电气安全第五章过电压与低压系统电涌防护

第五章：过电压及低压系统电涌防护过电压指系统出现了超过正常电压范围的高电压值。电力系统正常运行中，无论是过电流，还是过电压都将对系统产生影响和危害，过电流的危害主要是大电流产生的力效应和热效应会损坏系统设备，而过电压的危害主要是使绝缘遭到破坏而导致系统设备损坏！对于供配电系统，若将用电设备考虑进去，过电压危害形式要更多一些，总之，在供配电系统，短路造成的过电流一般仅危及系统安全，而过电压不仅危及系统安全，还危及用电设备、人身、建筑物等的安全，其危害更广，本章将主要研究供配电系统中过电压的产生及防护问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。过电压与设备耐压：过电压：过电压的分类（1）按能量来源分：大气过电压和内部过电压。1）大气过电压（外部过电压）：直击雷过电压：是指雷云直接向杆塔、避雷线或导线放电产生的过电压，比重大，危害大。感应雷过电压：感应过电压静电分量-----雷云中电荷突然消失，进而使静电场突然消失造成的。感应过电压的电磁分量-----雷云放电中产生的突变电磁场耦合至导线上产生的感应电动势引起的过电压。感应雷过电压对35KV以下系统危害大！通常S>65m时，雷击地面的概述转大，此时感应过电压最大值Ugm=25Ihl/s，I－雷电流幅值（KA），hl－导线高度（m），S－雷击点距导线距离（m）。（极性：与雷电流极性相反！）若导线上方有避雷线，则其屏蔽作用，会使感应过电压幅值降低。外部过电压能量来自于雷电，能量量值大、但作用时间短，通过各种途径耦合到电网中。过电压大小与系统标称电压无关，因此对中、低压系统危害特别大。2）内部过电压：暂时过电压：工频过电压和谐振过电压。操作过电压：间歇电弧接地，空载分合闸过电压。内部过电压能量来自于系统本身，是由于系统内部运行状态或参数发生变化引起能量重新分配过程中所产生的一种现象。*操作过电压：指在电力系统中实施了某种操作产生的过电压。操作过电压能量来自于操作过程中电网能量的转换和重新分配。常见有：投、切空载线路引起的过电压，切除空载变压器引起的过电压，开断电容器组或高压运转电机产生的过电压。*谐振过电压：电力系统中电感与电容参数在特定配合下发生的谐振。谐振过电压能量来自于电网不同部分之间电、磁能量的来回转换。常见有：线性谐振过电压、非线性（铁磁谐振）过电压。*工频电压升高：工频过电压能量直接来自于系统电源。常见有：长线电容效应，过补偿，不对称故障，甩负荷，中性点位移，高电压传导。内部过电压能量可由电网源源不断的补充、持续时间较长。过电压程度与系统标称电压密切相关，即过电压幅值与系统额定电压有直接关系，一般为系统对地最大相电压的2.75—4.0倍，因此对超高压和特高压系统危害特别大。从绝缘危协角度，内部过电压对中低压系统危协不大，但从环境安全、人身安全及用电设备安全却危害甚大，须以重视。（2）按持续时间分：瞬态过电压和暂时过电压。瞬态过电压：大气过电压、操作过电压。暂时过电压：工频过电压、谐振过电压。过电压量值的表示方法：（1）与过电压量值表达相关的两个术语1）系统最高电压Um。在正常运行条件下，系统可能出现的最大电压值，但不包括瞬变电压。对中压系统，Um一般为系统标称电压UN的1.2倍。2）系统最高电压范围。范围I：3.6kV≤Um≤252kV；范围Ⅱ，Um≥252kV。注意不要与低压系统的电压区段混淆。（2）过电压程度的工程表示方法1）大气过电压：直接用电压值表述，通常还要注明电压波形。2）相对地工频过电压：用标幺值表述，基值为最高相电压有效值，记为p.u.：P.u=Um/31/23）相对地操作与谐振过电压：同样用标幺值表述，基值为最高相电压幅值：P.u=21/2Um/31/2电气设备的耐压：1、作用电压与设备耐压（1）作用电压电气设备耐压与作用于其上的电压形式和作用时间、作用次数等密切相关。作用于其上的电压——作用电压。（应考虑哪些形式的作用电压呢？）根据设备实际可能承受的过电压情况，确定出一些相对应的典型作用电压形式，并以工程 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的形式发布推行。（见 ppt 关于艾滋病ppt课件精益管理ppt下载地图下载ppt可编辑假如ppt教学课件下载triz基础知识ppt ）（2）设备耐压与标准作用电压相对应，规定了一系列标准耐受试验，通过这些试验，可得出设备绝缘在不同情况下的耐受电压能力，其中工频耐压和冲击耐压为最常用的耐压参数，如：1）最高工作电压：能长期承受的工频电压上限值，由持续工频耐压试验确定。2）1min短时工频耐压：由短时工频耐压试验确定，考察对暂时过电压承受能力。工频耐压决定了电气设备在工频电压升高情况下是否能不被破坏3）雷电冲击耐压：由1.25μs/50μs冲击耐压试验确定，考察对雷电过电压的耐受能力。冲击耐压用于考查电气设备在雷电过电压冲击下绝缘是否能不被破坏！（3）气体绝缘冲击耐压的伏秒特性：对于某一定的电压波形，必须用电压峰值和持续时间两者来共同表示，这就是该气隙该电压波形下的伏秒特性。伏秒特性表明击穿时间与电压量值的关系。注意：绘制伏秒特性曲线时，波前击穿与波尾击穿电压取值不同。变配电所过电压保护变配电所遭受雷害可能来自两个方面，一方面雷直击，采用架避雷针、避雷线措施防护；另一方面雷击线路沿线路入侵过电压，采用装设避雷器以限制入侵至变电所、配电所的过电压。避雷器：避雷器工作原理避雷器是防止雷电产生的过电压沿电力线路入侵至变配电所或其它建筑物内的一种压控电器，当过电压沿电力线路入侵至变配电所时，避雷器先于被保护设备被击穿，释放过电压能量，保护电气设备。一般避雷器装设在线路（建筑物）的进出口处，与被保护物体并联，当侵入过电压超过某一电压时，避雷器动作使过电压被限制，从而使电气设备得到有效保护。（1）、避雷器基本要求：1）在过电压作用下，避雷器应该先于被保护设备放电。（靠两者之间的伏秒特性配合实现）2）避雷器应具有一定的熄弧能力，以便在工频续流第一次过零点时能迅速可靠地被切断。（2）、避雷器的基本分类及使用场合：保护间隙、管式避雷器、阀式避雷器、金属氧化物避雷器。1）保护间隙和管式避雷器：主要用于线路的过电压保护，其中保护间隙主要用于10KV及以下低压配电网线路保护，管式避雷器主要用于发电厂、变电所进线保护！2）阀式避雷器和金属氧化物避雷器：主要用于发电厂和变电所中的过电压保护，220KV及以下系统，主要用于限制大气过电压，220KV-500KV系统中除限制大气过电压外，磁吹式和金属氧化物避雷器还可以回来限制内部过电压或作为内部过电压的后备保护！2、避雷器的类别与特性：（1）、保护间隙：1)结构及工作原理：P148图5-3*结构：主要由主间隙和辅助间隙构成，有棒型、角型、常用羊角型！*工作原理：当过电压值超过保护间隙动作值时，间隙被击穿，过电压经其流入大地，过电压作用之后，工频续流产生的电弧，在羊角状间隙中利用工频电弧在自身电动力和热气流作用下向上运动，使电弧伸长，从而熄灭电弧。2）主要优缺点：*结构简单，价格低廉。*优秒特性比较陡，与被保护设备的伏秒特性很难配合。*动作后会形成截波，对变压器的纵绝缘（匝间）不利！*灭弧压力差，工频续流会导致单相接地故障。3）适用范围：10KV及以下配电系统的线路保护。（2）管式避雷器：实质是一个具有较高熄弧能力的保护间隙！1）结构及工作原理：P148图5-4*结构：主要由主气管、内间隙、外间隙、电极等构成。*工作原理：雷电过电压入侵→S1S2同时击穿，雷电流入地→过电压消失，有工频续流流过→S1产生强烈电弧使管内的材料分解产生大量气体→气体沿管口吹出→电弧迅速熄灭→S2恢复绝缘→系统正常运行！2）主要优缺点：*结构简单，灭弧压力强，经济实用。*优秒特性比较陡，不易与变压器等伏秒特性较平坦的设备配合。*动作后产生载波，对变压器纵绝缘不利！*熄弧能力与工频续流大小有关，因此选择时应根据安装点参数合理选择（存在熄灭电弧对应工频续流的上、下限问题，若续流过大，产气量过多，可能会造成产气管炸裂；续流太小时，产气量过少，管内压力太低，不足以吹灭电弧，极有上、下限规定，通常在型号中表明如GXS35/2－10）。3）选择与安装：*选择：上限要大于安装点短路电流的最大值，下限应小于安装点适中电流最小值。*安装：为防吹气时发生弧光相间短路以及管内积水，其开口端应向下傾斜，与水平面交角要大于15º－20º，三相开口方向应不同。4）适用场合：用于线路保护（如大跨距和交叉档距）以及发、变电所的进线保护。（3）、阀式避雷器：1）结构及工作原理：*结构：由火花间隙和具有非线性电阻特性的阀片组成，并装设在密封的磁套管内。*工作原理：如图P149图5-6所示，系统正常运行时，火花间隙将阀片电阻与线路隔离→过电压到来时，首先使火花间隙击穿放电→大的冲击电流由阀片导入大地→由于电流大，阀片电阻很小→残压较小且低于被保护线路及设备的冲击耐压值→使线路及设备得到保护，过电压消失后→工频续流流过时，因电流小故阀片电阻值很大→限制了工频续流值→当电弧第一次过零时被熄灭，切断电路！2）各类及常见型号：阀型避雷器分为普通型和磁吹型。*普通型：FS系列：配电型10KV及以下配电网中电气设备保护FZ系列：变电所型220KV及以下变配电所电气设备保护*磁吹型：FCZ系列：配电型10KV及以下配电网中电气设备保护FCD系列：旋转电机型，旋转电机保护3）普通型阀式避雷器及磁吹式避雷器应用场合：普通型熄弧完全依靠间隙的自然熄弧能力，热容量有限，不能承受较长持续时间的内部过电压冲击电流，故不允许在内部过电压下动作，主要用于220KV及以下系统，作为限制大气过电压。磁吹型阀型避雷器是利用磁吹电弧来强迫工频续流熄弧，其单个间隙的熄弧能力较高，其冲击放电压和残压较低，保护性能较好，且阀片热容量也较大，允许通过内部过电压作用的冲击电流，故可用作限制内过电压。4）普通阀型避雷器非磁吹火花间及隙阀片电阻：*非磁吹火花间隙：间隙0.5－1.0mm，工频放电电压2.7-3.0KV，云母垫片间隙的电晕放电使分散性小，伏秒特性平坦，易于配合多个间隙串联，灭弧能力强，可切断80－100A工频续流，且间隙恢复强度高，无热电子发射时，单个间隙初始恢复强度可达250V。*阀片电阻：阀片为SiC烧结而成（300－350℃），伏安特性：U＝Ciα，C－常数（与材料有关），α－非线性系数，一般为0.2，阀片电阻非线性越好越有利于灭弧，同时还可避免载波的产生，动作后有一定的残压，但阀片电阻有热容量间题。规定35－220KV阀型避雷器以5KA雷电流为 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 依据，绝缘配合也以5KA雷电弧作用下残压为依据即Uc5！普通阀型避雷器通流容量以波形20us/4us,峰值5KA冲击电流和幅值100A工频半波电流各20次。5）磁吹阀式避雷器：*磁吹火花间隙：间隙放电后的工频续流是利用磁场使电弧运动（旋转式拉长）来提高灭弧能力，旋转型可熄灭300A工频续流（如FCD系列），限流型（拉长型）可达450A（如FCZ系列），且阀片电阻数目也可，残压低。**磁吹火花间隙的原理：冲击电压作用F→主、辅间隙被击穿→雷电流主、辅阀片入地→工频续流通过时→辅助间隙自动熄弧→工频续流进入磁吹线产生磁吹灭弧。**并联电阻：作用使间隙电压分布均匀，通常使用有足够热容量的非线性电阻！**阀片电阻：α一般为0.2，但通流容量大（高温烧结：350º－1390℃），可用于330KV以上系统中限制内部过电压。（4）、金属氧化物避雷器：1）结构与原理：*结构组成：上世纪70年代开始使用，无火花间隙，其阀片及Zn0为主要材料，少量精选过的金属氧化物经高温烧结而成，具有非常理想的非线性特性。*工作原理：正常状态下电阻值极高，通过电流仅为10－15µA，按近于绝缘状态，过电压工作下→电阻值急剧下降→相当于阀门打开，导通后残压与电流大小无关→当电压低于导通电压时→阀片电阻极大，相当于绝缘体，不存在工频续流。伏安特性U＝Ciα，α一般在0.01-0.04。2）主要特点：*无间隙：正常工作电压下电导电弧只有十几微安，相当绝缘体，故无火花间隙，结构简单，尺寸小，重量轻，安装方便！*保护性能好：伏秒特性平坦，易于配合保护变压器、变电所等设备。*通流容量大，能制成重载避雷器：通流能力为SiC阀片4－4.5倍，可用于操作过电压的保护！*无续流，耐重点动作能力强：续流为µA级可视为无，可耐受多次雷击和主要动作操作过电压！*缺点：起始动作电压较低，易受暂态过电压影响，且成本高。3）有间隙金属氧化物避雷器：起始电压较低，承受暂态电压能力差，运行中损坏爆炸率高。（4）保护用电容器：如阻容耦合吸收装置常用于限制过电压！3、阀式避雷器的主要参数：（1）SiC避雷器参数1）额定电压：安装处电力系统电压等的额定电压。2）灭弧电压：指为保证工频续流电弧在第一次过零时可靠熄灭所允许加在避雷器上的最高工作电压。规定：大于安装点最高工频电压：对小电流接地系统，此电压为最大工作线电压的100%－110%，对大电流接地系统，此电压为最大工作线电压的80%。3）工频放电电压：指能使避雷器发生放电的工频电压下限值。规定：中性点不接地系统比电压应高于系统最大工作比电压3.5倍，而在中性点接地系统，工频放电电压应高于3倍。4）冲击放电电压：指在标准冲击波作用下避雷器的放电电压，我国生产的避雷器此电压与Uc5基本相等。5）残压：指冲击放电电流通过避雷器时在阀片电阻上产生的电压降。6）通流容量：指避雷器通过电流的能力。普通阀型避雷器通流容量以波形20us/4us,峰值5KA冲击电流和幅值100A工频半波电流各20次。7）保护比：指避雷器残压与灭弧电压幅值之比，普通阀器：2.3-3.5，磁吹式：1.7-1.8。8）切断比：指避雷器工频放电电压限与灭弧电压幅值之比。愈趋向1趋好！（2）Zn0避雷器的参数：1）额定电压：施加到避雷器端子间的最大允许工频电压有效值。2）最大持续运行电压：允许持续地加在避雷器端子间的最大工频电压有效值。3）起始动作电压：指避雷器通过1mA电流时两端的电压。4）残压：指放电电流通过Zn0阀片时在避雷器上所产生的电压峰值。5）通流容量：指避雷器通过电流的能力作业：P1855-1、5-11、5-12补充：1、避雷器的作用是什么？有哪些基本要求？常用避雷器有哪几种？性能最好的是什么避雷器？简述氧化锌避雷器主要特点。SiC阀型避雷器有哪两种？画出普通阀型避雷器原理图并简述其工作原理。变配电室外部过电压防护输电线路及发电厂、变配电所是电力系统的动脉及心脏，因此其过电压的防护极其重要。1、阀式避雷器的保护原理（1）、保护有效性的必要条件1）避雷器保护特性与被保护设备耐压特性配合。（指击穿－时间特性）2）避雷器残压应低于被保护设备冲击耐压。（该两条必要条件是否充分，取决于被保护设备和避雷器是否承受相同的电压）。3）被保护设备应处于避雷器保护距离之内！（2）、距离的影响（见PPT曲线图）1）、变压器与避雷器间距为零时的保护：经 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，避雷器放电前后，作用在避雷器上的电压有两个峰值Ush（避雷器冲击放电电压），Ures（避雷器最大残压），由于阀型避雷器伏秒特性较平坦，故Ush值基本不随入侵波陡度而变，Ures为残压，仅与雷电流大小有关，因阀片的非线性、雷电流变化时，Ures基本不变。由于Ush与Ures相近，为分析方便可以将避雷器上的电压近似看成一个具有斜角波头的平顶波，幅值为5KA的残压Ures，波头时间则取决于入侵波陡度，若入侵波为斜角波即µ＝at，此时避雷器的作用相当于从放电时刻起，在避雷器的安装点产生了一个负电压波－a(t-tp)。由于避雷器直接接在变压器旁，故变压器上的过电压波形与避雷器相同，若变压器冲击耐压值大于Ures，则变压器可得到保护！2）避雷器与变压器距离不为零保护：变电所中有许多电气设备，不可能在每个设备旁都装设一组避雷器，一般只在变电所母线上装设避雷器，由于变压器是变电所中最重要设备，故避雷器尽量靠近变压器，从而避雷器与变压器及其它被保护设备存在一定距离，从而引出避雷器与被保护设备距离的问题，分析如下：避雷器接在母线上，母线距变压器L（m）入侵波陡度为a(kv/us)斜角波。*假设t＝0时入侵波到达避雷器，该处电压µA（t）=at将按图虚线1上升，经过T0＝t/u后到达变压器（不考虑变压器入口电容），产生全反射，变压器上电压为入射波加反射波，UB＝2at，如虚线3所示。**经过T0＝L/v时间，反射波到达避雷器，则曲线1与4选加与曲线3重µA＝2a(t=L/v)。***当T≥2T0时，A点电压µA（t）=2a（t－L/v），如图中mn段，假定µA（t）曲线在（top>2L/v）时与避雷器伏秒特性相关，则避雷器动作限制了A点电压µA继续上升，此后µA保持定值为2a（T0－L/v），其值为5µA雷电流下的残压Ures，即t＝top时，µA（t）=2a（top－L/v）＝Ures。****避雷器放电后限制电压的效果经T0后到达变压器，此时变压器上最大冲击电压UT＝Ures+2at。高出残压Ures值∆U＝2at＝2aL/v，若Ures+2aL/v值小于变压器冲击耐压值则变压器可得到保护！小结：避雷器保护距离是有限的，若在实际距离内最大冲击电压值小于被保护设备冲击耐压值则设备可以得到保护！3)变压器耐受雷电过电压能力的检核：由于变电所具体接线方式的复杂性及对地电容的存在，变压器上的电压与推导结果有出入，避雷器动作后，变压器实际承受的不再是一个完整的雷电波，而是一个震荡过电压波形，其作用与截波较为类似。工程上一般以变压器的多次截波耐压作为变压器耐受雷电过电压的能力。变压器承受截波的能力称为多次截波耐压Uit，根据实际经验，Uit与变压器三次截波冲击试验电压Uit(3)有相关性。Uit＝Uit(3)/1.15。若雷电流侵入时，变压器上受到的最大冲击电压小于设备本身的多次截波耐压Uit，则设备是安全的即：Ures+2aL/v≤UitUres－避雷器5KA冲击电流下的残压，Uit－多次截波耐压值。4）变配电所中变压器与避雷器间最大允许电气距离Lm：Ures+2aL/v≤Uit→Lm＝（Uit－Ures）/2a/v5）变配电所内其他设备与避雷器间的最大允许距离Lm：其他设备最大允许距离比变压器大，可增35%，即：Lm＝1.35Lm，见P155表5－6小结：在避雷器保护特性与变压器耐压特性正确配合，以及避雷器残压与变压器截波耐压正确配合的前提下，还必须控制避雷器与变压器的安装电气距离，才可使变压器得到有效保护。2、变配电所电气设备的过电压保护变压器为最弱设备，其他设备耐压强于变压器。只要变压器受到可靠保护，其他设备应无问题。3、变配电所进线段保护进线保护是指在进入变配电所前1－2km架空线路上加强防雷保护采取的措施，其目的和作用有两方面：一方面要降低雷电流幅值，另一方面要降低雷电流波头陡度。（1）35KV及以上变电所的进线保护：对35－110KV全线无避雷线的线路，必须在进线段架设避雷线，且保护角α一般不宜超过20º，对于全线有避雷线的架空线，在进线段处的耐雷水平和保护角边应符合进线保护规定。最不利的情况就是进线首端落雷，此时流经避雷器最大雷电流计算公式：2U50%＝IAZ+Ures，U50%－使绝缘闪路概率为50%的雷电冲击电压，IA－流过避雷器的最大雷电冲击电流，Ures－避雷器残压。通常在1－2Km装设进线段保护后，就能够满足限制避雷器中雷电流不超5KA要求！35KV及以上变配电所进线保护接线图如PPT所示：图为35－110KV未沿全线架避雷线的进线保护接线图，图中避雷器设置要求：F1的设置：防断口处发生全反射电压升一倍而导致隔离开关式断路器闪路引起带电线路的工频短路，一般采用管型避雷器。F2的设置：主要是针对绝缘水平很高的木杆或木横担线路，装设F2可限制雷电流幅值，一般采用管型避雷器。F的设置：为防止F1动作产生截波在QF闭合情况下危及变压器纵绝缘，故F应保护F1，一般采用阀型避雷器！（2）35KV小容量变电所的简化进线保护：对于35KV小容量变电所，可根据情况来简化进线段保护（如PPT所示）进线段：变配电所前1～2km这段架空线。保护措施：架设避雷线，降低雷电能量直接向相导线释放的概率；装设管式避雷器，泄放雷电能量，降低过电压。35kV变电所简化进线段保护示例（解释F2、F1和F的作用）三、10/0.38kV变配电所过电压防护示例（见PPT所示电气原理图）以供配电系统最常见的室内10/0.4kV变配电所为例，从以下两方面介绍过电压保护设计所需考虑的问题。（1）保护设置，（2）参数配合。过电压与设备耐压的配合，设备耐压与避雷器参数的配合。1、保护措施（1）进线段保护设置。（2）变压器保护设置。（3）低压侧IT系统中性点过电压保护设置。（4）低压侧TN系统过电压保护设置——正变换，逆变换。2、参数配合（1）10kV配电设备耐受电压的选择。（2）1min工频耐压：相地42kV/相间42kV。（3）1.25/50μs雷电冲击耐压：75kV。错误示例：选择符合欧盟标准的12kV配电设备。1min工频耐压：相地28kV/相间42kV；1.25/50μs雷电冲击耐压：60kV/75kV。不适用于中国小接地10kV系统。低压系统常见电压异常的危害与防护一、中性点位移1、中性点位移概念本质：电气上的“中性点”与电路中的“节点”的对应关系变化。典型现象：Y接负载星接节点不再是电气中性点，使得各相电压不再相等。（自学复习：中性点概念）辩异：“中性点位移”与“中性点对地电压偏移”。系统中性点位移及其防护：1、产生原因：三相负载不平衡且无中性线或中性线阻抗较大，中性线断线。2、防护措施：（1）使三相负荷平衡，减小中性线阻抗，避免中性线断线。（2）设置中性线保护（如反应压差升高）2、中性点位移产生原因及量值大小分析（电路图见PPT所示）（1）、产生原因：三相负载不平衡且无中性线或中性线阻抗较大，中性线断线。（2）、防护措施：1）使三相负荷平衡，减小中性线阻抗，避免中性线断线。2）设置中性线保护（如反应压差升高）3、中性点位移后果及防护是一种差模（相间）与共模（相对地）混合过电压形式。差模形式是主要危害，主要危害用电设备。在Yyn变压器高压侧也会产生中性点位移（低压侧不平衡电流、3谐波等）。现主要作预防性防护，补救性防护尚无成熟工程方法。防护难点：用户侧工程技术的特殊问题。二、直接传导性过电压1、导致低压侧相导体和中性点对地过电压。（电路图见PPT所示）2、IT系统直接高电位传导防护（电路图见PPT所示）两只电压表的作用：监测间隙状况、避免正常运行时击穿或短路，使系统接地形式改变。正常时，各110V读数；间隙若击穿，一只220V，另一只0V。三、通过接地体传导的过电压（电路图见PPT所示）解决方案示例（电路图见PPT所示）第四节电涌一、电涌的来源1、什么是电涌（surge）以雷击电磁脉冲（LEMP）和（或）操作电磁脉冲（SEMP）为骚扰源，在电气电子系统中耦合的能量脉冲。用电磁兼容模型解释电涌：按技术领域分类，电涌属于电磁兼容（EMC）问题，电磁兼容的模型如下（原理框图见PPT所示）。按电磁兼容模型，对电涌解释如下：骚扰源（发射器）-----LEMP和SEMP等；耦合路径----导体传导耦合（电阻性耦合）、空间电磁耦合（电容性耦合和电感性耦合）；感受器（敏感设备）-----低压配电系统或电子信息系统，本课程主要介绍以低压配电系统作为感受器的电涌保护。电涌电压的示例曲线图见PPT2、电涌的耦合路径详解（1）、传导（阻性）耦合主要是通过金属管线的直接电气连通，将能量脉冲从一处传输到另一处。在分析用等效电路上，这种耦合路径可用一个电阻来表示，因此又叫做阻性耦合。如：直接雷击线路造成的侵入雷电波，接地导体上的雷击电磁脉冲传导（见下页图）等。阻性耦合的电涌示例见PPT。、感性辐射耦合指空间磁场传递的能量脉冲，耦合的原理为电磁感应。（见PPT）、容性辐射耦合指通过空间电场传递的能量脉冲。（见PPT）小结：电涌是LEMP或（和）SEMP通过阻性、感性或容性耦合传递到低压系统或电子信息系统上的能量脉冲。电涌的危害以脉冲电压或脉冲电流的形式出现。危害的对象除了绝缘以外，还包括用电设备本身的元、器件（又称硬件）。二、电涌强度计算电涌能量＝骚扰源能量－耦合衰减1、骚扰源能量（雷电）（复习上一章内容）考虑雷击电磁脉冲问题时，应考虑电闪中可能出现的三种雷击形式：（1）短时首次雷击；（2）首次后的短时雷击；（3）长时间雷击。（见PPT）2、线路中感性耦合的能量估算感性耦合能量计算非常复杂，除考虑骚扰源能量以外，还要考虑耦合路径上的衰减以及环路的面积和位置等。业界专家对一些典型的感性耦合能量进行了计算，并将结果列成表格，可供工程应用选择。典型情况见后页图，计算结果见教材表5-9。3、传导耦合的能量计算主要考虑压降和各处连接的分流作用。见PPT上页图a、c、d及下图。小结：电涌的能量取决于骚扰源（LEMP、SEMP）能量大小和耦合路径衰减量大小。骚扰源能量以雷电流幅值、电荷量来表征。阻性耦合衰减主要是各处联接的分流作用。感性耦合衰减主要涉及空间距离、屏蔽及感应环路面积等。电涌保护器电涌保护器是一种用于带电系统中限制瞬态过电压并释放电涌能量的非线性器件，简称SPD（SurgeProtectiveDevice），用以保护电气电子系统免遭电涌破坏。电子系统中还有串接限制过电流的电涌保护器件。电涌保护器（SPD）又称浪涌保护器（曾名：浪涌过电压保护器）作用：限制瞬态过电压并分走电涌电流的非线性器件，主要用于低于配电系统和信息系统中，用于对雷电过电压，操作过电压、雷击电磁脉冲或电磁干扰（EMI）脉冲的防护。组成：一般由气体放电管、放电间隙、半导体放电管（SAD）、氧化锌压敏电阻（MOV）、齐纳二级管、滤波器、保险丝等元件单独式组合构成。辩异：电涌保护器与避雷器。基本原理相同，特性参数和应用环境、应用目的不同。通过共同点加深对基本概念的理解，通过不同点加强工程意识培养。一、电涌保护器的类别与工作原理分为电压开关型、限压型和混合型三类。电压开关型：突然导通特征。通流容量大，特性陡，残压高。主要用于泄放能量。适用于LPZ0与LPZ1区交界处。限压型：随电涌电压升高渐进导通。通流容量小，特性缓，因逐渐释放能量而具有降低过电压幅值的作用。主要用于保护设备。适用于LPZ0B及以后防雷区。混合型：随承受的电涌电压不同而分别呈现电压开关型或限压型特性。可作为配电系统中间级的保护。三类SPD的保护动作特性图。（见PPT）二、电涌保护器的冲击分类试验SPD有三种冲击分类试验，这三种试验没有等级之分。生产厂家可根据自己所生产产品的应用条件，选择其中一种或几种进行试验，并以试验类别标定相关参数。应用条件：指SPD在系统中的安装位置和应起到的保护作用。安装位置：高暴露地点；低暴露地点。保护作用：泄放能量为主；与被保护设备耐压特性配合为主。试验用电流与电压波形试验标准电流。见图。其中曲线1、2为IEC61643-1标准推荐，曲线3为德国EDINVDE0675标准推荐。（2）试验标准电压。一般采用1.25/50μs的冲击电压作为试验电压。2、三种分类试验（1）I级分类试验。用1.2/50μs冲击电压、8/20μs和10/350μs冲击电流作的试验。试验结果：标称放电电流In（8/20μs），最大冲击电流Iimp（10/350μs）。通过该试验的SPD通常用于高暴露地点，可承受较大的能量。一般电压开关型SPD进行该项试验（2）II级分类试验。用1.2/50μs冲击电压、8/20μs冲击电流作的试验。试验结果：标称放电电流In（8/20μs）和最大放电电流Imax（8/20μs）。一般限压型SPD进行该项试验，用于低暴露地点。一级与二级分类试验得出的参数中，In是重叠的。（3）III级分类试验。开路时施加1.2/50μs冲击电压、短路时施加8/20μs冲击电流作的试验。开路电压与短路电流峰值之比为2Ω。三、主要参数1、主要参数（1）最大持续工作电压Uc。使SPD工作时间不小于设计寿命所允许施加的最高工频电压。原理：长期热稳定性。系统可能出现的最大持续运行电压不应该高于该电压。（2）标称放电电流In。指SPD通过规定次数8/20μs冲击电流的最大值。在通过规定次数的这个电流后，SPD的特性变化不超过允许范围。可由I、II级分类试验确定。（3）最大放电电流Imax。指SPD通过1次8/20μs冲击电流的最大值。在通过该电流后，SPD不得发生实质性损坏。由II级分类试验确定。用以衡量限压型SPD的最大通流能力。同一只SPD的Imax一般为In的2～2.5倍。（4）冲击电流Iimp。指SPD通过1次10/350μs冲击电流的最大值。在通过该电流后，SPD不得发生实质性损坏。由I级分类试验确定。用于衡量电压开关型SPD的最大通流能力。辩异：Imax、Iimp分别表示限压型SPD和电压开关型SPD的极限通流能力。SPD不应因通过这样大的电流而发生烧毁、爆炸等事故，但SPD的特性可能已经变坏，不能继续工作。In表示限压型和电压开关型SPD的额定通流能力。多次通过该电流后，SPD应可继续正常工作，直至达到规定次数。（5）电压保护水平UP。即最大残压。对电压开关型SPD，又等于放电电压。残压指SPD动作后的电压，为随时间变化的波形，UP即变化的上限。电压保护水平应低于设备耐压。（6）响应时间。一般要求小于25ns。2、参数示例某通过I级分类试验的SPD参数如下：最大持续工作电压Uc：350V；标称放电电流In：20kA（15个8/20μs电流波）；冲击电流Iimp：115kA（1个10/350μs电流波）；电压保护水平UP：600V。第六节低压系统电涌保护配置一、电涌保护对象分级电涌防护等级是以建筑物中电子信息系统为对象划分的，依据有两个，一个是雷击风险，另一个是电子信息系统的重要性和使用性质。电气系统的防护级别与同一建筑内电子信息系统的防护级别等同，有时又简称建筑物的电涌防护等级。分为A、B、C、D四个等级，A级防护要求最高，D级最低。电涌保护的目的及其在防雷体系中的地位1、电涌保护的目的通过在电气电子设备的电源侧限制雷电过电压（兼限制大部分操作过电压）并泄放雷电能量，以保护设备绝缘及硬件不致损坏。2、电涌保护在防雷体系中的地位（1）建筑物内部防雷的重要组成部分。（2）综合防雷体系的末端环节。（3）采取了基本防雷措施的前提下，专门针对耦合到低压配电系统中和电子信息系统中的雷电能量进行防护。与雷电过电压防护对比：能量相对较小，但被保护设备承受力也小，响应时间要求高，环境要求高，与其他环节的关联性高。二、电涌保护主要对象及耐受水平保护对象为低压配电和用电设备。低压设备耐压分4个等级，见下表。(见PPT所示)，过电压类别I：用电设备，如音响、电视机、计算机等。过电压类别II：用电设备，如洗衣机、冰箱、空调器等。过电压类别III：负荷侧配电设备及永久连接至系统的工业用电设备（如工业用电动机等）。过电压类别IV：电源侧配电设备。各过电压类别设备在系统中的位置(见PPT所示).四、电涌保护系统的布局采用分散、多级的布局。理由：同一电压等级电网中有多个耐压等级设备，且设备本身是分散布置的。结果：逐级泄放电涌能量。要求：在恰当的位置设置恰当的保护器：（1）SPD电压保护水平与被保护设备配合。（2）不同防雷区交界面处，应设置SPD。LPZ0与LPZ1区交界面：设置通过I级分类试验的SPD。其他交界面：设置通过II、III级分类试验的SPD。（3）同一防雷区中的同一配电级中，考虑电涌波过程，可能在若干处设置SPD。按从电源到负荷的方向，系统的多级保护分别被称为第一、二、三、四级，对应于被保护对象的过电压类别。辩异：一级SPD：在系统中处于最靠电源侧的SPD；I类SPD：通过I级分类试验的SPD。某高层住宅电涌保护布局示例(见PPT所示)。五、电压保护模式相与相间、相与中性线之间的电涌电压叫做差模电压。相与地间、中性线与地间的电涌电压叫做共模电压。SPD的电压保护模式指与电涌电压模式相对应的保护器件与系统的连接方式。典型的电压保护模式分三类，相应的典型电路接线有四种。SPD电压保护模式及特点(见PPT所示)。六、电涌保护器主要参数及类型选择1、电压保护水平Up理论上，Up连同引线上的压降，应小于被保护设备的冲击耐压Uw。实际上，一般用以下公式校核：Up≤0.8Uw2、通流容量及选择工程上将被保护对象按雷击危险性分为A、B、C、D四级，并规定了每个分级对SPD通流容量的最低通流容量要求。例：A级保护对象中各级SPD通流容量参考值(见PPT所示)。3、最大持续工作电压UcUc选择关系着SPD的寿命，应大于系统最大持续运行电压。一般持续5s以上的电压就应视为持续电压。应考虑以下几个因素。（1）正常运行时10％的系统电压偏差和5％的SPD老化因素。（2）系统接地形式。接地故障时，不同接地形式的系统可能出现不同的过电压，若持续时间超过5s，应考虑为持续电压。（3）中压系统故障传递到低压系统的持续过电压。示例如图。(见PPT所示)。4、电压开关型SPD的导通放电电压UOP指电压开关型SPD被电涌击穿所需的最低电压值，又称动作电压。只有当电涌电压上升达到该值时，电压开关型SPD才开始泄放雷电能量。低压系统中Uc的选取(见PPT所示）第七节电涌保护的级间配合由于低压系统电涌保护采用分散、多级的布局，以逐级削减电涌能量并与被保护设备匹配，因此各级电涌保护器除了类型不同以外，在参数上还应满足一定的关系，才能满足保护要求。电涌保护的级间配合就是指各级电涌保护器在类型、参数及位置关系等上的协调。一、电涌保护级间配合的原则原则：上级电涌保护应能可靠保证下级电涌保护器不致受到电涌损坏。原理：上级电涌保护器需提前泄放足够的电涌能量，以使下级电涌保护器不致因能量过大而受损。技术路线：在系统与器件两方面综合协调。系统方面：主要是上、下级的电压耦合问题，具体落实在安装间距上。器件方面：主要是上、下级SPD的类形与参数配合问题。1、两级电涌保护间的电压耦合与安装间距上级为电压开关型SPD，下级为电压型SPD。上级SPD击穿放电电压高，当击穿放电时，可能已经有部分电涌能量以行波的方式到达下级SPD，并已经在下级SPD中泄放。上级SPD动作后，其残压仍会作用在下级SPD上。以上两者即为上、下级间的电压耦合。因此，下级SPD可能承受超过其自身泄放能力的电涌能量，从而招致损坏。SPD1导通电压和电压保护水平均高于SPD2。配合要求为：SPD1必须先于SPD2导通以泄放能量，否则SPD2可能被损坏。（见PPT所示），在短距离内，按集中参数电路近似分析。器件、系统、外部三类参数关系：在SPD器件参数和大气雷电参数确定的情况下，以上条件能否满足取决于R、L的大小；在线路类型、规格确定的情况下（线路选择不会考虑电涌保护因素），R、L只取决于两级SPD间的线路长度，或称电气距离。若将SPD2看作感受器，SPD1处电涌看作骚扰源，则电涌电压是通过线路传导耦合到SPD2的，耦合路径上的衰减与R、L正相关。因此将R、L称为解藕阻抗。为保护SPD2不致损坏，需要足够的解藕量。级间电气距离过短，达不到解藕要求。人为解藕方法：上、下级SPD之间因电气距离过短导致电涌电压耦合过强，又不能调整电气距离时，需要在线路上串联解藕元件。解藕元件为专门的电阻或电感器件。一般在电压开关型和限压型SPD间采用电感，在限压型SPD间采用电阻。其他参数配合（1）包括通流容量、电压保护水平、响应时间等，都有级间配合的要求。不再详述。（见PPT所示）（2）RCD对电涌保护器失效的保护。保护有效性判断关键：失效故障电流是否成为剩余电流。（见PPT所示）。N-PE间SPD失效对RCD保护灵敏性的影响（见PPT所示）（3）电涌保护与过流保护配合。主要考虑SPD失效（相当于元件短路）时，过流保护能否切除故障元件。TN系统中SPD失效故障电流性质：共模接法：短路；差模接法：短路（见PPT所示）。TT系统中SPD失效故障电流性质：共模：远小于短路量级的接地故障电流。差模：短路电流。采用3＋1接法，过流保护可保护"3"SPD失效。不必考虑“1”SPD失效，因该SPD主要元件为气体放电管，击穿后可自复。（见PPT所示）SPD过流保护的设置问题。有两种选择：1）专为SPD设置过流保护；2）利用系统本身的过流保护。保护目的：SPD失效保护，电涌电流过大保护。需考虑的主要问题：过流保护能否在超过SPD通流能力的电涌电流作用下可靠动作（见PPT所示）二、电涌保护与系统接地形式的配合需考虑的问题：SPD设置在RCD之前还是之后；SPD采用何种电压保护模式；过流保护和RCD对SPD失效保护作用的协调问题。以上问题是相互关联而非各自独立的，需要综合考虑。第八节电涌保护与其他保护及系统接地形式的配合一、电涌保护与其他保护的配合1、低压系统其他保护及其与电涌保护的关系（1）不能因为设置电涌保护而影响其他保护的效能。（2）必须考虑电涌保护器失效对系统影响，以及何种保护能消除这种影响。（3）电涌保护器自身的保护问题。其他保护：过电流保护，剩余电流保护，对地绝缘监测及故障电压动作（IT系统）。2、电涌保护与剩余电流保护的配合（1）电涌保护使RCD误动作的问题：电涌电流成为剩余电流。预防：采用防电涌的RCD。最大防护能力：250A（非选择型）、3kA（选择型）