淺談電力系統防雷中的浪涌保護

唐海津

（重慶市南岸馳騁電力設計所，重慶400060）

1 前言

近幾年，隨著經濟的迅速發展，高層建筑智能化程度越來越高，各種智能電器的應用也越來越廣泛。但是，由于電子產品集成度的提高，對電磁干擾也非常敏感，其耐沖擊水平也越來越引起重視。特別是由于雷電和開關操作在電力系統中產生的浪涌，會對電子產品的正常工作和壽命產生較大影響。而單單依靠傳統的避雷網及接閃器已不能滿足保護設備及各種智能電器的需要。

本文首先分析了電力系統中浪涌的成因：雷電浪涌及開關浪涌。然后通過對低壓電網中瞬態過電壓因素分析，提出在不同電力系統中。實現浪涌保護的有效途徑。

1 浪涌及其成因分析

浪涌(電涌)也叫突波，顧名思義，就是超出正常工作電壓的瞬間過電壓。本質上講，浪涌是發生在幾百萬分之一秒時間內的一種劇烈脈沖，是在相線之間、相線與保護線或地之間產生一個瞬態的過電壓，時間少于1ms。該電壓遠遠超過設備的最高允許工作電壓峰值，但它并無工作頻率。浪涌的成因是雷擊或者開關誤操作(如空氣開關過流跳閘)而引起的操作過電壓。可能引起浪涌的原因有：重型設備啟動、短路、電源切換或大型發動機啟動。而含有浪涌阻絕裝置的產品可以有效地吸收突發的巨大能量，以保護設備免于受損。

在低壓供電系統、測量和控制系統、計算機網絡，有許多因素可引起過電壓浪涌。下述四種原因形成的浪涌造成的危害最大。

1.1 直接雷擊(directlightningstroke)

如果雷電直接擊中有外部防雷裝置的建筑物就會通過引雷裝置傳輸雷電流人地，或者直接擊中建筑物頂部具有引雷作用的裝置放電(如室外天線，衛星接收裝置等)。第一種情況，會使地電位抬升，有可能造成對電源線(低壓架空線)或數據線放電；亦或是將一大部分雷電流通過保護接地線引入到建筑物內部裝置和連接的設備上。而第二種情況則會直接將大部分高能雷電流引入到建筑物內的設備上。以上兩種情況都會使得終端設備過流。

1.2 間接雷擊(indirectlightningstroke)

有時即使建筑物本身沒有遭到雷擊，而較近距離的雷電閃擊也可能引起建筑物內裝置上的過電壓。這個浪涌過電壓直接或通過電感性或電容性耦合到達電子裝置、設備的線路上。部分雷電流可能通過大地傳送到接地裝置從而對電子裝置造成極大危害。或者通過雷電放電通道散發出的磁場，在設備的線路上感應出過電壓。建筑物內的長導線回路特別容易感應出過電壓。容性耦合是通過具有高電位差的兩點之間的電場產生的，例如在雷電放電通道和金屬導線之間。

1.3 遠距離雷擊

遠距離雷擊就是幾百米之外的雷電閃擊，可能在低壓導線、數據線上感應過電壓，也可能將高電壓引至建筑物的接地裝置上，從而對電子設備造成極大的危害。甚至云層之間或云層內部的放電產生的電磁場也能耦合過電壓到導線中。

1.4 開關浪涌

開關浪涌來自電路的閉合、斷開的轉換操作。感性和容性負載的開關操作，也可能因短路電流的阻斷因起浪涌。特別是大型用電系統或變壓器的斷開而產生的浪涌可能引起對鄰近的電子設備的損壞。

在低壓電網中，最大的電壓峰值是由于雷電泄放引起的。當雷電直接擊中外部防雷裝置或低壓架空線路時，包含高能量的雷電浪涌常常使得連接在電網上的負載完全損壞。

在建筑物里的設備上、在電源線或通信線上的感應過電壓的峰值也可以達到正常工作電壓值的幾倍或幾十倍范圍。

2 基于不同電力系統的浪涌保護方案

為實現浪涌保護，避免浪涌對電子設備的損害，在工程上要安裝浪涌保護器。浪涌保護器也叫信號防雷保護器，簡稱SPD(SurgeProtection De-vice)，是一種為各種電子設備、儀器儀表、通訊線路提供安全防護的電子裝置。當電氣回路或者通信線路中因為外界的干擾突然產生尖峰電流或者電壓時，浪涌保護器能在極短的時間內導通分流，從而避免浪涌對回路中其他設備的損害。

在進行電氣設計時，通常將電力系統進行三級防護。第一級對直接雷擊電流進行泄放，或者對電源傳輸線路遭受直接雷擊時傳導的巨大能量進行泄放，浪涌保護器安裝在大樓的總配電柜處；第二級進一步將已通過第一級SPD的殘余浪涌電壓限制到2KV以下，浪涌保護器安裝在各樓層的分配電柜處及重要設備 (如UPS)的輸入電源側；第三級作為最終保護設備的手段，將殘余浪涌電壓的值降至1KV以內，使浪涌的能量不致于損壞設備。

2.1 SPD的安裝位置及接線形式的選擇

按系統特征確定信號浪涌保護器(SPD)的裝設位置及接線形式。如表1。

表1 SPD在不同電力系統中的安裝位置及其接線形式

分析表1可知，在TN-C系統和不引出中性線的IT系統只能選擇安裝四極浪涌保護器。而其余的電力系統則可選擇兩種接線形式：接線形式1選擇3+1極浪涌保護器，接線形式2選擇四極浪涌保護器。

2.2 SPD電壓保護水平的確定

根據所要保護的設備耐沖擊電壓Uo，選擇浪涌保護器的電壓保護水平。

當無法獲得設備的耐受沖擊電壓Uo時，安裝于220／380V三相電力系統的設備，其耐受沖擊電壓水平可按以下原則選擇確定：電源處的設備(工業電器)6KV；配電線路最后分支線路的設備 (工業電器)4KV；用電設備為家用電器：2.5KV；

電子設備：1.5KV。

2.3 最低Uc電壓值的確定

按電源系統特征確定浪涌保護器(SPD)的最低Uc電壓值，見表2。

表2 按電源系統特征確定浪涌保護器(SPD)的最低Uc電壓值

Uo應為220V，所以一般情況下持續運行電壓大于250V即可，但考慮到局部電網電壓的不穩定性，可以選擇稍高一些，將持續運行電壓選擇在275V一350V范圍內。

2.4 SPD放電電流(In)和沖擊電流(Iimp)選擇根據當地的雷電發生情況、建筑物防雷等級及信號浪涌保護器安裝位置選擇SPD的標稱放電電流(In)和沖擊電流(Iimp)。

防雷保護從根本上講是一種經濟行為，目的是盡可能降低雷電帶來的損失。但是在實際選擇SPD時，有的設計方案為了加大保險系數，在第一級防護時每相選用了Iimp高達200KA的SPD。統計資料顯示，高達200KA的雷電浪涌發生的概率為1/1000，通過接閃器及避雷帶引下線分流后，由SPD泄放的容量遠遠達不到200KA，這樣的設計方案，實際上SPD并不能發揮作用，而且增加了工程造價。

但是，對C級和D級保護，每一保護模式通路的標稱放電電流不應小于5KA(8/20μs)；采用3+1保護模式時，其N線與PE線間的高能放電模塊，其標稱放電電流In應滿足以下條件：三相時不應小于20KA(8/20μs)，單相時不應小于 10KA(8/20μs)。

如果是B級保護，則每一保護模式通路的limp(10/350μs)不應小于12.5KA；采用3+1保護模式時，其N線與PE線間的高能放電模塊沖擊電流limp應滿足以下條件：三相時不應小于50KA(10/350?s)，單相時不應小于25KA(10／350μs)。

同時，要注意ln與／lmax區別，按照有關標準，ln值是正反各10次的額定通流容量，做完此項試驗，浪涌保護器不應損壞；lmax是極限通流一次的通流容量，做完此項試驗后，浪涌保護器的性能已劣化，不能正常使用，此時要更換新的SPD。

2.5 選擇合適的SPD的后備保護

為防止浪涌保護器失效后引起的電流過載及短路，必需選擇合適的SPD的后備保護。后備保護可采用熔斷器、斷路器和漏電斷路器三種途徑來實現。熔斷器作后備保護是一種最常用的方案，但是按In或Imax來配置，其結果是完全不同。在大電流沖擊條件下，集膚效應使得熔斷體的電阻相對增大，熔斷器易提前熔斷。同時，因電阻產生的附加電壓降值將達數百伏，選用時應予考慮。

采用熔斷器作后備保護時，推薦熔斷器的規格如下：第一級SPD為開關型15kA，10/350，熔斷器為63A；第二級SPD為限壓型40kA，8/20，熔斷器為32A；第三級SPD為限壓型10kA，8/20，熔斷器為16A。某個電器科學研究所對某一型號SPD進行測試。其結論為：ln=20kA，lmax=40 kA時，串聯RTl4-63(熔體40 A)熔斷器，在19.8 KA大電流沖擊后熔體斷開。測得的限制電壓為2 674V，不串聯熔斷器時為l 900V。串聯DZ47-63斷路器(脫扣器1OA)，在18.29KA大電流沖擊后斷路器脫扣斷開。測得限制電壓為5 014V，其中斷路器附加電壓為3KV。因此，采用斷路器作后備保護，在斷路器上的附加電壓必須考慮。

結束語。浪涌保護器是近幾年研發出的保護電器，分為電源浪涌保護器和信號浪涌保護器。主要用于對因雷電等因素產生的過電壓、過電流的泄放。在實際應用過程中，大家對浪涌保護器在不同電力系統中的應用還存在著一定的誤區，以致使用不當，不能發揮浪涌保護器的應有功能。本文通過對浪涌的成因分析，提出了在不同電力系統中實現信號浪涌保護的途徑。

[1]門中奇.談電力系統的防雷保護.沈陽理工大學.[期刊]中國西部科技，2010-07-25.