是低壓系統(tǒng)相線對中性線的電壓，在220/380V三相系統(tǒng)中Uo=220V）。3.1.3、Up和Uc的關系對于Up和Uc的關系與選擇那種類型的SPD是無關的，只限制瞬態(tài)過電壓，由于通過SPD的時間極短，其通過的能量也有限,然而電網(wǎng)異常、故障是由電網(wǎng)自身運行引起，雖然其幅值比瞬態(tài)過電壓低，但持續(xù)時間比瞬態(tài)過電壓長（幾個周期波到幾秒，甚至更長），所以能量大。對MOV等限壓型SPD，MOV輕則加速老化，重則過熱直到損壞、短路、爆炸。對間隙電壓開關型SPD，雖無明顯的老化問題，但是如在TOV（暫態(tài)過電壓）下?lián)舸?，而且擊穿后不能自動熄弧，會導致爆炸。所以選用SPD的最大持續(xù)運行電壓Uc過低是不安全的，過高則SPD暫態(tài)下的動作電壓臺高，保護效果就變差。對ZnO變阻器SPD而言，Up/Uc有相應的關系，且是變量，隨SPD的直徑增大(標稱放電電流In也隨之增大)，其范圍為Up/Uc＝3.3～4.6，即使4.6對應的In為20kA，Up＝275×4.6＝1265V。對230/400V系統(tǒng)而言仍然是滿足要求的。由表四及圖二可說明。表四兩種結構原理SPD的優(yōu)缺比較特性類型響應時間通流能力動作平穩(wěn)性動作分散性續(xù)流電壓保護水平Up泄流電流老化間隙較慢（<100ns）Iimp>50Ka（10/350μS）突變大很大高基本沒有不明顯MOV較快（25ns）In≤20Ka（8/20Μs）平穩(wěn)無極小較低有明顯3.2、建筑物入口處SPD的電流類參數(shù)電流類參數(shù)：標稱放電電流In、最大放電電流Imax、沖擊放電電流IimpSPD電流參數(shù)是不可或缺的參數(shù)，電流參數(shù)對SPD的選擇起到很大的作用。當建筑物受到雷擊或是鄰近的雷擊時，最大放電電流Imax（10/350μs）可按GB50057計算選取。若不能得出該電流值，每個SPD的Iimp對每種保護模式都不應小于12.5kA。對于CT2列，連接于中性線與PE線之間的每個SPD的Iimp可按GB50057相線與PE線之間的每個SPD計算值乘以4，對于單相系統(tǒng)乘以2。若不能得出該電流值，則對三相系統(tǒng)，每個SPD的Iimp不應小于50KA，對于單相系統(tǒng)不應小于25kA。（在三項系統(tǒng)中每相Iimp的最小值*4=每相SPD的Iimp最小值；在單項系統(tǒng)中每相Iimp的最小值*2=每相SPD的Iimp最小值）3.2.1、建筑物入口處雷電流估算首先應對建筑物入口處雷電流進行估算。根據(jù)IEC61643-1接至低壓配電系統(tǒng)的浪涌保護器的第一部分性能要求及測試方式中用簡化法來估算，如圖三。從圖三中可看出，當直擊雷閃擊在本建筑物上，通過建筑物入口處SPD(共4個，對系統(tǒng)而言)的電流只有一部分，當有金屬瓦斯管時占17％(一根導體的即D只有4％)，沒有金屬瓦斯管時占25％(一根導體的SPD也只有6％)。如圖三，總的雷電流*百分比=通過SPD的雷電流。通過每個SPD的雷電流：200KAⅹ6%=12KA。當雷電流通過電力線從外部傳入時，并全部通過SPD，再經(jīng)接地電阻和管道入地，此雷電流的大小和外部情況有直接關系，和建筑物的接地電阻密切相關。雷電流與接地電阻成反比，如果接地電阻相對較小，就會吸引較大的雷電流，這樣就能達到更好的保護效果。3.2.2、建筑物入口處SPD的電流類參數(shù)一般來說，SPD能夠承受的最大雷電流能量可用通流容量來表征，而在工程設計中，通常近似地引用規(guī)定雷電波波形的最大放電電流Imax來表征SPD通流容量。標稱放電電流In：流過SPD的波形為8/20μS的雷電流峰值電流。用于對Ⅰ類及Ⅱ類SPD的分類測試和預處理；沖擊放電電流Iimp：Iimp由電流峰值Ipeak及電荷量Q確定。按照工作狀態(tài)測試序列進行測試。用此參數(shù)對Ⅰ類測試的分級；最大放電電流Imax：Ⅱ類測試最大放電電流流過SPD的電流峰值。該電流應具有Ⅱ類工作狀態(tài)的測試雷電流波形（8/20μS）及幅值。Imax大于In。3.3、建筑物入口處SPD的時間類參數(shù)響應時間：SPD兩端施加的壓敏電壓到SPD箝位電壓的時間。在暫態(tài)過電壓保護應用中，為了達到可靠保護設備，SPD必須在足夠短的時間內動作，把高于設備的耐受值的雷電流部分截斷，并泄入大地，避免損壞設備。不同類型的SPD有不同的響應時間。如放電間隙的響應時間為100ns；氣體放電管的響應時間為80ns；壓敏保護器的響應時間為25ns。當然在應用SPD時，響應時間的參數(shù)要依據(jù)SPD所處的級別而論。按照國標GB50057的規(guī)定：“一級SPD的響應時間不應大于100ns；二級SPD的響應時間不應大于50ns；三級SPD的響應時間不應大于25ns”。以據(jù)此規(guī)定可以從響應時間參數(shù)來選擇更適合的SPD。4、雷電波形分析及不同波形的能量差別雖然沒有任何兩次雷擊電流的波形完全相同，但一切雷電波形卻有相似的電流上升前沿。通常采用雷電流峰值的半波值時間和波頭時間來表征雷電流波形。IEC規(guī)定用雷電流幅值（I）、波頭時間（T1）、半波值時間（T2）來表征鐘型沖擊雷電流測試波波形。（如圖四所示）實際上，8/20μs的雷電瞬態(tài)電流波形經(jīng)常出現(xiàn)在電氣和電子系統(tǒng)中，并隨系統(tǒng)結構和雷電環(huán)境的不同而存在差異，對于防雷設計和保護裝置的試驗，標準中還規(guī)定了一系列試驗波形：8/20μs、1.2/50μs、10/1000μs和0.5μs—100kHz衰減振蕩波形等。雷電流波形的選擇在國內有很多爭論，實際上雷電流波形也是多種多樣的。IEC為防直擊雷工程技術的需要，規(guī)定了一套雷電流典型參數(shù)，以對應建筑物的不同防雷等級和保護水平。同時，為了測試SPD的性能，IEC/S4237A(低壓SPD分技術委員會)也選定了上述參數(shù)對SPD作試驗，使SPD通過雷電流時不致超雷電流耐受能力而損壞，并保證在持續(xù)工作狀態(tài)下具有正常的工作特性。IEC技術規(guī)格對SPD分三級試驗，各級并有不同的雷電流等級：Ⅰ級SPD相應的沖擊雷電流試驗波形為10/350μS；Ⅱ級SPD相應的沖擊雷電流試驗波形為8/20μS；Ⅲ級SPD相應的沖擊雷電流試驗波為8/20μS復合波（由發(fā)生器產(chǎn)生的開路電壓波形為1.2/50μS波，短路電流波形為8/20μS電流波）。現(xiàn)在急需解決的問題是什么場合選用Ⅰ級(10/350μS)?什么場合選用Ⅱ級或Ⅲ級?因為二者的比能量W/R在同樣的電流等級下相差近20倍，因而其能量差別很大，由于I級雷電流（10/350μS）和Ⅱ級雷電流（8/20μS）所流經(jīng)的路線，其雷電流比能量W/R則是雷電流脈沖波形函數(shù)的時間積分。如圖五I-T波形，電流波型的面積代表的物理含義為Q(電荷量)＝；同時由于W/R(比能)＝,Q與W具有直接的數(shù)學關系，所以從中可以用I-t波形面積看出兩級別的雷電流的能量差別。5、能量配合為選擇出更好更適合的SPD安裝在建筑物入口處，必須考慮其與其它級SPD之間的能量配合，也包括與被保護設備之間的能量配合。它們之間的能量配合的實現(xiàn)是決定保護效率的決定性因素，所以建筑物入口處SPD與其它級SPD及被保護設備之間的能量配合就更顯得重要。據(jù)《IEC61312-3雷電電磁脈沖的防護第三部分：浪涌保護器的要求》能量配合的總的目的是：“利用SPD將總威脅值減到被保護設備的耐受能力范圍之內，即各個SPD的浪涌電流額定容量不得超過被保護設備的耐受能量。”為了確保建筑物入口處SPD和建筑物內第二級SPD充分配合好，必須要求第二級SPD所耗散的能量低于或等于其最大耐受能量，這樣才能實現(xiàn)了能量的配合。按照IEC的基本的能量配合原則有SPD之間的能量配合或SPD與被保護設備之間的能量配合。建筑物入口處SPD與次級SPD之間的能量配合可通過以下方式實現(xiàn)：自感解耦（靜態(tài)伏安特性）配合、去耦元件配合、限壓型SPD間的配合、電壓開關型和限壓型SPD間的配合、電壓開關型SPD間的配合。5.1、自感解耦（靜態(tài)伏安特性配合）放電間隙的放電取決于MOV兩端殘壓(UVAL)以及去耦元件兩端的動態(tài)壓降UL。在觸發(fā)放電前，UFLT＝UVAL十UL，一旦UFLT(放電間隙兩端的電壓)超過放電間隙的動態(tài)放電電壓，配合就實現(xiàn)。這只取決MOV的特性、電涌的上升陡度及幅值、去耦元件的性質(如空氣芯電感或鐵芯電感或電阻)。如圖六,為自感去耦時電涌能量分配電路圖，圖七為該電路圖的I-T波形，我們可以通過I-t波形面積來定性地比較電涌能量的分配。能量交換的時間點取決于浪涌電流的陡度。如圖七所示，A點為理想的交換點，這時限壓型SPD所受到的能量等于它自身可以承受的最大值W＝Wmax。B點為提前交換點，這時，MOV所受到的能量W＜＜Wmax。當然這時MOV的壽命會大大延長，殘壓也會比A點中的MOV要低得多。圖七C區(qū)為未能交換的情況，這時MOV將承受所有的浪涌能量，Wc＞＞W(wǎng)max這時MOV一定會被損壞，同時前面的開關型SPD也無法正常響應。5.2、電壓開關型SPD間的配合當無浪涌時電壓開關型SPD呈現(xiàn)高祖狀態(tài)，一旦響應電壓浪涌時，其阻抗就突變?yōu)榈椭?。對放電間隙之間的配合，必須使用動態(tài)工作特性；在放電間隙2放電后，借助與去耦元件來實現(xiàn)配合，為確定去耦元件所需的尺寸，可用短路來代替放電間隙2，而為了使放電間隙1放電，去耦元件兩端的動態(tài)壓降必須高于放電間隙1的動作電（見圖八）。如果用電感作去耦元件，必須考慮電流波形，特別是di/dt。當用電阻作去耦元件時，浪涌電流峰值決定了去耦元件所需的阻值。在選擇期間的脈沖額定參數(shù)適應考慮浪涌電流在電阻上的壓降，放電間隙1放電之后，將各個元件的靜態(tài)伏安特性用來分配全部的能量。5.3、限壓型SPD間的能量配合在不用去耦元件的情況下，兩個SPD間的能量配合可根據(jù)相關電流范圍及其靜態(tài)伏安特性來實現(xiàn)能量配合。但是此方案對電流波形不是很敏感，如果用電感作為去耦元件，如圖九則必須考慮浪涌電流波形。對具有長半值時間的波形（如10/350μS）電感的去耦效果并不十分有效，如果可能用電阻作去耦元件（或電纜的固有電阻）來實現(xiàn)能量配合也是很實用的。但是就限壓型SPD的配合，還得注意一點，必須設法將浪涌電流通過各自的SPD，電流波的寬度與入侵電流是不會被明顯縮短。這就要求在設計時把這一點考慮進去。5.4、電壓開關型和限壓型SPD間的配合如5.1、自感解耦（靜態(tài)伏安特性配合）實現(xiàn)了配合，這只取決于：（1）MOV的特性；（2）入侵的浪涌的上升速率及幅值；（3）去耦元件的性質（如電感或電阻）。圖十所示出了這一配合方案的基本電路圖。當用電感作去耦元件時，必須考慮浪涌電流的上升時間及峰值。di/dt越大，去耦所需的電感越小。必須考慮兩種基本情況：（1）放電間隙不出現(xiàn)火花放電（“盲點”）：此時全部的浪涌電流流過MOV，MOV必須按這一浪涌電流的能量來確定其規(guī)格容量。（2）放電間隙出現(xiàn)火花放電：放電間隙的放電改變了施加于下游MOV的浪涌波形，在MOV中流過的電流的持續(xù)時間大大減小了，當使用低殘壓的放電間隙時，后續(xù)MOV的Uc的選擇對其于放電間隙的配合來說不是很重要。（如圖十一）然而，去耦元件值必需確定，在低壓電力系統(tǒng)中，設計去耦元件時，是將短路作為最壞、最苛刻的情況來考慮（見圖八、）。但對配合來說，就不是很恰當?shù)摹Ｓ谩柏撦d側電壓”為最壞情況進行去耦元件的設計更為實際。放電間隙下游的SPD通常是由MOV或MOV竄以間隙構成的。這類SPD，其殘壓在任何情況下都比額定電源電壓的峰值高，額定電源電壓的峰值相當于這些SPD的可能最低殘壓。因此，該峰值電壓就取為反向電壓的最小可能值。采用短路情況下而不是“反向電壓”情況下的電流來進行設計，將導致去耦元件規(guī)格尺寸過大。圖八分別示出了對于各種不同的下游負載（個別為SPD），使放電間隙SG火花放電所需的電感數(shù)值。6、結束語設計方案時，要合理地選擇建筑物入口處的浪涌保護器，就必須依照IEC相關的標準及國標GB50057、IEEE系列標準最新要求來實現(xiàn)。在本文通過介紹SPD的一些參數(shù)，依據(jù)此類參數(shù)來選擇建筑物入口處的SPD；由于能量配合在整個系統(tǒng)中作為多極SPD保護系統(tǒng)的核心，作為能量的控制和分配關鍵。還重點介紹了幾種能量配合的幾種方法。

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