建筑物入口处spd的选择-学位论文.doc

目 录 1、引言12、建筑物入口处SPD选择的新要求13、建筑物入口处SPD的主要技术参数231、建筑物入口处SPD的电压类参数33.1.1、建筑物入口处SPD的电压保护水平（Up）的选择33.1.2、最大持续运行电压Uc43.1.3、Up和Uc的关系53.2、建筑物入口处SPD的电流类参数63.2.1、建筑物入口处雷电流估算63.2.2、建筑物入口处SPD的电流类参数73.3、建筑物入口处SPD的时间类参数74、雷电波形分析及不同波形的能量差别75、能量配合95.1、自感解耦（静态伏安特性配合）95.2、电压开关型SPD间的配合105.3、限压型SPD间的能量配合115.4、电压开关型和限压型SPD间的配合116、结束语12参考文献13建筑物入口处电源SPD的选择南京信息工程大学 周春林 210044【摘 要】依照国标GB50057建筑物防雷设计规范、IEC及IEEE的最新规范提出了建筑物入户处的SPD选择的一些能量配合问题及选择方法。并结合国标GB50057、IEC及IEEE最新标准，介绍了最新的能量配合技术。【关键词】浪涌保护 能量配合 电压保护水平 自感解耦1、引言 随着国标GB5005794(2000年版)的全面实施，同时IEC、IEEE等陆续对一些规范和标准做了修改和补充。这些使我们对建筑物内电子系统的浪涌保护器的设计提供了依据和帮助。 SPD（SurgeProtective Device的简称）作为防雷系统的一个重要部分，在建筑物防感应雷部分尤其重要，是为了限制过电压通过线路引入建筑物，并顺利地把过电流泄放入大地，从而保护建筑物内的设备。2、建筑物入口处SPD选择的新要求“按照IEC61312-1防雷区的概念，每一条电气线路穿过两个防雷区交界处时，需要安装浪涌保护器SPD。这些浪涌保护器必须充分将能量分配好，以便在各个SPD之间能根据它们各自的能量耐受能力获得一个合理的承载值分配。并有效地将原始雷电威胁值减小至被保护设备的浪涌耐受能力范围内。”同样IEC60364-5-5-34对浪涌保护器选择的要求规定：“SPD的最大连续工作电压Uc应大于SPD端子间的实际最大连续电压”。IEC/TC64/1226/FDIS（2002-01-25）标准IEC60364-5-53，ED.3：Revision of Clause534：Devision for protection against overvoltages的Amendment 1中对安装SPD的一些新要求见表一。从表中可以看出，在新规范中TN-S既可以采用40的保护模式也可以采用31保护模式。（4+0保护模式：当中性线N与保护线EP没有连接时，每一相线L与保护线PE之间连接SPD，中性线N与保护线PE之间连接一个SPD，及为CT1的连接形式。3+1保护模式：每一相线L与中性线N之间连接SPD，中性线N与保护线PE之间连接一个间隙型SPD。及为CT2的连接形式）表一，根据系统结构安装浪涌保护在以下各线之间安装SPDSPD安装处的系统结构TTTN-CTN-S有中性线引出IT无中性线引出IT按以下形式连接按以下形式连接按以下形式连接CT1CT2CT1CT2CT1CT2每根相线与中性之间01NA01010每根相线与PE线之间1NANA1NA1NA1中性线与PE线之间11NA1111NA每根相线与PEN线之间NANA1NANANANANA各相线之间00000000注：1必须； NA适用； 0非强制性的，可附加选用3、建筑物入口处SPD的主要技术参数目前，由于国内国际有关SPD的设计规范在应用时一些细节未具体化，在国内SPD的市场管理不够规范。当选用SPD产品时，设计人员应对SPD的主要技术参数有深刻的了解。这样才能选出符合要求的产品，正确地选用SPD，从而设计出一个好的SPD安装方案。3.1、建筑物入口处SPD的电压类参数电压类参数：电压保护水平Up、最大持续运行电压Uc3.1.1、建筑物入口处SPD的电压保护水平（Up）的选择标准IEC364-5-5643有条文(534.2.3.1)明确规定:“按冲击耐受电压类别来选择电压保护水平，不论是如何高的过电压，对SPD选择安装时其Up不应大于表二中的类2.5kV。”对表一中的CT2连接形式(3+1保护模式的连接形式)，此规定同样适应于相线与PE线之间的总的电压保护水平。表二,220/380V三相系统各种设备耐冲击过电压额定值设备的位置电源处的设备配电线路和最后分支线的设备用电设备特殊需要保护的设备耐冲击过电压类别类类类类耐冲击电压额定值（kV）642.51.5注： I类-需要将瞬态过电压限制到特定水平的设备。类家用电器、手提工具和类似负载。 类如配电盘，断路器、包括电缆、母线、分线盒、开关、插座的布线系统，以及应用于工业的设备和永久接至固定装置的固定安装的电动机等。IV类如电气计量仪表、一次性过流保护设备、波纹控制设备。电压保护水平Up：用来表征SPD限制其端子上电压的特性的一个参数，是从一张推荐值表中选取。此参数应大于所测到的各个限制电压中的最大值，GB50057第6.4.4条对建筑物入口处SPD的电压保护水平的要求：“在建筑物进线处和其它防雷区界面处的最大电涌电压，即电涌保护器的最大箝压加上其两端引线的感应电压应与所属系统的基本绝缘水平和设备允许的最大电涌电压协调一致；在不同界面上各电涌保护器还应与其相应的能量承受能力相一致。”只有在无法得到设备的耐冲击电压时，系统的设备耐压水平才按表二选用，由图一及表二可知建筑物入口处SPD的浪涌电流波形近似10/350us，选择限压型SPD，残压还没有达到保护水平，将标称放电电流In下的残压向下靠一个优选值，才能作为限压型SPD的Up值。标准IEC6164312：2002低压SPD第12部分：低压配电系统的SPD选择与应用原则也有类似的规定：既要考虑被保护设备的冲击耐受水平，Up愈低愈好，也要考虑到SPD的Uc(连续工作电压)、UT(系统的暂时过电压)、SPD的劣化效应及其与其它级SPD之间的协调能力都必须接受上述IEC60364-5-5-34要求的限制。3.1.2、最大持续运行电压Uc最大持续运行电压Uc：反映持续加在SPD各种保护模式间的最大方均根电压或直流电压，即允许持久地施加在SPD两端的最大交流电压。而对Uc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三相中的SPD时，其接线端的最大持续运行电压Uc应符合下列规定：TT系统Uc至少应为1.55Uo；TN系统中Uo至少应为1.15Uo；IT系统的Uc应等于线电压Uo（Uo是低压系统相线对中性线的电压，在220/380V三相系统中Uo=220V）。3.1.3、Up和Uc的关系对于Up和Uc的关系与选择那种类型的SPD是无关的，只限制瞬态过电压，由于通过SPD的时间极短，其通过的能量也有限,然而电网异常、故障是由电网自身运行引起，虽然其幅值比瞬态过电压低，但持续时间比瞬态过电压长（几个周期波到几秒，甚至更长），所以能量大。对MOV等限压型SPD，MOV轻则加速老化，重则过热直到损坏、短路、爆炸。对间隙电压开关型SPD，虽无明显的老化问题，但是如在TOV（暂态过电压）下击穿，而且击穿后不能自动熄弧，会导致爆炸。所以选用SPD的最大持续运行电压Uc过低是不安全的，过高则SPD暂态下的动作电压台高，保护效果就变差。对ZnO变阻器SPD而言，Up/Uc有相应的关系，且是变量，随SPD的直径增大(标称放电电流In也随之增大)，其范围为Up/Uc3.34.6，即使4.6对应的In为20kA，Up2754.61265V。对230/400V系统而言仍然是满足要求的。由表四及图二可说明。表四两种结构原理SPD的优缺比较特性类型 响应时间通流能力动作平稳性动作分散性续流电压保护水平Up泄流电流老化间隙较慢（50Ka（10/350S）突变大很大高基本没有不明显MOV较快（25ns）In20Ka（8/20s）平稳无极小较低有明显3.2、建筑物入口处SPD的电流类参数电流类参数：标称放电电流In、最大放电电流Imax、冲击放电电流IimpSPD电流参数是不可或缺的参数，电流参数对SPD的选择起到很大的作用。当建筑物受到雷击或是邻近的雷击时，最大放电电流Imax（10/350s）可按GB50057计算选取。若不能得出该电流值，每个SPD的Iimp对每种保护模式都不应小于12.5kA。对于CT2列，连接于中性线与PE线之间的每个SPD的Iimp可按GB50057相线与PE线之间的每个SPD计算值乘以4，对于单相系统乘以2。若不能得出该电流值，则对三相系统，每个SPD的Iimp不应小于50KA，对于单相系统不应小于25kA。（在三项系统中每相Iimp的最小值*4=每相SPD的Iimp最小值；在单项系统中每相Iimp的最小值*2=每相SPD的Iimp最小值）3.2.1、建筑物入口处雷电流估算首先应对建筑物入口处雷电流进行估算。根据IEC61643-1接至低压配电系统的浪涌保护器的第一部分性能要求及测试方式中用简化法来估算，如图三。从图三中可看出，当直击雷闪击在本建筑物上，通过建筑物入口处SPD(共4个，对系统而言)的电流只有一部分，当有金属瓦斯管时占17(一根导体的即D只有4)，没有金属瓦斯管时占25(一根导体的SPD也只有6)。如图三，总的雷电流*百分比=通过SPD的雷电流。通过每个SPD的雷电流：200KA6%=12KA。当雷电流通过电力线从外部传入时，并全部通过SPD，再经接地电阻和管道入地，此雷电流的大小和外部情况有直接关系，和建筑物的接地电阻密切相关。雷电流与接地电阻成反比，如果接地电阻相对较小，就会吸引较大的雷电流，这样就能达到更好的保护效果。3.2.2、建筑物入口处SPD的电流类参数一般来说，SPD能够承受的最大雷电流能量可用通流容量来表征，而在工程设计中，通常近似地引用规定雷电波波形的最大放电电流Imax来表征SPD通流容量。标称放电电流In：流过SPD的波形为8/20S的雷电流峰值电流。用于对类及类SPD的分类测试和预处理；冲击放电电流Iimp：Iimp由电流峰值Ipeak及电荷量Q确定。按照工作状态测试序列进行测试。用此参数对类测试的分级；最大放电电流Imax：类测试最大放电电流流过SPD的电流峰值。该电流应具有类工作状态的测试雷电流波形（8/20S）及幅值。Imax大于In。3.3、建筑物入口处SPD的时间类参数响应时间：SPD两端施加的压敏电压到SPD箝位电压的时间。在暂态过电压保护应用中，为了达到可靠保护设备，SPD必须在足够短的时间内动作，把高于设备的耐受值的雷电流部分截断，并泄入大地，避免损坏设备。不同类型的SPD有不同的响应时间。如放电间隙的响应时间为100ns；气体放电管的响应时间为80ns；压敏保护器的响应时间为25ns。当然在应用SPD时，响应时间的参数要依据SPD所处的级别而论。按照国标GB50057的规定：“一级SPD的响应时间不应大于100ns；二级SPD的响应时间不应大于50ns；三级SPD的响应时间不应大于25ns”。以据此规定可以从响应时间参数来选择更适合的SPD。4、雷电波形分析及不同波形的能量差别虽然没有任何两次雷击电流的波形完全相同，但一切雷电波形却有相似的电流上升前沿。通常采用雷电流峰值的半波值时间和波头时间来表征雷电流波形。IEC规定用雷电流幅值（I）、波头时间（T1）、半波值时间（T2）来表征钟型冲击雷电流测试波波形。（如图四所示）实际上，8/20s的雷电瞬态电流波形经常出现在电气和电子系统中，并随系统结构和雷电环境的不同而存在差异，对于防雷设计和保护装置的试验，标准中还规定了一系列试验波形：8/20s、1.2/50s、10/1000s和0.5s100kHz衰减振荡波形等。雷电流波形的选择在国内有很多争论，实际上雷电流波形也是多种多样的。IEC为防直击雷工程技术的需要，规定了一套雷电流典型参数，以对应建筑物的不同防雷等级和保护水平。同时，为了测试SPD的性能，IEC/S4237A(低压SPD分技术委员会)也选定了上述参数对SPD作试验，使SPD通过雷电流时不致超雷电流耐受能力而损坏，并保证在持续工作状态下具有正常的工作特性。IEC技术规格对SPD分三级试验，各级并有不同的雷电流等级：级SPD相应的冲击雷电流试验波形为10/350S；级SPD相应的冲击雷电流试验波形为8/20S；级SPD相应的冲击雷电流试验波为8/20S复合波（由发生器产生的开路电压波形为1.2/50S波，短路电流波形为8/20S电流波）。现在急需解决的问题是什么场合选用级(10/350S)?什么场合选用级或级?因为二者的比能量W/R在同样的电流等级下相差近20倍，因而其能量差别很大，由于I级雷电流（10/350S）和级雷电流（8/20S）所流经的路线，其雷电流比能量W/R则是雷电流脉冲波形函数的时间积分。如图五I-T波形，电流波型的面积代表的物理含义为Q(电荷量)；同时由于W/R(比能),Q与W具有直接的数学关系，所以从中可以用I-t波形面积看出两级别的雷电流的能量差别。 5、能量配合为选择出更好更适合的SPD安装在建筑物入口处，必须考虑其与其它级SPD之间的能量配合，也包括与被保护设备之间的能量配合。它们之间的能量配合的实现是决定保护效率的决定性因素，所以建筑物入口处SPD与其它级SPD及被保护设备之间的能量配合就更显得重要。据IEC61312-3雷电电磁脉冲的防护第三部分：浪涌保护器的要求能量配合的总的目的是：“利用SPD将总威胁值减到被保护设备的耐受能力范围之内，即各个SPD的浪涌电流额定容量不得超过被保护设备的耐受能量。”为了确保建筑物入口处SPD和建筑物内第二级SPD充分配合好，必须要求第二级SPD所耗散的能量低于或等于其最大耐受能量，这样才能实现了能量的配合。按照IEC的基本的能量配合原则有SPD之间的能量配合或SPD与被保护设备之间的能量配合。建筑物入口处SPD与次级SPD之间的能量配合可通过以下方式实现：自感解耦（静态伏安特性）配合、去耦元件配合、限压型SPD间的配合、电压开关型和限压型SPD间的配合、电压开关型SPD间的配合。5.1、自感解耦（静态伏安特性配合）放电间隙的放电取决于MOV两端残压(UVAL)以及去耦元件两端的动态压降UL。在触发放电前，UFLTUVAL十UL，一旦UFLT(放电间隙两端的电压)超过放电间隙的动态放电电压，配合就实现。这只取决MOV的特性、电涌的上升陡度及幅值、去耦元件的性质(如空气芯电感或铁芯电感或电阻)。如图六,为自感去耦时电涌能量分配电路图，图七为该电路图的I-T波形，我们可以通过I-t波形面积来定性地比较电涌能量的分配。能量交换的时间点取决于浪涌电流的陡度。如图七所示，A点为理想的交换点，这时限压型SPD所受到的能量等于它自身可以承受的最大值WWmax。B点为提前交换点，这时，MOV所受到的能量WWmax。当然这时MOV的寿命会大大延长，残压也会比A点中的MOV要低得多。图七C区为未能交换的情况，这时MOV将承受所有的浪涌能量，WcWmax这时MOV一定会被损坏，同时前面的开关型SPD也无法正常响应。5.2、电压开关型SPD间的配合当无浪涌时电压开关型SPD呈现高祖状态，一旦响应电压浪涌时，其阻抗就突变为低值。对放电间隙之间的配合，必须使用动态工作特性；在放电间隙2放电后，借助与去耦元件来实现配合，为确定去耦元件所需的尺寸，可用短路来代替放电间隙2，而为了使放电间隙1放电，去耦元件两端的动态压降必须高于放电间隙1的动作电（见图八）。如果用电感作去耦元件，必须考虑电流波形，特别是di/dt。当用电阻作去耦元件时，浪涌电流峰值决定了去耦元件所需的阻值。在选择期间的脉冲额定参数适应考虑浪涌电流在电阻上的压降，放电间隙1放电之后，将各个元件的静态伏安特性用来分配全部的能量。5.3、限压型SPD间的能量配合在不用去耦元件的情况下，两个SPD间的能量配合可根据相关电流范围及其静态伏安特性来实现能量配合。但是此方案对电流波形不是很敏感，如果用电感作为去耦元件，如图九则必须考虑浪涌电流波形。对具有长半值时间的波形（如10/350S）电感的去耦效果并不十分有效，如果可能用电阻作去耦元件（或电缆的固有电阻）来实现能量配合也是很实用的。但是就限压型SPD的配合，还得注意一点，必须设法将浪涌电流通过各自的SPD，电流波的宽度与入侵电流是不会被明显缩短。这就要求在设计时把这一点考虑进去。5.4、电压开关型和限压型SPD间的配合如5.1、自感解耦（静态伏安特性配合）实现了配合，这只取决于：（1）MOV的特性；（2）入侵的浪涌的上升速率及幅值；（3）去耦元件的性质（如电感或电阻）。图十所示出了这一配合方案的基本电路图。当用电感作去耦元件时，必须考虑浪涌电流的上升时间及峰值。di/dt越大，去耦所需的电感越小。必须考虑两种基本情况：（1）放电间隙不出现火花放电（“盲点”）：此时全部的浪涌电流流过MOV，MOV必须按这一浪涌电流的能量来确定其规格容量。（2）放电间隙出现火花放电 ：放电间隙的放电改变了施加于下游MOV的浪涌波形，在MOV中流过的电流的持续时间大大减小了，当使用低残压的放电间隙时，后续MOV的Uc的选择对其于放电间隙的配合来说不是很重要。（如图十一）然而，去耦元件值必需确定，在低压电力系统中，设计去耦元件时，是将短路作为最坏、最苛刻的情况来考虑（见图八、）。但对配合来说，就不是很恰当的。用“负载侧电压”为最坏情况进行去耦元件的设计更为实际。放电间隙下游的SPD通常是由MOV或MOV窜以间隙构成的。这类SPD，其残压在任何情况下都比额定电源电压的峰值高，额定电源电压的峰值相当于这些SPD的可能最低残压。因此，该峰值电压就取为反向电压的最小可能值。采用短路情况下而不是“反向电压”情况下的电流来进行设计，将导致去耦元件规格尺寸过大。图八分别示出了对于各种不同的下游负载（个别为SPD），使放电间隙SG火花放电所需的电感数值。6、结束语设计方案时，要合理地选择建筑物入口处的浪涌保护器，就必须依照IEC相关的标准及国标GB50057、IEEE系列标准最新要求来实现。在本文通过介绍SPD的一些参数，依据此类参数来选择建筑物入口处的SPD；由于能量配合在整个系统中作为多极SPD保护系统的核心，作为能量的控制和分配关键。还重点介绍了几种能量配合的几种方法。参考文献：1、 宋洪卫 建筑物入户处第一级SPD的性能介绍及保护模式的探讨 中国雷电与保护2003年第2期2、 IEC61312-3 雷电磁脉冲的防护第三部分：浪涌保护器的要求 1996-103、 张南法 喻军 关于SPD在应用中几个问题的探讨 防雷世界2004年第三期4、 俞勤潮 电源电涌保护器的选择 防雷世界2004年第三期5、 孟宪忠 建筑物入口处SPD的选择 中国电子商情防雷技术2003年1月总第355期6、 陈泽同 郑捷曾 浅谈防雷器级间配合中的几个问题 中国电子商情防雷技术2004年4月总第417期7、 防雷技术标准汇编 北京华云克雷雷电防护工程技术有限责任公司、北京市避雷装置安全检测中心、中国气象局专利事务所合编 20018、 国际防雷技术标准规范汇编 广东省防雷中心、广州市防雷减灾办公室编译 20019、 陈渭民 雷电原理 气象出版社 200310、 苏邦礼 雷电与避雷工程 中山大学出版社 199611、 张小青 建筑物内电子设备的防雷保护 电子工业出版 200014