低压配电系统电涌保护器保护模式研究

杨泽江

（四川水利职业技术学院电力工程系，成都611231）

低压配电系统电涌保护器保护模式研究

杨泽江

（四川水利职业技术学院电力工程系，成都611231）

为了有效利用电涌保护器对低压配电系统进行雷电过电压防护，需要对电涌保护器保护模式进行研究。利用EMTP软件搭建1.2/50-8/20 μs组合波和0.5μs-100kHz标准振荡波发生电路，同时采用IEEE氧化锌压敏电阻模型进行仿真冲击。分析TN-C-S配电系统中不同电涌保护器保护模式的防护效果。最后讨论电涌保护器接地电阻阻值对线间电位差影响。仿真结果表明：仅在L线与N线或L线与PE线间安装SPD，不能够有效保护负载设备；在L线与N线、N线与PE线间安装SPD或三线间均安装SPD时，防护效果较好，但前种方式下零地电位差过高；当电涌保护器接地电阻阻值增加时，线间电位差显著增大，防护效果下降。需要尽量降低接地电阻阻值以尽可能抑制线路过电压。

电涌保护器；保护模式；低压配电系统；雷电冲击波

0 引言

雷电冲击过电压是低压配电系统主要危害之一[1-2]，电涌保护器作为抑制雷电过电压的主要设备，在配电系统中得到广泛应用[3]。为了实现对设备的有效防护，电涌保护器往往采用两级或多级配合保护方式[4]。目前关于电涌保护器具体配合方式[5]、能量配合机理[6-7]、有效保护距离[8-9]等方面研究已经较为成熟，但是具体配电制式中线间电涌保护器安装方式和防护效果研究较少。此外，现有研究雷电冲击波模型大多采用8/20 μs或10/350 μs冲击源作用下[10-11]，实测配电线路雷电过电压数据[12]表明：雷电冲击过电压呈衰减振荡波形，首个脉冲波头时间非常短。IEEE相关标准[13]推荐采用0.5 μs-100 kHz振荡波波形模拟真实雷电过电压。因此，需要研究不同雷电冲击波形作用下不同电涌保护器保护模式对雷电过电压的防护效果。

笔者利用EMTP[14]搭建1.2/50-8/20 μs组合波和0.5 μs-100 kHz标准振荡波发生回路，采用IEEE推荐的氧化锌压敏电阻等效模型，分析TN-C-S配电系统下不同电涌保护器保护模式的保护效果。最后讨论电涌保护器接地电阻对保护残压和吸收能量的影响，为低压配电系统雷电过电压防护提供参考。

1 雷电冲击波模型

根据IEEE给出的组合波定义[13]，开路电压波形为 1.2/50 μs，短路电流波形为 8/20 μs，开路电压和短路电流幅值之比（虚拟阻抗）为2 Ω。图1给出了典型组合波波形和组合波发生器电路图。

图1 组合波波形和发生电路Fig.1 Waveform of combination wave and generator circuit

根据IEEE给出的0.5 μs-100 kHz标准振荡波定义[13]，首个波头时间为0.5 μs，振荡频率100 kHz，在3～6个周期内幅值衰减至初始峰值的50%以下。图2给出了典型标准振荡波波形和标准振荡波发生器电路图。

2 电涌保护器模型及保护模式

目前较为常见的电涌保护器有气体放电管、压敏电阻和瞬态抑制二极管等，金属氧化锌压敏电阻因其优异的非线性和较大的通流量等优点适用场合最广。仿真中采用的压敏电阻阀片模型主要有非线性电阻模型、IEEE模型和P-G模型等[15-16]。IEEE电阻片模型[15]适合雷电流波头时间为0.5-45 μs范围，图3给出了IEEE模型等值电路图。图3模型中各参数的取值与压敏电阻结构有关，具体计算公式参见相关文献[16]。

图2 0.5 μs-100 kHz标准振荡波波形和发生电路Fig.2 Waveform of 0.5 μs-100 kHz standard oscillation wave and generator circuit

图3 IEEE推荐的压敏电阻模型Fig.3 ZnO varistor model of IEEE

图4给出了TN-C-S系统中压敏电阻配置方式。仿真过程中在L线与N线间施加冲击源，分析在L线与N线、L线与PE线、L线与N线和N线与PE线、三线之间各安装SPD的防护效果。

图4 TN-C-S系统电涌保护器保护模式Fig.4 Protected mode of SPD in TN-C-S system

仿真中压敏电阻参考电压取390 V，对应10 kA电流冲击残压为650 V。SPD与负载间采用电缆连接，电缆长度为10 m。电缆为单芯聚氯乙烯（PVC）绝缘电缆[2]，标称截面2 mm2，电阻率1.72×10-8Ω.m，绝缘层厚度0.8 mm，相对介电常数4.55，相对磁导率为1。

3 仿真分析

3.1 线间残压

图5给出了仅在L线与N线间安装SPD时，组合波冲击下L线与N线、L线与PE线间电压，组合波电压幅值6 kV。

图5 组合波冲击下L线与N线、L线与PE线电压Fig.5 Voltage differences between L line-N line and L line-PE line under combination wave

图6给出了在L线与N线间安装SPD时，0.5 μs-100 kHz标准振荡波冲击下L线与N线、L线与PE线间电压，振荡波电压幅值6 kV。

图6 标准振荡波冲击下L线与N线、L线与PE线电压Fig.6 Voltage differences between L line-N line and L line-PE under the standard oscillation wave

由图5和图6可看出，无论是组合波冲击还是标准振荡波冲击，L线与N线间电压都得到了较大程度的限制，残压衰减趋于零，但是L线与PE线间电压幅值仍然较高，过电压未得到有效抑制。

图7和图8分别给出了组合波和0.5 μs-100 kHz标准振荡波冲击下，不同SPD保护模式下线间电压。

图7 组合波冲击下线间残压Fig.7 Residual voltages under combination wave

图8 标准振荡波冲击下线间残压Fig.8 Residual voltages under standard oscillation wave

分析图7和图8发现，负载设备通常接L线与N线，仅在L线与N线或L线与PE线间安装SPD防护效果均不理想，前种方式会对设备绝缘产生一定威胁，后种方式不同为负载设备提供有效过电压防护。

在L线与N线、N线与PE线间安装SPD或三线间均安装SPD时，负载设备及其绝缘均能得到较好保护。L线与N线、N线与PE线间安装SPD保护模式存在的问题是N线与PE线间存在电位差，产生电压漂移。三线间均安装SPD时可以避免电压漂移，但此种方式费用较高。具体保护模式可以根据实际情况进行选取。

3.2 接地电阻影响

除了保护模式外，SPD的防护是建立在良好的泄流通道基础上，SPD的接地电阻会对线间电压抑制产生较大影响[17]。图9给出三线间均安装SPD时，L线与N线间电压随接地电阻阻值变化情况。

从图9可看出，当SPD接地电阻增加时，组合波和标准振荡波冲击下L线与N线间电压均大幅增加，不利于对负载设备的防护。

图9 L线与N线间电压随接地电阻阻值变化Fig.9 Voltage difference between L line and N line vs grounding resistance

4 结论

利用EMTP搭建1.2/50-8/20 μs组合波和0.5 μs-100 kHz标准振荡波发生电路，对TN-C-S配电系统中不同电涌保护器保护模式进行了仿真分析，得到如下结论：

1）仅在L线与N线间安装SPD，能够有效保护负载设备，但是会对设备绝缘提出更高要求。

2）在L线与N线、N线与PE线间安装SPD或三线间均安装SPD时，能够获得较好防护效果，但前种方式需要考虑零地电位差过高情况。

3）当SPD接地电阻值增加时，线间电位差显著增大，SPD防护效果下降。

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Study on Protected Modes of Surge Protection Device in Low Voltage Distribution System

YANG Zejiang
（Electric Power Engineering Department of Sichuan Water Conservancy Vocational College，Chengdu 611231，China）

In order to protect low voltage distribution system from lightning overvoltage through the use of surge protection device（SPD）appropriately，it is necessary to study the protected mode of SPD under lightning impulse.The generator circuit of 1.2/50-8/20 μs combination wave and the 0.5 μs-100 kHz standard oscillation wave are established by using EMTP software，Meanwhile，the IEEE Zinc Ox⁃ide varistor model is used to simulate the impulse.Protection effects of different protected modes of SPD under combination wave and normal ring wave are analyzed.Results show that:SPD installed on L line-N line or L line-PE line cannot provide complete protection;SPD installed on L line-N line and N line-PE line or all three lines may obtain a favorable effect，but potential difference between N line and PE line is too high.Voltage difference between L line and N line increases with the increasing of grounding resis⁃tance，at same time the protection effect are decreasing.It is necessary to reduce grounding resistance of SPD as low as possible so as to suppress the overvoltage of the line as much as possible.

surge protection device；protected mode；low voltage distribution system；lightning im⁃pulse

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.018

2017-03-27

杨泽江（1971—），男，副教授，主要研究方向：输配电技术，电力系统及其自动化等。