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(jī)制敏感設(shè)備(感受器） 按電磁兼容模型，對(duì)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(hù)。電涌電壓的示例tu雷電電涌電壓持續(xù)時(shí)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(gè)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(hào)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(hào)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(hào)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(duì)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(qiáng)度計(jì)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(shí)，應(yīng)考慮電閃中可能出現(xiàn)的三種雷擊形式： （1）短時(shí)首次雷擊； （2）首次后的短時(shí)雷擊； （3）長時(shí)間雷擊。短時(shí)雷擊長時(shí)間雷擊t90%10%1

4、T2TI50%I峰值電流（幅值）波頭時(shí)間T半峰時(shí)間12Ti+ _t_ +ic）向下閃擊的組合形式_+itti+_itti_a）b）d）c）單個(gè)首次短時(shí)雷擊首次短時(shí)雷擊后續(xù)多次短時(shí)雷擊后續(xù)多次短時(shí)和長時(shí)間雷擊首次短時(shí)雷擊后續(xù)長時(shí)間雷擊首次短時(shí)雷擊0000c）d）b）a）_itti_ +itti+ _ +ite）短時(shí)雷擊疊加的短時(shí)雷擊首次長時(shí)間雷擊后續(xù)長時(shí)間雷擊后續(xù)短時(shí)雷擊時(shí)雷擊疊加的短單一長時(shí)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(shí)間波頭時(shí)間/s10101010

5、1010T T2 2波頭時(shí)間波頭時(shí)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(shí)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(shí)間波頭時(shí)間/s0.250.250.25T T2 2波頭時(shí)間波頭時(shí)間/s100100100I I/ /T T1 1平均陡度平均陡度/（kA/s）200150100首次以后短時(shí)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(shí)間時(shí)間/s0 0.50.50.5長時(shí)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(jì)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(duì)一些典型的感性耦合能量進(jìn)行了計(jì)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(jì)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(jì)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(yuǎn)處接地的進(jìn)入建筑物的金屬管線建筑物的金屬管線遠(yuǎn)處接地的進(jìn)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(hù)器 電涌保護(hù)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(hù)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(hù)器件。 辯異：電涌保護(hù)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(diǎn)加深對(duì)基本概念的理解，通過不同點(diǎn)加強(qiáng)工程意識(shí)培養(yǎng)。 一、電涌保護(hù)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(jìn)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(hù)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(jí)的保護(hù)。 三類SPD的保護(hù)動(dòng)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(hù)器的沖擊分類試驗(yàn) SPD有三種沖擊分類試驗(yàn)，這三種試驗(yàn)沒有等級(jí)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(jìn)行試驗(yàn)，并以試驗(yàn)類別標(biāo)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(hù)作用。 安裝位置：高暴露地點(diǎn)；低暴露地點(diǎn)。 保護(hù)作用：泄放能量為主；與被保護(hù)設(shè)備耐壓特性配合為主。 1、試驗(yàn)用電流與電壓波形 （1）試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)電流。見圖。其中曲線、為IEC61643-1標(biāo)準(zhǔn)推薦，

10、曲線為德國E DIN VDE0675標(biāo)準(zhǔn)推薦。 （2）試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)電壓。一般采用1.25/50s的沖擊電壓作為試驗(yàn)電壓。電涌保護(hù)器試驗(yàn)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(yàn) （1）I級(jí)分類試驗(yàn)。用1.2/50s沖擊電壓、8/20s和10/350s沖擊電流作的試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)果：標(biāo)稱放電電流In（8/20s），最大沖擊電流Iimp（10/350s）。 通過該

11、試驗(yàn)的SPD通常用于高暴露地點(diǎn)，可承受較大的能量。一般電壓開關(guān)型SPD進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn) （2）II級(jí)分類試驗(yàn)。用1.2/50s沖擊電壓、8/20s沖擊電流作的試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)果：標(biāo)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(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)，用于低暴露地點(diǎn)。 一級(jí)與二級(jí)分類試驗(yàn)得出的參數(shù)中，In是重疊的。 （3）III級(jí)分類試驗(yàn)。開路時(shí)施加1.2/50s沖擊電壓、短路時(shí)施加8/20s沖擊電流作的試驗(yàn)。 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(shí)間不小于設(shè)計(jì)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(yùn)行電壓不應(yīng)該高于該電壓。 （2）標(biāo)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(gè)電流后，SPD的特性變化不超過允許范圍?？捎蒊、II級(jí)分類試驗(yàn)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(shí)質(zhì)性損壞。由II級(jí)分類試驗(yàn)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(shí)質(zhì)性損壞。由I級(jí)分類試驗(yàn)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(dá)到規(guī)定的次數(shù) 。 （5）電壓保護(hù)水平UP。即最大殘壓。對(duì)電壓開關(guān)型SPD ，又等于放電電壓。 殘壓指SPD動(dòng)作后的電壓，為隨時(shí)間變化的波形，UP即變化的上限。 電壓保護(hù)水平應(yīng)低于設(shè)備耐壓。 （6）響應(yīng)時(shí)間。一般要求小于25ns。 參數(shù)示例。某通過I級(jí)分類試驗(yàn)的SPD參數(shù)如下： 最大持續(xù)工作電壓Uc：350V 標(biāo)稱放電電流In

14、：20kA（15個(gè)8/20s電流波） 沖擊電流Iimp：115kA（1個(gè)10/350s電流波） 電壓保護(hù)水平UP：600V第六節(jié) 低壓系統(tǒng)電涌保護(hù)配置 一、電涌保護(hù)對(duì)象分級(jí) 電涌防護(hù)等級(jí)是以建筑物中電子信息系統(tǒng)為對(duì)象劃分的，依據(jù)有兩個(gè)，一個(gè)是雷擊風(fēng)險(xiǎn)，另一個(gè)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(hù)級(jí)別與同一建筑內(nèi)電子信息系統(tǒng)的防護(hù)級(jí)別等同，有時(shí)又簡稱建筑物的電涌防護(hù)等級(jí)。 分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)，A級(jí)防護(hù)要求最高，D級(jí)最低。 二、電涌保護(hù)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(hù)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(duì)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(jìn)行防護(hù)。 與雷電過電壓防護(hù)對(duì)比：能量相對(duì)較小，但被保護(hù)設(shè)備承受力也小，響應(yīng)時(shí)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(hù)主要對(duì)象及耐受水平 保護(hù)對(duì)象為低壓配電和用電設(shè)備。 低壓設(shè)備耐壓分4個(gè)等級(jí)，見下表。系統(tǒng)標(biāo)稱系統(tǒng)標(biāo)稱電壓電壓從交流或直流標(biāo)從交流或直流標(biāo)稱電壓導(dǎo)出線對(duì)稱電壓導(dǎo)出線對(duì)中性點(diǎn)的電壓中性點(diǎn)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(jī)、計(jì)算機(jī)等。 過電壓類別II：用電設(shè)備，如洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)器等。 過電壓類別III：負(fù)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(hù)系統(tǒng)的布局 采用分散、多級(jí)的布局。 理由：同一電壓等級(jí)電網(wǎng)中有多個(gè)耐壓等級(jí)設(shè)備，且設(shè)備本身是分散布置的。 結(jié)果：逐級(jí)泄放電涌能量。 要求：在恰當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)器： 1）SPD電壓保護(hù)水平與被保護(hù)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(jí)分類試驗(yàn)的SPD。其他交界面：設(shè)置通過II、III級(jí)分類試驗(yàn)的SPD。 3）同一防雷區(qū)中的同一配電級(jí)中，考慮電涌波過程，可能在若干處設(shè)置SPD。 按從電源到負(fù)荷的方向，系統(tǒng)的多級(jí)保護(hù)分別被稱為第一、二、三、四級(jí)，對(duì)應(yīng)于被保護(hù)對(duì)象的過電壓類別。辯異： 一級(jí)SPD：在

18、系統(tǒng)中處于最靠電源側(cè)的SPD； I類SPD：通過I級(jí)分類試驗(yàn)的SPD。 某高層住宅電涌保護(hù)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(hù)能力：250A（非選擇型）、3kA（選擇型）。 （2）RCD對(duì)電涌保護(hù)器失效的保護(hù)IRCDL1L3L2NPE=IdIPENL2L3L1RCDI=0IIdIRCDL1L3L2NPENI共模：有效共模：有效差模：無效差模：無效對(duì)對(duì)N-PE間間RCD失效保護(hù)失效保護(hù)保護(hù)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(duì)RCD保護(hù)靈敏性的影響 （3）電涌保護(hù)與過流保護(hù)配合 主要考慮SPD失效（相當(dāng)于元件短路）時(shí)，過流保護(hù)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(yuǎn)小于短路量級(jí)的接地故障電流 差模：短路電流 采用31接法，過流保護(hù)可保護(hù)3SPD失效。不必