浅谈电力系统防雷中的浪涌保护

唐海津

（重庆市南岸驰骋电力设计所，重庆400060）

1 前言

近几年，随着经济的迅速发展，高层建筑智能化程度越来越高，各种智能电器的应用也越来越广泛。但是，由于电子产品集成度的提高，对电磁干扰也非常敏感，其耐冲击水平也越来越引起重视。特别是由于雷电和开关操作在电力系统中产生的浪涌，会对电子产品的正常工作和寿命产生较大影响。而单单依靠传统的避雷网及接闪器已不能满足保护设备及各种智能电器的需要。

本文首先分析了电力系统中浪涌的成因：雷电浪涌及开关浪涌。然后通过对低压电网中瞬态过电压因素分析，提出在不同电力系统中。实现浪涌保护的有效途径。

1 浪涌及其成因分析

浪涌(电涌)也叫突波，顾名思义，就是超出正常工作电压的瞬间过电压。本质上讲，浪涌是发生在几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲，是在相线之间、相线与保护线或地之间产生一个瞬态的过电压，时间少于1ms。该电压远远超过设备的最高允许工作电压峰值，但它并无工作频率。浪涌的成因是雷击或者开关误操作(如空气开关过流跳闸)而引起的操作过电压。可能引起浪涌的原因有：重型设备启动、短路、电源切换或大型发动机启动。而含有浪涌阻绝装置的产品可以有效地吸收突发的巨大能量，以保护设备免于受损。

在低压供电系统、测量和控制系统、计算机网络，有许多因素可引起过电压浪涌。下述四种原因形成的浪涌造成的危害最大。

1.1 直接雷击(directlightningstroke)

如果雷电直接击中有外部防雷装置的建筑物就会通过引雷装置传输雷电流人地，或者直接击中建筑物顶部具有引雷作用的装置放电(如室外天线，卫星接收装置等)。第一种情况，会使地电位抬升，有可能造成对电源线(低压架空线)或数据线放电；亦或是将一大部分雷电流通过保护接地线引入到建筑物内部装置和连接的设备上。而第二种情况则会直接将大部分高能雷电流引入到建筑物内的设备上。以上两种情况都会使得终端设备过流。

1.2 间接雷击(indirectlightningstroke)

有时即使建筑物本身没有遭到雷击，而较近距离的雷电闪击也可能引起建筑物内装置上的过电压。这个浪涌过电压直接或通过电感性或电容性耦合到达电子装置、设备的线路上。部分雷电流可能通过大地传送到接地装置从而对电子装置造成极大危害。或者通过雷电放电通道散发出的磁场，在设备的线路上感应出过电压。建筑物内的长导线回路特别容易感应出过电压。容性耦合是通过具有高电位差的两点之间的电场产生的，例如在雷电放电通道和金属导线之间。

1.3 远距离雷击

远距离雷击就是几百米之外的雷电闪击，可能在低压导线、数据线上感应过电压，也可能将高电压引至建筑物的接地装置上，从而对电子设备造成极大的危害。甚至云层之间或云层内部的放电产生的电磁场也能耦合过电压到导线中。

1.4 开关浪涌

开关浪涌来自电路的闭合、断开的转换操作。感性和容性负载的开关操作，也可能因短路电流的阻断因起浪涌。特别是大型用电系统或变压器的断开而产生的浪涌可能引起对邻近的电子设备的损坏。

在低压电网中，最大的电压峰值是由于雷电泄放引起的。当雷电直接击中外部防雷装置或低压架空线路时，包含高能量的雷电浪涌常常使得连接在电网上的负载完全损坏。

在建筑物里的设备上、在电源线或通信线上的感应过电压的峰值也可以达到正常工作电压值的几倍或几十倍范围。

2 基于不同电力系统的浪涌保护方案

为实现浪涌保护，避免浪涌对电子设备的损害，在工程上要安装浪涌保护器。浪涌保护器也叫信号防雷保护器，简称SPD(SurgeProtection De-vice)，是一种为各种电子设备、仪器仪表、通讯线路提供安全防护的电子装置。当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。

在进行电气设计时，通常将电力系统进行三级防护。第一级对直接雷击电流进行泄放，或者对电源传输线路遭受直接雷击时传导的巨大能量进行泄放，浪涌保护器安装在大楼的总配电柜处；第二级进一步将已通过第一级SPD的残余浪涌电压限制到2KV以下，浪涌保护器安装在各楼层的分配电柜处及重要设备 (如UPS)的输入电源侧；第三级作为最终保护设备的手段，将残余浪涌电压的值降至1KV以内，使浪涌的能量不致于损坏设备。

2.1 SPD的安装位置及接线形式的选择

按系统特征确定信号浪涌保护器(SPD)的装设位置及接线形式。如表1。

表1 SPD在不同电力系统中的安装位置及其接线形式

分析表1可知，在TN-C系统和不引出中性线的IT系统只能选择安装四极浪涌保护器。而其余的电力系统则可选择两种接线形式：接线形式1选择3+1极浪涌保护器，接线形式2选择四极浪涌保护器。

2.2 SPD电压保护水平的确定

根据所要保护的设备耐冲击电压Uo，选择浪涌保护器的电压保护水平。

当无法获得设备的耐受冲击电压Uo时，安装于220／380V三相电力系统的设备，其耐受冲击电压水平可按以下原则选择确定：电源处的设备(工业电器)6KV；配电线路最后分支线路的设备 (工业电器)4KV；用电设备为家用电器：2.5KV；

电子设备：1.5KV。

2.3 最低Uc电压值的确定

按电源系统特征确定浪涌保护器(SPD)的最低Uc电压值，见表2。

表2 按电源系统特征确定浪涌保护器(SPD)的最低Uc电压值

Uo应为220V，所以一般情况下持续运行电压大于250V即可，但考虑到局部电网电压的不稳定性，可以选择稍高一些，将持续运行电压选择在275V一350V范围内。

2.4 SPD放电电流(In)和冲击电流(Iimp)选择根据当地的雷电发生情况、建筑物防雷等级及信号浪涌保护器安装位置选择SPD的标称放电电流(In)和冲击电流(Iimp)。

防雷保护从根本上讲是一种经济行为，目的是尽可能降低雷电带来的损失。但是在实际选择SPD时，有的设计方案为了加大保险系数，在第一级防护时每相选用了Iimp高达200KA的SPD。统计资料显示，高达200KA的雷电浪涌发生的概率为1/1000，通过接闪器及避雷带引下线分流后，由SPD泄放的容量远远达不到200KA，这样的设计方案，实际上SPD并不能发挥作用，而且增加了工程造价。

但是，对C级和D级保护，每一保护模式通路的标称放电电流不应小于5KA(8/20μs)；采用3+1保护模式时，其N线与PE线间的高能放电模块，其标称放电电流In应满足以下条件：三相时不应小于20KA(8/20μs)，单相时不应小于 10KA(8/20μs)。

如果是B级保护，则每一保护模式通路的limp(10/350μs)不应小于12.5KA；采用3+1保护模式时，其N线与PE线间的高能放电模块冲击电流limp应满足以下条件：三相时不应小于50KA(10/350?s)，单相时不应小于25KA(10／350μs)。

同时，要注意ln与／lmax区别，按照有关标准，ln值是正反各10次的额定通流容量，做完此项试验，浪涌保护器不应损坏；lmax是极限通流一次的通流容量，做完此项试验后，浪涌保护器的性能已劣化，不能正常使用，此时要更换新的SPD。

2.5 选择合适的SPD的后备保护

为防止浪涌保护器失效后引起的电流过载及短路，必需选择合适的SPD的后备保护。后备保护可采用熔断器、断路器和漏电断路器三种途径来实现。熔断器作后备保护是一种最常用的方案，但是按In或Imax来配置，其结果是完全不同。在大电流冲击条件下，集肤效应使得熔断体的电阻相对增大，熔断器易提前熔断。同时，因电阻产生的附加电压降值将达数百伏，选用时应予考虑。

采用熔断器作后备保护时，推荐熔断器的规格如下：第一级SPD为开关型15kA，10/350，熔断器为63A；第二级SPD为限压型40kA，8/20，熔断器为32A；第三级SPD为限压型10kA，8/20，熔断器为16A。某个电器科学研究所对某一型号SPD进行测试。其结论为：ln=20kA，lmax=40 kA时，串联RTl4-63(熔体40 A)熔断器，在19.8 KA大电流冲击后熔体断开。测得的限制电压为2 674V，不串联熔断器时为l 900V。串联DZ47-63断路器(脱扣器1OA)，在18.29KA大电流冲击后断路器脱扣断开。测得限制电压为5 014V，其中断路器附加电压为3KV。因此，采用断路器作后备保护，在断路器上的附加电压必须考虑。

结束语。浪涌保护器是近几年研发出的保护电器，分为电源浪涌保护器和信号浪涌保护器。主要用于对因雷电等因素产生的过电压、过电流的泄放。在实际应用过程中，大家对浪涌保护器在不同电力系统中的应用还存在着一定的误区，以致使用不当，不能发挥浪涌保护器的应有功能。本文通过对浪涌的成因分析，提出了在不同电力系统中实现信号浪涌保护的途径。

[1]门中奇.谈电力系统的防雷保护.沈阳理工大学.[期刊]中国西部科技，2010-07-25.