電涌保護(hù)器的UC值選用

張 鐵 山(上海江南建筑設(shè)計(jì)院有限公司， 上海　201800)

電涌保護(hù)器的UC值選用

張 鐵 山
(上海江南建筑設(shè)計(jì)院有限公司， 上海201800)

介紹了不同高低壓接地系統(tǒng)引起的工頻過電壓，指出在低壓供配電網(wǎng)絡(luò)中安裝的電涌保護(hù)器(SPD)的UC值選用應(yīng)考慮工頻過電壓對(duì)其的影響,而其工頻暫態(tài)過電壓必須根據(jù)不同的接地系統(tǒng)來考慮。

電涌保護(hù)器； 工頻； 暫態(tài)過電壓； 最大持續(xù)工作電壓； 低壓供配電系統(tǒng)

0　引　言

電涌保護(hù)器(Surge Protective Device,SPD)是用來限制瞬態(tài)過電壓和泄放電涌電流的一種器件,它是一種非線性元件,被廣泛用于低壓供配電網(wǎng)絡(luò)中,一般接入帶電導(dǎo)體與保護(hù)接地(PE)之間,屬于防止共模過電壓干擾措施,能保護(hù)線路、設(shè)備免受由于雷電流的危害。此種接法的SPD雖然不能保護(hù)短暫的工頻過電壓,但在選用SPD時(shí)卻不能忽視工頻過電壓對(duì)最大持續(xù)工作電壓UC值的影響。因?yàn)閁C值與產(chǎn)品的使用壽命、電壓保護(hù)水平UP有直接的關(guān)系,UC值選用過高,雖然壽命長(zhǎng),但電壓保護(hù)水平(SPD的殘余電壓)也相應(yīng)提高。UC值偏低,在工頻過電壓時(shí)容易損壞,引起其他電氣災(zāi)害。故此值一定要綜合考慮,選用合適的UC值既能保證SPD的正常和安全使用,又能使殘余電壓降低到最小。

GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定了SPD根據(jù)系統(tǒng)特征所要求的最大持續(xù)運(yùn)行工作電壓UC最小值的表格,而在國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集D501-1《防雷與接地安裝》中,規(guī)定接地系統(tǒng)的UC≥1.55U0。二者對(duì)比相差很多,給設(shè)計(jì)人員和成套廠選用SPD造成了很大的困惑。

SPD主要用來防止大氣過電壓導(dǎo)致線路中產(chǎn)生過電流(使設(shè)備絕緣損壞,引起設(shè)備故障和人員處在危險(xiǎn)環(huán)境中),其接入帶電導(dǎo)體與保護(hù)接地線之間,承受的工作電壓應(yīng)為相對(duì)地或中性線對(duì)地的電壓,該電壓不但與低壓電網(wǎng)的不同接地系統(tǒng)型式有直接關(guān)系,也與高壓側(cè)的接地類型有關(guān)。

1　不同高低壓接地系統(tǒng)引起的工頻過電壓

高壓側(cè)通常分為不接地系統(tǒng)與小電阻接地系統(tǒng)。當(dāng)10 kV高壓側(cè)采用不接地系統(tǒng)時(shí),根據(jù)DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》中的規(guī)定,有其電纜線路構(gòu)成的系統(tǒng),10 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)允許最大接地故障電流不超過30 A,變壓器低壓側(cè)工作接地電阻<4 Ω。如變電站內(nèi)高低壓共用一組接地極,當(dāng)10 kV線路發(fā)生接地故障時(shí),低壓側(cè)接地電阻上產(chǎn)生的故障電壓為30×4=120 V,此電壓為中性點(diǎn)電位。 當(dāng)10 kV高壓側(cè)采用小電阻接地系統(tǒng),10 kV線路發(fā)生接地故障時(shí),由于接地電流較大,低壓側(cè)接地電阻上產(chǎn)生的故障電壓為數(shù)百伏甚至上千伏,比不接地系統(tǒng)產(chǎn)生的工頻過電壓要大數(shù)倍或數(shù)十倍,而相線與中性線對(duì)保護(hù)接地線之間存在的電壓則隨低壓側(cè)的接地系統(tǒng)型式不同而變化。

低壓側(cè)接地系統(tǒng)型式通常有TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、IT系統(tǒng)。TN系統(tǒng)由于PEN線、PE線與低壓側(cè)中性點(diǎn)共用一接地極,并且在建筑物內(nèi)作總等電位聯(lián)結(jié)時(shí),中性點(diǎn)地電位的升高不會(huì)造成所供電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分對(duì)地產(chǎn)生電位差,即中性線對(duì)保護(hù)接地線之間處在同一電位水平上;相線對(duì)保護(hù)接地線之間的電壓與相線對(duì)中性線之間的電壓相等,始終為正常的相電壓。TT系統(tǒng)內(nèi),電源中性點(diǎn)的系統(tǒng)接地和低壓電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分的保護(hù)接地分別接至大地,兩接地在電氣上沒直接聯(lián)系,電源中性線與相線對(duì)地絕緣,所以單相接地故障狀態(tài)時(shí),中性點(diǎn)地電位的升高造成所供電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分對(duì)地產(chǎn)生電位差,即中性線對(duì)保護(hù)接地線之間不處在同一電位水平上,具體電壓數(shù)值為低壓側(cè)接地電阻上產(chǎn)生的故障電壓;相線對(duì)保護(hù)接地線之間的電壓為接地電阻上產(chǎn)生的故障電壓加上相電壓。故低壓TT系統(tǒng)高壓側(cè)采用小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí),大幅值的瞬態(tài)工頻過電壓易把4+0星型接法的SPD相對(duì)中性線直接擊穿短路而燒毀。所以在該場(chǎng)合的SPD就不是純粹按UC值選用能解決問題了,必須按3+1的接線方式。接于中性線和保護(hù)接地線之間的開關(guān)型SPD可以阻止接于相線和中性線之間的電壓限制型SPD導(dǎo)通,其只能在更高幅值的沖擊雷電過電壓下開關(guān)型SPD被擊穿而導(dǎo)通，如圖1所示。IT系統(tǒng)內(nèi),由于電源中性點(diǎn)不接地,通常也無中性線引出,故高壓側(cè)發(fā)生接地故障時(shí),相線對(duì)保護(hù)接地線之間的電壓無影響。

圖1　TT系統(tǒng)3+1接線方案

在低壓配電系統(tǒng)中,中性線斷開,單相接地等線路故障是引起工頻過電壓的另一種主要原因。中性線斷開會(huì)導(dǎo)致中性點(diǎn)漂移,三相相電壓不平衡,對(duì)防止差模過電壓干擾接法的SPD有嚴(yán)重的危害,而對(duì)防止共模過電壓干擾接法的SPD無影響。短路電流的零序分量會(huì)使其他的二相非短路正常相出現(xiàn)工頻電壓升高,系統(tǒng)中不對(duì)稱短路故障,以單相接地故障最為常見,且引起的工頻電壓升高也最嚴(yán)重。因此,必須在最嚴(yán)重情況下考慮選用SPD的UC值,才能真正保證SPD的安全使用。下面就低壓不同接地系統(tǒng)型式的單相接地故障和中性線斷開對(duì)相線與保護(hù)接地線之間的電壓影響作分析。

在低壓TN系統(tǒng)中,假如發(fā)生相對(duì)中性線短路,如圖2所示,并且相線與中性線的截面相同,即相線與中性線的阻抗相等,短路電流Id在流經(jīng)的中性線上產(chǎn)生電壓降ΔUN=IdZN,則正常相與中性線之間的電壓上升為UTOV=Ua0=U0+ΔUNej120,如圖3所示,經(jīng)計(jì)算可得工頻暫態(tài)過電壓UTOV為1.32U0。同理,當(dāng)中性線是相線的截面一半時(shí),或考慮中性線因諧波電流較大,而按規(guī)范加粗中性線是相線的截面2倍時(shí),可得工頻暫態(tài)過電壓UTOV分別為1.45U0、1.20U0。TN系統(tǒng)由于中性線與保護(hù)接地線通過金屬導(dǎo)體直接連通,即中性線與保護(hù)接地線之間處在同一電位水平。因此,在此場(chǎng)合的SPD按UC≥1.15UO值選用就明顯偏小了。如再按規(guī)范考慮電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓偏差裕度為10%,不考慮SPD老化因數(shù),以最不利工頻暫態(tài)過電壓UTOV為1.45U0為例,則UC≥1.45×1.1UO=1.59UO,此值與國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集D501-1中選用UC值的要求基本吻合。

圖3　發(fā)生單相短路時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓UTOV的相量圖

在低壓TT系統(tǒng)中,假如同樣發(fā)生相對(duì)中性線短路,如圖4所示,則與TN系統(tǒng)一樣,正常相與中性線之間的工頻暫態(tài)過電壓UTOV隨相線中性線的截面比例不同而不同,也分別為1.45U0、1.32U0、1.20U0。由于TT系統(tǒng)中性線與保護(hù)接地線處在不同電位水平,因此UTOV對(duì)接入系統(tǒng)中相線與保護(hù)接地線之間的SPD無影響,而系統(tǒng)中性線與保護(hù)接地線之間的工頻暫態(tài)過電壓UTOV也分別為0.7U0、0.5U0、0.33U0。

圖4　TT制單相短路時(shí)引起的暫態(tài)過電壓

圖5　IT制單相短路時(shí)引起的暫態(tài)過電壓

表1　高壓不同接地系統(tǒng)接地時(shí)對(duì)各低壓系統(tǒng)特征下產(chǎn)生的工頻過電壓其數(shù)值　V

注：①以上“無”代表無此電壓,“0”代表無此電位差。 ②U0為低壓系統(tǒng)相線對(duì)中性線之間的標(biāo)稱相電壓220 V。 ③高壓不接地系統(tǒng)按接地電流30 A計(jì)算,高低壓共用接地極接地電阻為4 Ω。 ④不計(jì)入導(dǎo)線的正常壓降。

不管低壓何種接地型式,當(dāng)發(fā)生低壓中性線斷開時(shí),三相線電壓不變,但會(huì)發(fā)生中性點(diǎn)漂移現(xiàn)象,導(dǎo)致系統(tǒng)中性線與保護(hù)接地線之間的工頻暫態(tài)過電壓UTOV最高可達(dá)到相電壓U0,相線對(duì)中性線之間的電壓隨各相的負(fù)荷容量不同差異很大,三相相電壓極不平衡,理論上最高相可達(dá)到360 V左右,接近線電壓,而相線對(duì)保護(hù)接地線之間的電壓不變,故對(duì)接入于系統(tǒng)中相線與保護(hù)接地線之間的SPD無影響。如發(fā)生中性線斷開,同時(shí)發(fā)生相對(duì)中性線短路,此時(shí)系統(tǒng)相線對(duì)中性線之間的電壓成為了線電壓,中性線、相線與保護(hù)接地線之間的工頻暫態(tài)過電壓UTOV最高均可達(dá)到相電壓U0,如表2所示。

值得注意的是,在IEC標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中并沒考慮中性線斷開時(shí)產(chǎn)生的過電壓對(duì)SPD的影響,估計(jì)一些發(fā)達(dá)國(guó)家的施工質(zhì)量較高,管理水平較好,出于為中性線斷線是一個(gè)小概率事件而選用較高UC值影響了SPD的作用。本文認(rèn)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)結(jié)合國(guó)情,在國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)不考慮諧波電流等因素,導(dǎo)致中性線斷開事故時(shí)有發(fā)生,因此該故障決不能忽視。實(shí)際上在IEC標(biāo)準(zhǔn)中另要求對(duì)此故障發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的工頻暫態(tài)過電壓UTOV下,SPD能安全地失效,以免工頻續(xù)流造成電氣火災(zāi)等其他電氣災(zāi)害,其含義就是在選用SPD時(shí)不考慮承受中性線斷開產(chǎn)生的工頻暫態(tài)過電壓,就應(yīng)在故障發(fā)生時(shí)把SPD脫離電氣線路,也就是必須采用SPD專用保護(hù)電流器件。

表2　各低壓系統(tǒng)特征下單相接地或中性線斷開并接地產(chǎn)生工頻過電壓其數(shù)值　V

注: ① 以上“無”代表無此電壓,“不允許”代表PEN線不能斷開,“0”代表無此電位差。 ②U0為低壓系統(tǒng)相線對(duì)中性線之間的標(biāo)稱相電壓220 V。 ③ 不計(jì)入導(dǎo)線的正常壓降。 ④ 有三行數(shù)字者從上到下分別代表中性線為相線的一半、相同、一倍。

綜上所述,對(duì)預(yù)防大氣過電壓產(chǎn)生的過電流而使設(shè)備絕緣損壞而設(shè)置的SPD,其UC值如完全按GB 50057—2010中規(guī)定的最小值選用在有些故障狀態(tài)下偏小;如完全按國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集D501-1中1.55UO選用又有些偏大。因此,應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況,評(píng)估安裝場(chǎng)合可能發(fā)生的最嚴(yán)重的故障來選用合適的SPD。歸納各種故障對(duì)SPD的UC值選用的影響,在實(shí)際工程中可對(duì)照表3來選用合適SPD的UC值。

表3　SPD取決于電力系統(tǒng)特征所要求的最大持續(xù)運(yùn)行電壓UC最小值　V

注: ①U0是低壓系統(tǒng)相線對(duì)中性線的標(biāo)稱相電壓220 V。 ② 考慮電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓偏差裕度為10%,SPD老化因數(shù)5%,即需計(jì)及15%的允許偏差。 ③ 有三行數(shù)字者從上到下分別代表中性線為相線的一半、相同、一倍。 ④ 未注明接線方案的均采用4+0星型接線。

另外,在有些文獻(xiàn)中有人提出在用500 V或1 000 V絕緣電阻搖表來檢測(cè)線路絕緣電阻時(shí),如線路上接有SPD,應(yīng)把SPD與線路隔離退出,否則很容易使SPD劣化或損壞。實(shí)際上絕緣電阻搖表只是一臺(tái)高電壓小電流微型發(fā)電機(jī)或發(fā)生器(內(nèi)阻很大,電流應(yīng)為微安級(jí)),隨著電流增加電壓快速下降,其最大短路電流約為1.5 mA,1 000 V輸出電壓的最大功率約為0.2 W(實(shí)測(cè)<0.05 W),500 V的最大功率只有0.1 W(實(shí)測(cè)<0.02 W)。該功率即便全部加載在SPD上,也不會(huì)引起SPD任何溫度變化,故不會(huì)對(duì)壓敏電阻MOV造成任何損壞。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試證明,34大小的MOV標(biāo)準(zhǔn)方片能夠承受的電量為5 C,而絕緣電阻搖表所發(fā)的電量遠(yuǎn)小于一個(gè)SPD疊加標(biāo)準(zhǔn)方片所能承受的電量,故不把SPD從線路退出。用500 V或1 000 V絕緣電阻搖表進(jìn)行線路絕緣電阻測(cè)試,既不會(huì)影響絕緣電阻測(cè)試值,也不會(huì)損壞SPD。

2　結(jié)　語(yǔ)

SPD的安裝能使設(shè)備免受由于雷電涌的危害,但在選用SPD時(shí)不能忽視工頻過電壓對(duì)其的影響,必須根據(jù)工程的實(shí)際情況,評(píng)估安裝場(chǎng)合可能發(fā)生的最嚴(yán)重的故障來選用合適UC值的SPD,才能保證SPD的正常和安全使用,又能使殘余電壓降低到最小。

[1]GB 50057—2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]DL/T 620—1997交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合[S].

[3]D501-1防雷與接地安裝[G].

UCSelection of Surge Protective Device

ZHANG Tieshan

(Shanghai Jiangnan Architectural and Design Institute Co., Ltd., Shanghai 201800, China)

The power frequency overvoltage caused by different high and low grounding systems were introduced.The influence of power frequency overvoltage on selection of theUCvalue of surge protection devices (SPD) in the low voltage power supply network installation was discussed,but its transient power frequency overvoltage must be considered according to the different grounding systems.

surge protective device (SPD); power frenquency; transient overvoltage;UC; low voltage power distribution system

張鐵山(1986—),男,從事建筑電氣設(shè)計(jì)。

TU 856

A

1674-8417(2015)10-0029-05

2015-09-23