2023低压配电系统电涌保护.docx

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1、低压配电系统电涌保护电涌（surge）研究及电涌保护是近三十来年发展起来的一个新的技术领域，是雷击电磁脉冲LEMP防护的组成部分之一，与建筑物上的LEMP防护共同构成SPM.电涌保护是在传统防雷系统LPS对电子信息系统失防的背景下产生的，但其设防对象已不只局限于雷电，还包括操作过电压等其他来源的能量冲击，保护对象也从电子信息系统扩展到低压配电系统。从危害来源看，雷电是电涌保护最主要的设防对象，因此它属于防雷技术体系的一部分：而从受害对象看，电子信息设备是电涌保护的主要保护对象，目的是防止电磁干扰对电子信息设备的破坏因此它又属于电磁兼容（EMC；技术体系的一部分；低压配电系统作为电子信息系统的电

2、源，也被纳入电涌保护的范围，因此它还属于电力系统过电压防护技术体系的一部分。多个工程技术体系的交叉，导致电涌保护从概念、术语到方法都比电力系统传统瞬态过电压防护有更宽阔的背景。因此本章的内容，既是第五、六章内容的延伸，又是电磁兼容技术体系的一个应用分支。第一节电涌本节将对电涌的含义、来源及强度计算等问题进行介绍。-.电涌及来源1 .什么是电涌低压电气系统中的电涌是按瞬态过电压的一种类别来考虑的，电子信息系统中的电涌属于电磁兼容中的电磁干扰和（或）电磁骚扰，关于电涌与电涌保护的很多概念、术语和方法需要用EMC的观点才能更好地理解，因此本节主要用EMC的观点来介绍电涌。电磁兼容学科研究由骚扰源（发

3、射器）、耦合机制（路径）及敏感设备（感受器）组成的干扰模型，如图7-1所示。就电涌而言，在以上这个模型中，各部分的具体内容如下：（I）骚扰源主要有以下几种：雷电，雷击电磁脉冲LEMPL电力系统开关操作（操作电磁脉冲SEMPj.电力系统的扰动（如短路故障：，静电放电，低频和高频发射机,核爆炸（核爆电磁脉冲NEMP：，等.本书只涉及LEMP和SEMP这两种骚扰源.其中又以LEMP为重点.耦合机制主要有导体传导耦合和空间辐射耦合两类，辐射耦合又分为电场耦合和磁场耦合.按电磁兼容等效电路上电路元件与耦合机制的对应关系，将传导耦合称为电阻耦合，电场和磁场辐射耦合分别称为电容耦合和电感耦合，敏感设备指建筑

4、物中或建筑群间的电气、电子系统-在本书的讨论中，感受器只考虑低压配电系统。综上所述可以定义：电涌是以雷击电磁脉冲和（或）操作电磁脉冲为骚扰源，在电气电子系统中耦合的能量脉冲。从该定义理解，电涌是骚扰源耦合到电气电子系统中产生的一种干扰，但一旦系统中产生了电涌，它对系统设备或元件而言又是一种骚扰源。如图7-2示出了低压配电线路中工频电压叠加了电涌电压时的波形，从图中可见，雷击电磁脉冲产生的电涌电压幅值远大于工频电压，但持续时间很短。操作电磁脉冲产生的电涌幅值相对较小，持续时间长一些。2 .电涌的来源雷电耦合的电涌下面以几个实例展示雷电耦合电涌的途径。1）传导（阻性）耦合。除了直击雷放电到线路上形

5、成的电涌外，阻性耦合还可能有其他的方式。如图7-3所示，雷击建筑1的外部防雷系统时，在接地电阻RH上产生了很高的电压，而建筑2的接地电阻R2仍为参考地电位，由于两个接地电阻间通过PE线和信号线的金属屏蔽层电气连通，雷电流会流向接地电阻用2,从而在信号线中形成电涌电流，并以波阻抗的比例在信号线中产生电涌电压。另外，中压系统通过变配电所共同接地耦合到低压系统的雷电电涌也是传导耦合的一种形式，见本书第六章图672.2感性辐射耦合。雷电流产生的磁场会在金属环路中感应电动势。若环路是闭合的，则在环路中产生电涌电流：若环路有开口，则在开口上产生电涌电压。图7-4a所示为电源线和信号线形成开口环路的例子，当

6、有雷电电磁场时，设备内电源线与信号线端头之间会产生电涌电压。图7-4b为两芯电缆的例子，雷电电磁场在芯线环路中感应电涌电流，该电流直接流过负载阻抗和信号源。a)b)图7-4感性（电磁场）耦合的电涌3）容性辐射耦合的电涌。如图7-5所示，雷击接闪器时，雷电流在引下线和接地装置阻抗上产生压降，使接闪器处有很高的对地电压，且迅速积聚大量的雷电荷。接闪器与远方信号线导体间有耦合电容效应存在，接闪器上电荷的快速上升，相当于电容充电过程，信号线导体作为电容的另一极也有电荷注入，形成电涌电流。图7-5容性（静电场）耦合的电涌容性耦合的另一个常见途径是中、低压系统间通过变压器绕组间等效电容耦合电涌，但其图7-

7、 6切除电谷器时的操作电涌过电压量值通常不大。一般认为，在距雷击点2km的范围内,电子信息系统都可能被传导或辐射耦合的电涌所破坏，因此称2km为电涌危害的危险半径.（2）电力系统操作耦合的电涌电力系统操作产生的电磁干扰比雷电干扰更为频繁，因此对低压系统和中高压二次系统的影响也不能忽视。这种影响主要缘于操作所引起的能量分布的调整.如切除电容时可能出现的高频振荡过电压，就是一种电场能量的调整过程，如图7-6所示。二、电涌强度计算电涌强度本质上是电涌的能量大小，且与能量释放的速率有关。该能量常以电压或电流参量表征。在评估电涌对电气电子设备的危害以及校核电涌保护装置的负载能力时，电涌的能量都是一个重要

8、参数：在低压配电系统中主要考虑阻性和感性耦合的雷电电涌。以下举例介绍这两种电涌能量的一些估算方法。1 .电源线上来自被击建筑物分雷电流的估算这是对损害成因Sl（指雷击建筑物，详见第五章表5-2）传导耦合的电涌强度的计算。如图7-7所示，雷击建筑物时接闪器承受100%雷电流，该雷电流幅值大小按第五章表555表5-7取值，因建筑防雷类别而异。由于在电源线路引入处实施了总等电位联结，故从接闪器引下的雷电流在EBB处遵循彼得逊法则按波阻抗关系向各导体分流，其中一部分通过接地装置进入大地，粗略估算这部分电流占50%,剩余的50%雷电流进入作了等电位联结且在远处接地的各种金属管线，并且这些管线均分这剩下的

9、50%雷电流。设接闪器的雷电流为i，则进入各管线的总电流，s=0.5i；若管线的总数为，则进入每一管线的电流=，S=-=-!若一路电缆有，芯导体，则每芯导体电流为/V=,=-,这是电缆无n2？2mn屏蔽的情况。若电缆有屏蔽层，则多达50%70%的电流将沿屏蔽层流走，一般有屏蔽层时缆芯导体总电流按50%力计算，100%雷电流，LBB一等电位联结板引远处接地的进M 建筑物的金属管钱远处接地的进入 建筑物的金属管线图7-7雷击建筑物引入电源系统的雷电流估算方法需要说明的是，电缆线路只是PE导体、PEN导体或（和）屏蔽层作等电位联结，带电导体并不作等电位联结。之所以考虑雷电流通过EBB进入缆芯带电导体

10、中，是因为雷电流在接地装置上产生较高电压，使EBB与带电导体之间产生过电压，可能因电涌保护器导通而使雷电流进入带电导体，或发生闪络将雷电流传导至带电导体。如果以上情况都未发生，按行波在传输线上的传播原理，带电导体与屏蔽层或PE导体间有行波过电压，带电导体上也会按特征阻抗比例产生行波电流。雷击建筑物引入电源系统的雷电流估算示例如图7-8所示，电涌保护关注的是图中TT系统电源线每根导体上的电流/V.N分得约8%的雷电流。2 .雷击低压架空线路引起的电涌过电压这是对损害成因S3产生的电涌强度的计算。雷电直接击中低压架空线路时，泄放的电F 248 电气安全第3版N L Tt电力线路金属水管100%/

11、IfiIlltK内部环形接地连接带或环形/接地极16.7%16.7%金属暖气管防雷引下绽接IM筋混鼓上墙或若岫内钢筋图7-8雷击建筑物引入电源系统的雷电流估算示例荷以雷击点为中心向线路两个方向运动，故线路上电涌电流为雷电流的一半，按传输线原理，产生的电涌电压为UoV=IZ（7-1）式中Um-雷击点两侧过电压最大值kVl:Z1氐压架空线路特征阻抗，300、5000/-雷电流幅值（kA，其取值取决于风险评估.线路并联导纳有泄放雷电流的效应，且低压架空线路绝缘子的冲击闪络电压为3040kV.若按式71计算出的过电压大于闪络电压值，在距雷击点很远的地方UoV可取值为40kV。3 .雷击低压架空线附近大

12、地或大地附着物时引起的电涌过电压这是对损害成因S4产生的电涌强度的计算.如图7-9所示，当有雷云存在于导线附近时,在雷云放电的初始阶段，存在着向大地发展的先导放电过程，线路处于雷云与先导通道的电场中，因静电感应，在电场强度E的水平分量反的作用下，与雷云所带电荷异性的电荷会沿导线向先导通道附近积聚，形成束缚电荷，而与雷云所带电荷同性的电荷受E,排斥，会远离先导放电通道，经线路的对地电导和系统中性点等泄入大地，这样导线上便有净正电荷存在。由于先导通道发展缓慢，导线上的电荷运动也很缓慢,可近似看成是静电荷.按静电场的原理，电场中的导体应是等位体，因此这时先导通道附近的导线与其远端电压相同-当雷云终于

13、发展到对附近大地或建筑物放电时，有两个途径会使线路产生对地过电压，分述如下：（I）感应过电压的静电分量由于放电时雷云中的负电荷向大地泄放，使导线上的正图7-9线路上雷电感应过电压形成原理示意a）主放电前b）主放电后束缚电荷失去束缚，在电场力作用下会向导线两端运动形成行波电流。根据传输线理论，波阻抗一定的传输线，行波电流会以波阻抗比例产生行波电压，因此凡有释放电荷通过的地方，导线上都会产生对地电压，该对地电压与电流大小正相关.由于释放电荷产生的电流一般较大且波头较陡，因此过电压幅值也较大，波头也较陡。这种过电压是由于雷云中电荷突然消失、进而使静电场突然消失造成的，故称之为感应过电压的静电分量（2

14、）感应过电压的电磁分量先导放电发展成对地主放电后，形成雷云与大地之间的雷电通道，雷电通道中的雷电流会在通道周围空间产生急剧变化的磁场。变化的磁场与导线耦合，会在导线中产生感应电动势，由此引起的过电压称为感应过电压的电磁分量。根据统计和理论分析，感应过电压的最大值可按下式估算：UoVa町X30Q（7-2）式中UOV-感应过电压最大值（kVik一系数取决于雷电流反击的速率取值范围11.3：/一j雷电流幅值1kA:一导线悬挂平均高度m）id雷云放电点与导线在地面投影的距离1m）.感应过电压同时存在于线路各导体，故不存在导体间电位差，过电压是线路各导体对于大地而言的。以中等强度雷电流=30kA.架空线

15、高度5m,雷击放电点距架空线100Om计算.电涌电压幅值在5kV左右；若考虑高强度雷电流=100kA.则电涌电压可达15kV以上.相应的电涌电流可通过低压线路的波阻抗估算。4 .建筑物内线路中预期感应电压和能量的估算这是对损害成因S1感性辐射耦合的电涌强度的计算当雷击建筑物的防雷装置时，在电气电子线路中预期最大感应电压和能量的近似估算如图7-10和表7-1所示。X图7-10应用于表7-1的环路布置a）包围一大面积并与引下线不绝缘的环路b）包00一小面积并与引下线绝缘的环路O布置相似于a）但环路包围的面积是小的，装置板靠近引下线并与其接触d）布置相似于a）但环路安装在封闭型金属电缆管内8）布置相似于a）,线路由屏蔽电缆组成，屏蔽线是引下线的一部分仆布置相似于b）,线路由两芯线的屏蔽电缆组成，电缆屏蔽层是弓I下线的一部分，所考虑的环路与防雷装置绝缘i一流经引下线的分雷电流T-作引下线用的金属结构立柱K-作自然引下线用的金属电缆管道一电气装置平行于引下线的长度表77闪电击中安装在一类防雷建筑上的防雷装置时所感应的电压和能量的近似计算外部防雷装置的形式引下线（至少4根J间距10-20m钢构架或钢筋混凝土柱有窗的金属立面无窗的钢筋混凝土结构