電壓保護設計分析論文

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摘要：交流電氣裝置過電壓保護設計要求及限制措施,SPD設置及接地線設計

關鍵詞：電氣裝置過電壓保護設計限制措施SPD

1.1過電壓概述

表1－1低壓系統過電壓類別

大氣過電壓

直擊雷過電壓

感應雷擊過電壓

雷電波侵入過電壓

操作過電壓

操作容性負載過電壓

電容器組

空載長線路

操作感性負載過電壓

空載變壓器

電抗器

電動機

真空斷路器

諧振引起的過電壓

工頻過電壓

并列或解列過電壓

負載的投入與切除

IT系統發生接地故障引起對地電壓升高

TN系統或TT系統中性線開路引起對地電壓升高

低壓系統相導體與中性導體間的短路時中性線對地電壓升高

低壓系統故障相的接地故障電壓不超過50V，非故障相對地電壓升高

高壓系統接地故障電壓竄入低壓側（高壓為接地系統，變電所內一個接地系統）。當切斷時間大于5s時，允許的工頻過電壓U0+250V；當切斷時間小于或等于5s時，允許的工頻過電壓U0+1200V。

1.2耐沖擊類別（過電壓類別）的劃分

1.耐沖擊類別（過電壓類別）劃分的目的

耐沖擊類別是根據對設備預期不間斷供電和能承受的事故后果來區分設備適用性的不同等級。通過對設備耐沖擊水平的選擇，使整個電氣裝置達到絕緣配合，將故障的危害性降低到允許的水平，以提供一個抑制過電壓的基礎。

耐沖擊類別標識數字越高，表明設備的耐沖擊性能越高，可供選擇的抑制過電壓的方法越多。

耐沖擊類別這一概念適用于直接從電源線上接電的設備。

2.耐沖擊類別（過電壓類別）說明

Ⅰ類耐沖擊設備是打算與建筑物固定電氣裝置相連的設備。保護措施應在此設備之外，既可固定在電氣裝置內也可固定在電氣裝置和此設備之間，以限制瞬態過電壓在規定的水平。

Ⅱ類耐沖擊設備是與建筑物固定電氣裝置相連的設備。

注：此類設備舉例：家用電器、便攜式工具以及類似負荷。

Ⅲ類耐沖擊設備是固定電氣裝置的組成部分和其他預期具有較高適用性類別的設備。

注：此類設備舉例：固定電氣裝置的配電盤、斷路器、布線系統，包括電纜、母線、接線盒、開關、插座），工業用設備以及某些其他設備，如與固定電氣裝置永久相連的固定式電機。

Ⅳ類耐沖擊設備是用于建筑物電氣裝置主配電盤來電側電源進線端或其附近的設備。

注：此類設備舉例：電氣測量儀表、一次過電流保護電器以及濾波器。

1.3過電壓抑制的配置

需裝設電涌保護器時，應符合下列各條：

1.自身抑制

在電氣裝置全部由低壓地下系統而不含架空線供電的情況下，依據表1－2所規定的設備耐沖擊電壓值便足夠了，而不需要附加的大氣過電壓保護。

在電氣裝置由低壓架空線供電或含有低壓架空線供電的情況下，且外界環境影響為AQ1（雷暴日數<25日/年）時，不需要附加的大氣過電壓保護。

2保護抑制

一、電氣裝置由架空線或含有架空線的線路供電，且當地雷電活動符合外界環境影響條件AQ2（雷暴日數>25日/年）時，應裝設大氣過電壓保護。保護裝置的保護水平不應高于表2列出的Ⅱ類過電壓水平。

二、在一、條件下，建筑物電氣裝置的大氣過電壓保護可采取以下措施：

－按照IEC60364-5-534（過電壓保護電器）安裝具有II類保護水平的電涌保護器。

－或通過其他方法提供至少等效的電壓衰減量。

表1－2要求的設備額定耐沖擊電壓值

電氣裝置標稱電壓*

V

要求的耐沖擊電壓值

kV

三相系統

帶中性點的

單相系統

電氣裝置電源進線端的設備

(耐沖擊類別Ⅳ)

配電裝置和末級電路的設備

(耐沖擊類別Ⅲ)

用電器具

(耐沖擊類別Ⅱ)

有特殊保護的

設備

(耐沖擊類別Ⅰ)

－

120～240

4

2.5

1.5

0.8

230/400

277/480

－

6

4

2.5

1.5

400/690

－

8

6

4

2.5

1000

－

12

8

6

4

*根據IEC60038：1983。

三、在架空線上應用保護抑制的導則

對過電壓水平的保護抑制可通過在電氣裝置中直接安裝電涌保護器，或在架空線上安裝電涌保護器來獲得。例如，可以采取以下措施：

a）如果是架空供配電網，應在電網的結點，尤其在每個長度超過500m的線路末端建立過電壓保護。沿供配電線路每隔500m就應安裝過電壓保護器件。過電壓保護器件之間的距離應小于1000m。

b）如果供配電網中部分為架空線路，部分為地下線路，在架空電網應按照上述a）進行過電壓保護，并應在從架空線至地下電纜的轉換點進行過電壓保護。

c）在TN配電網供電的電氣裝置中，在由自動切斷電源為間接接觸提供保護的地方，連接到相導體的過電壓保護器件的接地導體與PEN導體相連或與PE導體相連。

d）在TT配電網供電的電氣裝置中，在由自動切斷電源為間接接觸提供保護的地方，要為相導體和中性導體提供過電壓保護器件。在供電網的中性導體直接接地的地方，不必為中性導體安裝過電壓保護器件。

1.4建筑物電氣裝置中電涌保護器（SPD）的選擇和安裝

1.4.1電涌保護器（SPD）的接線

應在電氣裝置的電源進線端或其附近設電涌保護器（SPD），至少應在下面各點之間裝設：

1.當在電氣裝置電源進線端或其附近，中性線與PE（保護線）直接連接，或沒有中性線時：

接在每一相線與接地端子或總保護線之間，取其路徑最短者；

注：在IT系統，中性線與PE線之間接了阻抗，不能認為二者是直通的。

2.當在電氣裝置的電源進線端或其附近，中性線與PE（保護線）不直接相連時：

接線形式1：接在每一相線與接地端子或總保護線之間，和接在中性線與接地端子或總保護線之間，取其路徑最短者；或

接線形式2：接在每一相線與中性線之間和接在中性線與總保護端子或總保護線之間，取其路徑最短者。

1.4.2電涌保護器（SPD）的選擇

1.電涌保護器（SPD）的電壓保護水平（UP）

電涌保護器必需能承受預期通過它們的雷電流，并應符合以下兩個附加要求：通過電涌時的最大鉗壓，有能力熄滅在雷電流通過后產生的工頻續流。

在建筑物進線處和其它防雷保護區界面處的最大電涌電壓，即電涌保護器的最大鉗壓加上其兩端引線的感應電壓應與所屬系統的基本絕緣水平和設備允許的最大電涌電壓協調一致。為使最大電涌電壓足夠低，其兩端的引線應做到最短。

在不同界面上的各電涌保護器還應與其相應的能量承受能力相一致。

若用一套電涌保護器（SPD）達不到所要求的保護電壓水平時，應采用附加的配合協調的電涌保護器（SPD），以確保達到要求的保護水平。

2.選擇電涌保護器（SPD）持續運行電壓（UC）

一、按圖1－1接線的TT系統中，UC不應小于1.55U0。

二、按圖1－2和圖1－3接線的TN和TT系統中，UC不應小于1.15U0。

二、按圖1－4接線的IT系統中UC不應小于1.15U（U為線間電壓）。

注：U0是低壓系統相線對中性線的標稱電壓，在220/380V三相系統中，U0＝220V。

圖1－1TT系統中電涌保護器安裝在剩余電流保護器的負荷側

1－裝置的電壓；2－配電盤；3－總接地端或總接地連接帶；4－電涌保護器（SPD）；5－電涌保護器的接地連接，5a或5b；6－需要保護的設備；7－剩余電流保護器，應考慮通雷電流的能力；F－保護電涌保護器推薦的熔絲、斷路器或剩余電流保護器；RA－本裝置的接地電阻；RB－供電系統的接地電阻

圖1－2TN系統中的電涌保護器

1－裝置的電壓；2－配電盤；3－總接地端或總接地連接帶；4－電涌保護器（SPD）；5－電涌保護器的接地連接，5a或5b；6－需要保護的設備；7－PE與N線的連接帶；F－保護電涌保護器推薦的熔絲、斷路器或剩余電流保護器；RA－本裝置的接地電阻；RB－供電系統的接地電阻

注：當采用TN－C－S或TN－S系統時，在N與PE線連接處電涌保護器用三個，在其以后N與PE線分開處安裝電涌保護器時用四個，即在N與PE線間增加一個，類似于圖1－1

圖1－3TT系統中電涌保護器安裝在剩余電流保護器的電源側

1－裝置的電壓；2－配電盤；3－總接地端或總接地連接帶；4－電涌保護器（SPD）；4a－電涌保護器或放電間隙；5－電涌保護器的接地連接，5a或5b；6－需要保護的設備；7－剩余電流保護器，可位于母線的上方或下方；F－保護電涌保護器推薦的熔絲、斷路器或剩余電流保護器；RA－本裝置的接地電阻；RB－供電系統的接地電阻

注：當電源變壓器高壓側碰外殼短路產生的過電壓加于4a設備時不應動作。在高壓系統采用低電阻接地和供電變壓器外殼、低壓系統中性點合用同一接地裝置以及切斷短路的時間小于或等于5s時，該過電壓可按1200V考慮。

圖1－4IT系統中電涌保護器安裝在剩余電流保護器的負荷側

1－裝置的電壓；2－配電盤；3－總接地端或總接地連接帶；4－電涌保護器（SPD）；5－電涌保護器的接地連接，5a或5b；6－需要保護的設備；7－剩余電流保護器；F－保護電涌保護器推薦的熔絲、斷路器或剩余電流保護器；RA－本裝置的接地電阻；RB－供電系統的接地電阻

3.選擇電涌保護器（SPD）標稱放電電流（In）和沖擊電流（Iimp）

在LPZ0A或LPZ0B區與LPZ1區交界處，在從室外引來的線路上安裝SPD，應選用符合Ⅰ級分類試驗的產品。

應通過SPD的10/350μs雷電流幅值。當線路有屏蔽時，通過每個SPD的雷電流可按上述確定的雷電流的30％考慮。SPD宜靠近屏蔽線路末端安裝。以上述得出的雷電流作為Ipeak來選用SPD。

當按上述要求選用配電線路上的SPD時，其標稱放電電流In不宜小于15kA。

安裝的SPD所得到的電壓保護水平加上其兩端引線的感應電壓以及反射波效應不足以保護距其遠處的被保護設備的情況下，尚應在被保護設備處裝設SPD，其標稱放電電流In不宜小于8/20μs3kA。

當被保護設備沿線路距安裝的SPD不大于10m時，若該SPD的電壓保護水平加上其兩端引線的感應電壓小于被保護設備耐壓水平的80％，一般情況在被保護設備處可不裝SPD。

若第一級SPD的電壓保護水平加上其兩端引線的感應電壓保護不了該配電盤內的設備，應在該盤內安裝第二級SPD，其標稱放電電流不宜小于8/20μs5kA。

在考慮被保護設備的耐壓水平時宜按其值的80％考慮。

在一般情況下，當在線路上多處安裝SPD且無準確數據時，電壓開關型SPD與限壓型SPD之間的線路長度不宜小于10m，限壓型SPD之間的線路長度不宜小于5m。

4.選擇電涌保護器（SPD）耐受的預期短路電流

電涌保護器（SPD）耐受短路電流（當電涌保護器（SPD）失效時產生）和與之相連接的過電流保護器（設置于內部或外部）一起承受等于和大于安裝處預期產生的最大短路電流，選擇時要考慮到電涌保護器（SPD）制造廠規定應具備的最大過電流保護器。

此外，制造廠所規定電涌保護器（SPD）的額定阻斷續流電流值不應小于安裝處的預期短路電流值。

在TT系統或TN系統中，接于中性線和PE線之間的電涌保護器（SPD）動作（例如火花間隙放電）后流過工頻續流，電涌保護器（SPD）額定續流電流值應大于或等于100A。

在IT系統中，接于中性線和PE線之間的電涌保護器（SPD）的額定續流電流值與接在相線和中性線之間的電涌保護器（SPD）是相同的。

5.防止電涌保護器（SPD）失效的后果和過電流保護

防止電涌保護器（SPD）短路的保護是采用過電流保護器，應當根據電涌保護器（SPD）產品手冊中推薦的過電流保護器的最大額定值選擇。

如果過電流保護器的額定值小于或等于推薦用的過電流保護器的最大額定值，則可省去過電流保護器。

重點是要保證供電的連續性還是保證保護的連續性取決于在電涌保護器（SPD）故障時，斷開電涌保護器（SPD）的過電流保護器所安裝的位置。

在所有情況下，應當明確設置的保護器間的區別：

－若過電流保護器安裝在電涌保護器（SPD）的回路中，則可保證供電的連續性，但再發生過電壓時，無論是電氣裝置或是設備都得不到保護（見圖1－5）。這些過電流保護器可以是設于內部的電涌保護器（SPD）脫離器。

圖1－5重點保證供電連續性

－若過電流保護器接入設有電涌保護器（SPD）保護電路的電氣裝置進線前端，則電涌保護器（SPD）故障時可導致供電中斷，要等到更換電涌保護器（SPD）后才能恢復供電（見圖1－6）。

為了提高在同一時間內供電連續性和保護連續的概率和可靠性，允許使用圖1－7所示的接線方式。

圖1－6重點保證保護連續性圖1－7供電連續性和保護連續性的結合

這種情況是將兩個相同的電涌保護器（SPD1和SPD2）分別接到兩個相同的保護器（PD1和PD2）。當一個電涌保護器（SPD1）發生故障，不會影響另一電涌保護器（如SPD2）工作，并且將使其本身的保護器動作（如PD1）。這種方式將顯著提高供電連續性和保護連續性的概率。

6.間接接觸防護

間接接觸防護即使當電涌保護器（SPD）故障時，對所有電氣裝置的保護也應保持有效。

當采用自動切斷供電時：

－在TN系統中，一般可在電涌保護器（SPD）的電源側裝設過電流保護器實現間接接觸防護；

－在TT系統中可采用下述a)或者b)實現間接接觸防護：

1)將電涌保護器（SPD）安裝在剩余電流保護器（RCD）的負荷側；

2)將電涌保護器（SPD）安裝在剩余電流保護器（RCD）的電源側，由于接在中性線和PE線之間的電涌保護器（SPD）也可能發生故障，因此，

a)應當符合外露可導電部分預期接地故障電壓不大于50V的規定。和

b)根根據接線形式2來安裝電涌保護器（SPD）。

－在IT系統中，不需要附加其它措施。

7.連接導線

連接導線是指相線與電涌保護器（SPD）之間的導線，和電涌保護器（SPD）與總接地端子或保護線之間的導線。

因為增加電涌保護器（SPD）連接導線的長度，會降低電涌保護器（SPD）過電壓保護的效果，盡可能減少電涌保護器（SPD）所連接導線的長度并且不形成環路可獲得最佳過電壓保護效果（總引線長度最好不超過0.5m），見圖1－8。如果圖1－8所示a+b的長度不能小于0.5m，則可采用圖1－9的接線方式。

圖1－8電涌保護器（SPD）安裝在或靠近圖1－9電涌保護器（SPD）安裝在或靠近電氣裝置

電源進線端的示例電氣裝置電源進線端的示例

8.接地線的導體截面

安裝在電氣裝置電源進線端或靠近進線端處的電涌保護器（SPD）接地線的最小截面應是不小于4mm2的銅線或與其等效。

當設有雷擊保護系統時，符合Ⅰ級試驗的電涌保護器（SPD）的接地線的最小截面不小于16mm2的銅線或與其等效是必要的。