电压保护设计分析论文

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摘要：交流电气装置过电压保护设计要求及限制措施,SPD设置及接地线设计

关键词：电气装置过电压保护设计限制措施SPD

1.1过电压概述

表1－1低压系统过电压类别

大气过电压

直击雷过电压

感应雷击过电压

雷电波侵入过电压

操作过电压

操作容性负载过电压

电容器组

空载长线路

操作感性负载过电压

空载变压器

电抗器

电动机

真空断路器

谐振引起的过电压

工频过电压

并列或解列过电压

负载的投入与切除

IT系统发生接地故障引起对地电压升高

TN系统或TT系统中性线开路引起对地电压升高

低压系统相导体与中性导体间的短路时中性线对地电压升高

低压系统故障相的接地故障电压不超过50V，非故障相对地电压升高

高压系统接地故障电压窜入低压侧（高压为接地系统，变电所内一个接地系统）。当切断时间大于5s时，允许的工频过电压U0+250V；当切断时间小于或等于5s时，允许的工频过电压U0+1200V。

1.2耐冲击类别（过电压类别）的划分

1.耐冲击类别（过电压类别）划分的目的

耐冲击类别是根据对设备预期不间断供电和能承受的事故后果来区分设备适用性的不同等级。通过对设备耐冲击水平的选择，使整个电气装置达到绝缘配合，将故障的危害性降低到允许的水平，以提供一个抑制过电压的基础。

耐冲击类别标识数字越高，表明设备的耐冲击性能越高，可供选择的抑制过电压的方法越多。

耐冲击类别这一概念适用于直接从电源线上接电的设备。

2.耐冲击类别（过电压类别）说明

Ⅰ类耐冲击设备是打算与建筑物固定电气装置相连的设备。保护措施应在此设备之外，既可固定在电气装置内也可固定在电气装置和此设备之间，以限制瞬态过电压在规定的水平。

Ⅱ类耐冲击设备是与建筑物固定电气装置相连的设备。

注：此类设备举例：家用电器、便携式工具以及类似负荷。

Ⅲ类耐冲击设备是固定电气装置的组成部分和其他预期具有较高适用性类别的设备。

注：此类设备举例：固定电气装置的配电盘、断路器、布线系统，包括电缆、母线、接线盒、开关、插座），工业用设备以及某些其他设备，如与固定电气装置永久相连的固定式电机。

Ⅳ类耐冲击设备是用于建筑物电气装置主配电盘来电侧电源进线端或其附近的设备。

注：此类设备举例：电气测量仪表、一次过电流保护电器以及滤波器。

1.3过电压抑制的配置

需装设电涌保护器时，应符合下列各条：

1.自身抑制

在电气装置全部由低压地下系统而不含架空线供电的情况下，依据表1－2所规定的设备耐冲击电压值便足够了，而不需要附加的大气过电压保护。

在电气装置由低压架空线供电或含有低压架空线供电的情况下，且外界环境影响为AQ1（雷暴日数<25日/年）时，不需要附加的大气过电压保护。

2保护抑制

一、电气装置由架空线或含有架空线的线路供电，且当地雷电活动符合外界环境影响条件AQ2（雷暴日数>25日/年）时，应装设大气过电压保护。保护装置的保护水平不应高于表2列出的Ⅱ类过电压水平。

二、在一、条件下，建筑物电气装置的大气过电压保护可采取以下措施：

－按照IEC60364-5-534（过电压保护电器）安装具有II类保护水平的电涌保护器。

－或通过其他方法提供至少等效的电压衰减量。

表1－2要求的设备额定耐冲击电压值

电气装置标称电压*

V

要求的耐冲击电压值

kV

三相系统

带中性点的

单相系统

电气装置电源进线端的设备

(耐冲击类别Ⅳ)

配电装置和末级电路的设备

(耐冲击类别Ⅲ)

用电器具

(耐冲击类别Ⅱ)

有特殊保护的

设备

(耐冲击类别Ⅰ)

－

120～240

4

2.5

1.5

0.8

230/400

277/480

－

6

4

2.5

1.5

400/690

－

8

6

4

2.5

1000

－

12

8

6

4

*根据IEC60038：1983。

三、在架空线上应用保护抑制的导则

对过电压水平的保护抑制可通过在电气装置中直接安装电涌保护器，或在架空线上安装电涌保护器来获得。例如，可以采取以下措施：

a）如果是架空供配电网，应在电网的结点，尤其在每个长度超过500m的线路末端建立过电压保护。沿供配电线路每隔500m就应安装过电压保护器件。过电压保护器件之间的距离应小于1000m。

b）如果供配电网中部分为架空线路，部分为地下线路，在架空电网应按照上述a）进行过电压保护，并应在从架空线至地下电缆的转换点进行过电压保护。

c）在TN配电网供电的电气装置中，在由自动切断电源为间接接触提供保护的地方，连接到相导体的过电压保护器件的接地导体与PEN导体相连或与PE导体相连。

d）在TT配电网供电的电气装置中，在由自动切断电源为间接接触提供保护的地方，要为相导体和中性导体提供过电压保护器件。在供电网的中性导体直接接地的地方，不必为中性导体安装过电压保护器件。

1.4建筑物电气装置中电涌保护器（SPD）的选择和安装

1.4.1电涌保护器（SPD）的接线

应在电气装置的电源进线端或其附近设电涌保护器（SPD），至少应在下面各点之间装设：

1.当在电气装置电源进线端或其附近，中性线与PE（保护线）直接连接，或没有中性线时：

接在每一相线与接地端子或总保护线之间，取其路径最短者；

注：在IT系统，中性线与PE线之间接了阻抗，不能认为二者是直通的。

2.当在电气装置的电源进线端或其附近，中性线与PE（保护线）不直接相连时：

接线形式1：接在每一相线与接地端子或总保护线之间，和接在中性线与接地端子或总保护线之间，取其路径最短者；或

接线形式2：接在每一相线与中性线之间和接在中性线与总保护端子或总保护线之间，取其路径最短者。

1.4.2电涌保护器（SPD）的选择

1.电涌保护器（SPD）的电压保护水平（UP）

电涌保护器必需能承受预期通过它们的雷电流，并应符合以下两个附加要求：通过电涌时的最大钳压，有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流。

在建筑物进线处和其它防雷保护区界面处的最大电涌电压，即电涌保护器的最大钳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。为使最大电涌电压足够低，其两端的引线应做到最短。

在不同界面上的各电涌保护器还应与其相应的能量承受能力相一致。

若用一套电涌保护器（SPD）达不到所要求的保护电压水平时，应采用附加的配合协调的电涌保护器（SPD），以确保达到要求的保护水平。

2.选择电涌保护器（SPD）持续运行电压（UC）

一、按图1－1接线的TT系统中，UC不应小于1.55U0。

二、按图1－2和图1－3接线的TN和TT系统中，UC不应小于1.15U0。

二、按图1－4接线的IT系统中UC不应小于1.15U（U为线间电压）。

注：U0是低压系统相线对中性线的标称电压，在220/380V三相系统中，U0＝220V。

图1－1TT系统中电涌保护器安装在剩余电流保护器的负荷侧

1－装置的电压；2－配电盘；3－总接地端或总接地连接带；4－电涌保护器（SPD）；5－电涌保护器的接地连接，5a或5b；6－需要保护的设备；7－剩余电流保护器，应考虑通雷电流的能力；F－保护电涌保护器推荐的熔丝、断路器或剩余电流保护器；RA－本装置的接地电阻；RB－供电系统的接地电阻

图1－2TN系统中的电涌保护器

1－装置的电压；2－配电盘；3－总接地端或总接地连接带；4－电涌保护器（SPD）；5－电涌保护器的接地连接，5a或5b；6－需要保护的设备；7－PE与N线的连接带；F－保护电涌保护器推荐的熔丝、断路器或剩余电流保护器；RA－本装置的接地电阻；RB－供电系统的接地电阻

注：当采用TN－C－S或TN－S系统时，在N与PE线连接处电涌保护器用三个，在其以后N与PE线分开处安装电涌保护器时用四个，即在N与PE线间增加一个，类似于图1－1

图1－3TT系统中电涌保护器安装在剩余电流保护器的电源侧

1－装置的电压；2－配电盘；3－总接地端或总接地连接带；4－电涌保护器（SPD）；4a－电涌保护器或放电间隙；5－电涌保护器的接地连接，5a或5b；6－需要保护的设备；7－剩余电流保护器，可位于母线的上方或下方；F－保护电涌保护器推荐的熔丝、断路器或剩余电流保护器；RA－本装置的接地电阻；RB－供电系统的接地电阻

注：当电源变压器高压侧碰外壳短路产生的过电压加于4a设备时不应动作。在高压系统采用低电阻接地和供电变压器外壳、低压系统中性点合用同一接地装置以及切断短路的时间小于或等于5s时，该过电压可按1200V考虑。

图1－4IT系统中电涌保护器安装在剩余电流保护器的负荷侧

1－装置的电压；2－配电盘；3－总接地端或总接地连接带；4－电涌保护器（SPD）；5－电涌保护器的接地连接，5a或5b；6－需要保护的设备；7－剩余电流保护器；F－保护电涌保护器推荐的熔丝、断路器或剩余电流保护器；RA－本装置的接地电阻；RB－供电系统的接地电阻

3.选择电涌保护器（SPD）标称放电电流（In）和冲击电流（Iimp）

在LPZ0A或LPZ0B区与LPZ1区交界处，在从室外引来的线路上安装SPD，应选用符合Ⅰ级分类试验的产品。

应通过SPD的10/350μs雷电流幅值。当线路有屏蔽时，通过每个SPD的雷电流可按上述确定的雷电流的30％考虑。SPD宜靠近屏蔽线路末端安装。以上述得出的雷电流作为Ipeak来选用SPD。

当按上述要求选用配电线路上的SPD时，其标称放电电流In不宜小于15kA。

安装的SPD所得到的电压保护水平加上其两端引线的感应电压以及反射波效应不足以保护距其远处的被保护设备的情况下，尚应在被保护设备处装设SPD，其标称放电电流In不宜小于8/20μs3kA。

当被保护设备沿线路距安装的SPD不大于10m时，若该SPD的电压保护水平加上其两端引线的感应电压小于被保护设备耐压水平的80％，一般情况在被保护设备处可不装SPD。

若第一级SPD的电压保护水平加上其两端引线的感应电压保护不了该配电盘内的设备，应在该盘内安装第二级SPD，其标称放电电流不宜小于8/20μs5kA。

在考虑被保护设备的耐压水平时宜按其值的80％考虑。

在一般情况下，当在线路上多处安装SPD且无准确数据时，电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不宜小于10m，限压型SPD之间的线路长度不宜小于5m。

4.选择电涌保护器（SPD）耐受的预期短路电流

电涌保护器（SPD）耐受短路电流（当电涌保护器（SPD）失效时产生）和与之相连接的过电流保护器（设置于内部或外部）一起承受等于和大于安装处预期产生的最大短路电流，选择时要考虑到电涌保护器（SPD）制造厂规定应具备的最大过电流保护器。

此外，制造厂所规定电涌保护器（SPD）的额定阻断续流电流值不应小于安装处的预期短路电流值。

在TT系统或TN系统中，接于中性线和PE线之间的电涌保护器（SPD）动作（例如火花间隙放电）后流过工频续流，电涌保护器（SPD）额定续流电流值应大于或等于100A。

在IT系统中，接于中性线和PE线之间的电涌保护器（SPD）的额定续流电流值与接在相线和中性线之间的电涌保护器（SPD）是相同的。

5.防止电涌保护器（SPD）失效的后果和过电流保护

防止电涌保护器（SPD）短路的保护是采用过电流保护器，应当根据电涌保护器（SPD）产品手册中推荐的过电流保护器的最大额定值选择。

如果过电流保护器的额定值小于或等于推荐用的过电流保护器的最大额定值，则可省去过电流保护器。

重点是要保证供电的连续性还是保证保护的连续性取决于在电涌保护器（SPD）故障时，断开电涌保护器（SPD）的过电流保护器所安装的位置。

在所有情况下，应当明确设置的保护器间的区别：

－若过电流保护器安装在电涌保护器（SPD）的回路中，则可保证供电的连续性，但再发生过电压时，无论是电气装置或是设备都得不到保护（见图1－5）。这些过电流保护器可以是设于内部的电涌保护器（SPD）脱离器。

图1－5重点保证供电连续性

－若过电流保护器接入设有电涌保护器（SPD）保护电路的电气装置进线前端，则电涌保护器（SPD）故障时可导致供电中断，要等到更换电涌保护器（SPD）后才能恢复供电（见图1－6）。

为了提高在同一时间内供电连续性和保护连续的概率和可靠性，允许使用图1－7所示的接线方式。

图1－6重点保证保护连续性图1－7供电连续性和保护连续性的结合

这种情况是将两个相同的电涌保护器（SPD1和SPD2）分别接到两个相同的保护器（PD1和PD2）。当一个电涌保护器（SPD1）发生故障，不会影响另一电涌保护器（如SPD2）工作，并且将使其本身的保护器动作（如PD1）。这种方式将显著提高供电连续性和保护连续性的概率。

6.间接接触防护

间接接触防护即使当电涌保护器（SPD）故障时，对所有电气装置的保护也应保持有效。

当采用自动切断供电时：

－在TN系统中，一般可在电涌保护器（SPD）的电源侧装设过电流保护器实现间接接触防护；

－在TT系统中可采用下述a)或者b)实现间接接触防护：

1)将电涌保护器（SPD）安装在剩余电流保护器（RCD）的负荷侧；

2)将电涌保护器（SPD）安装在剩余电流保护器（RCD）的电源侧，由于接在中性线和PE线之间的电涌保护器（SPD）也可能发生故障，因此，

a)应当符合外露可导电部分预期接地故障电压不大于50V的规定。和

b)根根据接线形式2来安装电涌保护器（SPD）。

－在IT系统中，不需要附加其它措施。

7.连接导线

连接导线是指相线与电涌保护器（SPD）之间的导线，和电涌保护器（SPD）与总接地端子或保护线之间的导线。

因为增加电涌保护器（SPD）连接导线的长度，会降低电涌保护器（SPD）过电压保护的效果，尽可能减少电涌保护器（SPD）所连接导线的长度并且不形成环路可获得最佳过电压保护效果（总引线长度最好不超过0.5m），见图1－8。如果图1－8所示a+b的长度不能小于0.5m，则可采用图1－9的接线方式。

图1－8电涌保护器（SPD）安装在或靠近图1－9电涌保护器（SPD）安装在或靠近电气装置

电源进线端的示例电气装置电源进线端的示例

8.接地线的导体截面

安装在电气装置电源进线端或靠近进线端处的电涌保护器（SPD）接地线的最小截面应是不小于4mm2的铜线或与其等效。

当设有雷击保护系统时，符合Ⅰ级试验的电涌保护器（SPD）的接地线的最小截面不小于16mm2的铜线或与其等效是必要的。