防雷技术

供电系统电能质量受雷电的影响及其治理办法
作者: www.tj-spd.cn


一、低压供电系统的干扰的分析
1、区分几种不同的干扰
影响低压供电系统电能质量的因素主要来自于两个方面：一是来自于供电系统上的装置及用电设备，这些装置在启停、工作、故障等条件下，对与之连接的电网可能造成干扰，影响电能质量；另一种是来自于外部的干扰，雷电可以通过电磁感应或电阻耦合（直接流注）等方式，影响供电质量，甚至损坏电网中的装置和用电设备。
如下图所示，供电系统中的干扰形式可以按照对供电电压的影响的强度和时间的不同，分为五种类型，分别是：电压暂降或电压短时中断；谐波导致的快速和慢速电压波动；临时电压升高；开关浪涌以及雷击浪涌。后两种之所以被称之为浪涌，主要是由于这两种干扰的持续时间很短，只有几十至数百微秒，但是电压峰值可以达到工作电压的数倍至数十倍。
电网上的各类设备耐受冲击过电压的能力不同，但都有一定的限制范围。冲击过电压的峰值超过这一范围时，必然引起设备的损坏或者缩短其使用寿命。如上图纵坐标所示，各类设备根据其过电压耐受能力的不同分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类设备，Ⅰ类设备的冲击过电压耐受值为1.5KV，例如电子信息设备或其它有特殊要求的设备；Ⅱ类设备的冲击过电压耐受值为2.5KV，包括一般的用电设备，例如家用电器等都是Ⅱ类设备；Ⅲ类设备的冲击过电压耐受值为4KV，例如配电箱、断路器等都是此类；Ⅳ类设备的冲击过电压耐受值为6KV，包括电源处的设备如电气计量仪表等。从坐标图可以看出，低压供电系统上的最大电压峰值来自于浪涌过电压。较高能量的浪涌过电压常常使连接在电网上的负载完全损坏。
下面我们对供电网络上的雷击浪涌和开关浪涌进行具体的分析，以期明确解决的方法。
2、浪涌过电压的成因
⑴ 雷电直击建筑物造成雷击浪涌
雷电击中建筑物的外部避雷系统（避雷针、避雷带）或击中屋顶的接地的金属构件，例如天线等，此时雷电流通过引下线泄放到大地。但是，并不是说建筑物内的设备就安全了，原因来自于阻抗。当雷电流通过时，引下线的阻抗以及接地电阻把整个接地装置的电位抬升了起来，接地装置的电位可以上升到数十千伏或者更高。因此雷电流不但通过该建筑物的接地装置泄放入地，而且也会通过该建筑物附近的其它接地装置泄放入地，例如附近其它建筑物的接地装置、电力变压器的接地装置等，这被称之为雷电流的分流。而雷电流流到附近其它接地装置的通路就是那些与附近建筑物相连的电源线、通信线等。这一通路的建立是以破坏线路绝缘或损坏设备为代价的。
还有一种情况是雷电击中低压架空电缆，与雷电击中建筑物类似，雷电流沿着电源线流动，有一部分雷电流沿着电源线进入建筑物，通过绝缘击穿或损坏设备的方式进入建筑物的接地装置。
雷击浪涌的能量很高，直击建筑物的雷电流值可以达到200KA（10/350）；通过架空线引入的雷电流值可以达到100KA（10/350）。
⑵ 开关浪涌
开关操作、开关电容性或电感性负载、短路跳闸等都能够在电源线上产生浪涌过电压，这种过电压称为开关浪涌。尤其是当生产线、照明系统或者电力变压器关断时，产生的开关浪涌有可能损坏附件的电气设备。开关浪涌的电流值可达几千安培（8/20）。
另外，雷击时，在放电通道周围产生高能磁场，这个磁场可以在电力线路上感应出较高的电压脉冲，其电流值可达几千安培（8/20），而且影响的区域可以延伸到距落雷点2km的范围。由雷电感应产生的浪涌比雷击浪涌能量低，所以也把雷电感应的浪涌与开关浪涌归为一类。
通常，开关浪涌电压值是2－3倍的额定工作电压，而雷击浪涌电压值可以达到额定工作电压的20倍，并且具有很高的能量。但是，浪涌过电压对设备的损坏并不一定是立刻察觉到的。很多时候，当供电系统的雷击浪涌或开关浪涌发生后，设备并不是马上损坏，而是在继续运行一段时间后才损坏，其损坏原因往往被简单的归为电子元器件的老化。因此有必要采取有效的方法减小供电系统上的浪涌威胁，提高电能质量。


二、低压供电系统浪涌过电压和电流的防护办法
         从整体上来讲，建筑物防护雷电直击及其感应的保护装置共有四大组成部分。一为雷击保护系统，由接闪器、引下线组成，它的作用是安全接闪雷击电流，传送入地；二为接地系统，由接地体、接地连接线组成，它的作用是使雷电流消散入地；第三是等电位连接系统，由汇流排和连接电缆、建筑物内的金属构件、设备壳体、机柜等连接组成的网络，作用是保证该区域内共同的电位；第四是浪涌保护系统，浪涌保护系统由不同级别的浪涌保护器（防雷器）组成，作用是减小电源线、信息线路上的浪涌危害。
        对电源线上的雷击浪涌和开关浪涌的保护措施就是建立浪涌保护系统。浪涌保护系统的建立原则是在防雷保护区之下的分级防护。以下就防雷保护分区和分级防护的具体问题分别作分析。
⑴ 防雷保护区
        防雷保护区的概念在IEC62305-4中有清晰的描述，这一概念的提出是基于逐渐减少浪涌的强度直到安全水平这样一个防护思路。通过浪涌保护器的配置，使浪涌在到达终端设备前被减小到安全的范围内。为了达到这一目的，建筑物的整个供电网络被划分在不同的防雷保护区中。
        如图所示，建筑物外的供电电缆位于0区，建筑物内的供电线路位于1区，机房内的电源线路位于2区，而作为保护对象的设备机柜或机壳内的空间是3区，设备机柜内的供电线路就位于这一区域。浪涌保护器作为电源线与接地线之间的等电位连接，安装在电源线穿过不同的分区的交界处。例如在0区到1区之间，1区到2区之间。对于不同类型的建筑物，划分不同的防雷保护区的办法可操作性强，并且能够解决不同的线缆之间互相感应的问题，符合电磁兼容的要求，是比较经济的做法。当然，防雷分区也不是划分得越多越好，一般而言，分成3个保护区是最好的选择。
⑵ 区分浪涌保护器的级别
        在确定好防雷保护分区后，需要分级安装浪涌保护器。浪涌保护器的级别根据EN 61643-11分为三类，分别是一级、二级、三级浪涌保护器。三种级别的浪涌保护器的性能参数要求各不相同，安装位置也不一样。一级浪涌保护器安装于电源线从0区到1区的交界处，二级浪涌保护器安装于1区到2区，三级浪涌保护器安装于2区到3区。不同级别的浪涌保护器不能混用，例如：即使一级浪涌保护器的保护水平<2.5kV，也不能作为二级浪涌保护器使用，因为一级浪涌保护器对电源线上的开关浪涌是无效的。同样，不可以用二级浪涌保护器充当三级浪涌保护器，因为其电路结构和性能指标差异很大，第三级浪涌保护器主要用于限制开关浪涌，可以有效保护末端设备并延长其使用寿命。另外，在雷电灾害比较严重场合，有的观点认为应多增加浪涌保护器的级别，如采用四级防护等。实际上这样的做法并不能产生明显的效果。在雷电严重的场合，有必要增加的是一级浪涌保护器的通流量，使其不因过载或频繁动作而损坏，从而提高整个浪涌保护系统的寿命和可靠性。