低壓配電系統(tǒng)中多級(jí)spd的能量配合畢業(yè)論文

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1. 引言2</b></p><p>　　2. 電涌保護(hù)器的種類、性能和參數(shù)2</p><p>　　2.1 電涌保護(hù)器的分類 2</p><p>　　2.1.1 電壓開關(guān)型電涌保護(hù)器2</p><

2、p>　　2.1.2 限壓型電涌保護(hù)器3</p><p>　　2.1.3 混合型電涌保護(hù)器3</p><p>　　2.2 電涌保護(hù)器的性能及參數(shù)3</p><p>　　2.2.1 電涌保護(hù)器主要參數(shù)定義3</p><p>　　2.2.2 電涌保護(hù)器沖擊試驗(yàn)級(jí)別4</p><p>　　3. 多級(jí)電涌保護(hù)器的

3、級(jí)間配合4</p><p>　　3.1 電涌保護(hù)器的配合原則4</p><p>　　3.1.1 基于靜態(tài)伏安特性的配合4</p><p>　　3.1.2 利用退耦元件的配合5</p><p>　　3.2 電涌保護(hù)器的配合形式7</p><p>　　3.2.1 限壓型SPD之間的配合7</p>

4、<p>　　3.2.2 電壓開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間的配合7</p><p>　　3.2.3 電壓開關(guān)型SPD之間的配合8</p><p>　　3.2.4 電涌保護(hù)器與被保護(hù)設(shè)備的配合8</p><p>　　3.2.5 同級(jí)中并聯(lián)SPD的配合9</p><p>　　3.3 多級(jí)電涌保護(hù)器保護(hù)系統(tǒng)的基本配合方案10&l

5、t;/p><p>　　3.3.1 配合方案Ⅰ10</p><p>　　3.3.2 配合方案Ⅱ10</p><p>　　3.3.3 配合方案Ⅲ11</p><p>　　3.3.4 配合方案Ⅳ11</p><p>　　3.4 電涌保護(hù)器配合的實(shí)例12</p><p><b>　　4．

6、結(jié)束語13</b></p><p>　　低壓配電系統(tǒng)中多級(jí)電涌保護(hù)器的能量配合</p><p>　　【摘 要】本文主要依照GB50057－94（2000年版）《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》、IEC61643－1《接至低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器》，分析了低壓配電系統(tǒng)中利用電涌保護(hù)器對(duì)雷電電涌的防護(hù)。系統(tǒng)地闡述了安裝電涌保護(hù)器時(shí)遇到的級(jí)間能量配合問題，并提出了相應(yīng)的解決方案。</p

7、><p>　　【關(guān)鍵詞】浪涌保護(hù)器 能量配合 殘壓 退耦器</p><p><b>　　1. 引言</b></p><p>　　現(xiàn)代建筑物的防雷保護(hù)工程作為一個(gè)系統(tǒng)工程，它包括：接閃、分流、均壓（等電位連接）、接地、屏蔽、（電涌）保護(hù)等方面的綜合技術(shù)。其中“保護(hù)”技術(shù)主要是指采用“防雷擊電涌保護(hù)裝置”。隨著防雷體系一體化

8、工程的實(shí)施，電涌保護(hù)得到了很大的發(fā)展。為了滿足不同防雷保護(hù)區(qū)中的電力、電子設(shè)備的安全，建筑物中的電涌保護(hù)器通常采用多級(jí)配置，這樣在一條線纜的不同位置上配置幾個(gè)特性不同的SPD時(shí)就產(chǎn)生了級(jí)間配合的問題。</p><p>　　2. 電涌保護(hù)器的種類、性能和參數(shù)</p><p>　　電涌保護(hù)器（Surge Protective Device）是一種用于電氣系統(tǒng)中限制瞬態(tài)過電壓和導(dǎo)引泄放電涌電流的

9、非線性防護(hù)器件，用以保護(hù)電器、信息設(shè)備和線路免受雷電及其它過電壓涌流的侵害。</p><p>　　2.1 電涌保護(hù)器的分類

10、 </p><p>　　電涌保護(hù)器的分類方式繁多，如按用途可分為電源系統(tǒng)SPD、信號(hào)系統(tǒng)

11、SPD和天饋系統(tǒng)SPD 等；按端口形式和連接方式可分為與保護(hù)電路并聯(lián)連接的單端口SPD和與保護(hù)電路串聯(lián)連接的雙端口（輸入、輸出端口）SPD，以及適用于信息系統(tǒng)的多端口SPD等；按使用環(huán)境可分為戶內(nèi)型和戶外型。一般情況可按其元件類型分類如下。

12、

13、 </p><p>　　2.1.1 電壓開關(guān)型電涌保護(hù)器</p><p>　　此類SPD當(dāng)無電涌時(shí)呈高阻狀態(tài)，而當(dāng)電涌電壓達(dá)到一定值時(shí)，又突然變?yōu)榈妥杩?。因此，這類SPD被稱為“短路開關(guān)型SPD”；常用的非線性元件有放電間隙、氣體放電管、雙向可控硅開關(guān)管等，具有通流容量大的特點(diǎn)，常用在電源保護(hù)系統(tǒng)首級(jí)的“3+1”保護(hù)模式中（每一相線L與

14、中性線N之間連接一個(gè)SPD，中性線N與保護(hù)線PE之間連接一個(gè)SPD）。</p><p>　　2.1.2 限壓型電涌保護(hù)器</p><p>　　此類SPD當(dāng)無電涌時(shí)呈高阻抗?fàn)顟B(tài)，但隨著電涌電壓和電流的升高，其阻抗持續(xù)下降而呈低阻抗導(dǎo)通狀態(tài)。此類非線性元件有壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管等，有時(shí)又稱為“箝壓型SPD”，因其箝位電壓水平比開關(guān)型SPD要低，可用于電源系統(tǒng)的首級(jí)保護(hù)或后續(xù)雷電防護(hù)區(qū)域內(nèi)的

15、雷電過電壓或操作過電壓保護(hù)。</p><p>　　2.1.3 混合型電涌保護(hù)器</p><p>　　這是將開關(guān)型元件和限壓型元件組合在一起的一種SPD。隨其所承受的沖擊電壓特性的不同而分別呈現(xiàn)出開關(guān)型SPD、限壓型SPD或同時(shí)呈現(xiàn)開關(guān)型SPD和限壓型SPD兩種特性。</p><p>　　2.2 電涌保護(hù)器的性能及參數(shù)</p><p>　　在1

16、998年2月IEC頒布的標(biāo)準(zhǔn)IEC61643—1《接至低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器 第1部分 性能要求及測(cè)試方法》中規(guī)定了用于低壓配電系統(tǒng)的SPD的使用環(huán)境要求：應(yīng)用于1000VAC（48/62Hz）和1500VDC以下電路系統(tǒng)中的SPD，使用高度不超過海拔2000m，貯備和使用時(shí)的環(huán)境溫度在－5℃～＋40℃之間，特殊情況下可擴(kuò)展到－40℃～＋70℃之間，相對(duì)濕度在常溫下為30﹪～90﹪。</p><p>　　2.2

17、.1 電涌保護(hù)器主要參數(shù)定義</p><p>　?、蓬~定電壓Un：指制造商對(duì)SPD規(guī)定的電壓值。由于低壓配電系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下在供電端電壓有不超過±10﹪波動(dòng)值，額定電壓Un的規(guī)定應(yīng)考慮此情況。</p><p>　　⑵最大持續(xù)工作電壓UC：指能持續(xù)加在SPD各種保護(hù)模式間的電壓有效值。UC不應(yīng)低于低壓電路中可能出現(xiàn)的最大持續(xù)工頻電壓。</p><p>　　

18、⑶電壓保護(hù)水平UP：用于表征SPD限制接線端子間電壓的性能參數(shù)，對(duì)電壓開關(guān)型SPD指規(guī)定陡度下最大放電電壓，對(duì)電壓限制型SPD指規(guī)定電流波形下的最大殘壓，其值應(yīng)比在SPD端子測(cè)得的最大限制電壓大，與設(shè)備的耐壓一致。</p><p>　?、润槲浑妷篣as：當(dāng)SPD進(jìn)入箝位狀態(tài)時(shí)，浪涌電壓達(dá)到的值。</p><p>　?、蓺垑篣res：當(dāng)沖擊電流通過SPD時(shí)，在其端子處呈現(xiàn)的電壓峰值。Ures

19、與沖擊電涌通過SPD時(shí)的波形和峰值電流有關(guān)，用于表征SPD的性能，經(jīng)常使用Ures/Uas=殘壓比這一概念。殘壓比一般應(yīng)小于3。</p><p>　?、蕵?biāo)稱放電電流In（額定放電電流）：流過SPD的8/20μs波形的放電電流峰值。一般用于對(duì)SPD做Ⅱ級(jí)分類試驗(yàn)，也可用于Ⅰ、Ⅱ級(jí)分類試驗(yàn)的預(yù)處理試驗(yàn)。</p><p>　?、藳_擊電流Iimp（脈沖電流）：由電流峰值Ipeak和總電荷Q所規(guī)定的

20、脈沖電流。一般用于SPDⅠ級(jí)分類試驗(yàn)，其波形為10/350μs。</p><p>　?、绦孤╇娏鱅I：在0.75Uref（直流電壓）作用下限壓型SPD的漏電流，通常為微安級(jí)。為防止SPD的熱崩潰和自然起火，SPD應(yīng)通過規(guī)定的泄漏電流試驗(yàn)。</p><p>　?、妥畲蠓烹婋娏鱅max：通過SPD的8/20μs電流波的峰值電流。用于SPD的Ⅱ級(jí)分類試驗(yàn)，其值按Ⅱ級(jí)動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)程序確定。Imax

21、>In。</p><p>　　⑽響應(yīng)時(shí)間：從暫態(tài)過電壓作用于SPD到SPD實(shí)際導(dǎo)通放電時(shí)刻之間的延遲時(shí)間。該時(shí)間越小越好。通常限壓型SPD的響應(yīng)時(shí)間短于開關(guān)型SPD。</p><p>　?、蠜_擊通流容量：SPD不發(fā)生實(shí)質(zhì)性損壞而能通過規(guī)定次數(shù)、規(guī)定波形的最大沖擊電流的峰值；對(duì)Ⅰ級(jí)分類試驗(yàn)的SPD用Ipeak來表征；對(duì)Ⅱ、Ⅲ級(jí)分類試驗(yàn)的SPD用Imax來表征，一般為標(biāo)稱放電電流的2.5

22、倍。</p><p>　　2.2.2 電涌保護(hù)器沖擊試驗(yàn)級(jí)別</p><p>　?、窦?jí)分類試驗(yàn)：這是對(duì)Ⅰ類SPD進(jìn)行的用標(biāo)稱放電電流In、1.2/50μs沖擊電壓和10/350μs最大沖擊電流（Iimp）做的試驗(yàn)。最大沖擊電流在10ms內(nèi)通過的電荷Q（A·s）在數(shù)值上等于幅值電路Ipeak(kA)的二分之一，即Q=0.5Ipeak。這是規(guī)定用于安裝在LPZ0A和LPZ1區(qū)交界處的

23、雷電流型SPD的試驗(yàn)程序。</p><p>　?、蚣?jí)分類試驗(yàn)：這是對(duì)Ⅱ類SPD進(jìn)行標(biāo)稱放電電流In、1.2/50μs沖擊電壓和8/20μs最大放電電流（Imax）做的試驗(yàn)。這是規(guī)定用于限壓型SPD的試驗(yàn)程序。</p><p>　　Ⅲ級(jí)分類試驗(yàn)：對(duì)SPD進(jìn)行的復(fù)合波（發(fā)生器產(chǎn)生的開路電壓峰值Uoc波形為1.2/50μs電壓波，短路電流峰值Isc波形為8/20μs電流波，且Uoc/Isc為2Ω

24、，該比值定義為虛擬阻抗Zf）所做的試驗(yàn)。</p><p>　　3. 多級(jí)電涌保護(hù)器的級(jí)間配合 </p><p>　　在需要保護(hù)的系統(tǒng)中裝設(shè)SPD的數(shù)量取決于防雷區(qū)的劃分和被保護(hù)設(shè)備的抗沖擊性要求。各防雷區(qū)交界處及被保護(hù)設(shè)備處安裝的SPD，其允許的電壓保護(hù)水平和殘壓值必須符合各級(jí)電力裝置絕緣配合的要求，并滿足被保護(hù)設(shè)備的抗沖擊性要求。特別是保護(hù)低壓電力系統(tǒng)和敏感的信息系統(tǒng)設(shè)備時(shí)，可能需要裝設(shè)

25、多級(jí)SPD以逐級(jí)削減雷電瞬態(tài)過電壓能量，直到滿足保護(hù)設(shè)備的安全性要求。</p><p>　　3.1 電涌保護(hù)器的配合原則</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)中安裝多級(jí)SPD時(shí)，各級(jí)SPD之間應(yīng)按以下原則之一進(jìn)行能量和動(dòng)作性能的配合：</p><p>　　3.1.1 基于靜態(tài)伏安特性的配合</p><p>　　采用該配合方式時(shí)，SPD之間除線路外不附加

26、任何退耦元件，其能量的配合可用它們的靜態(tài)伏安特性在有關(guān)的電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。本原則一般應(yīng)運(yùn)于限壓型SPD之間的配合。此法對(duì)電涌電流的波形可不予考慮。</p><p>　　當(dāng)SPD間有足夠的線路距離時(shí)，利用線路的自然電感的阻滯作用，可使后級(jí)SPD的電流較前級(jí)SPD小，實(shí)現(xiàn)級(jí)間通流配合。</p><p>　　根據(jù)行波理論電流波或電壓波是以光速沿架空線路傳播的，其傳播速度</p>&l

27、t;p>　　V＝ （3-1） </p><p>　　式中： L0表示導(dǎo)線以大地為回路的每米電感值，LO≈1.6×10-6H/m</p><p>　　C0表示導(dǎo)線每米對(duì)地的電容值，CO≈7×10-12F/m</p><p>　　電流波或電壓波在低壓電纜中的傳播速度

28、</p><p>　　V= （3-2）</p><p>　　式中: L－表示電纜每米的電感值</p><p>　　C－表示電纜每米的電容值</p><p>　　如圖1所示，在低壓配電系統(tǒng)的多級(jí)防護(hù)中，第一級(jí)采用放電間隙以泄放大的雷電流，第二級(jí)采用壓敏電阻（如金屬

29、氧化物非線性電阻器MOV，以下用MOV表示壓敏電阻）。將電壓限制在較低的范圍之內(nèi)。這是一種較常用的多級(jí)保護(hù)模式。</p><p>　　由于MOV的響應(yīng)時(shí)間較快，一般為25ns左右，而放電間隙的響應(yīng)時(shí)間則比較慢，約為100ns，為了保證第一級(jí)保護(hù)比第二級(jí)保護(hù)先動(dòng)作，以泄放大的雷電流，我們應(yīng)該保證的是在雷電波到達(dá)MOV之前讓放電間隙動(dòng)作。雷電波沿著電力電纜侵入，首先到達(dá)放電間隙，由于放電間隙有響應(yīng)時(shí)延，雷電波繼續(xù)向前

30、行進(jìn)，上面我們知道了波在電纜的傳播速度為V=1.5×108m/s，放電間隙的動(dòng)作時(shí)間為100ns，MOV的響應(yīng)時(shí)間為25ns，那么，波在這個(gè)時(shí)間差T=（100-25）ns內(nèi)向前行進(jìn)的距離S可以計(jì)算出來。</p><p>　　1.5×108m/s×75ns=11.25m （3-3）</p><p>　　也就是說，如果第一級(jí)保護(hù)器與

31、第二級(jí)保護(hù)器件之間的距離大于11.25m，就能夠保證前級(jí)先動(dòng)作，從而達(dá)到SPD之間的配合目的。如果前后兩級(jí)保護(hù)均為MOV，響應(yīng)時(shí)間均為25ns，但考慮到前后級(jí)MOV的引線長度的不同，啟動(dòng)電壓的不同以及響應(yīng)時(shí)間上的分散性等情況，響應(yīng)時(shí)間的差值假定為30ns，那么，為了保證前級(jí)先動(dòng)作，則兩級(jí)保護(hù)間的距離應(yīng)為： </p><p>　　S=VT=1.5×108ms×30ns=4.5m

32、 （3-4）</p><p>　　根據(jù)上面的計(jì)算可知，電壓開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間的線路長度不小于11.25m，限壓型之間的線路長度不小于4.5m。該計(jì)算結(jié)果與GB50057-94（2000年版）《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中第6.4.11條 “在一般情況下，當(dāng)在線路上多處安裝SPD且無準(zhǔn)確數(shù)據(jù)時(shí)，電壓開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間的線路長度不宜小于10m，限壓型SPD之間的線路長度不宜小于

33、5m。” 的規(guī)定是相符合的。但是，有時(shí)建筑物比較小，SPD之間沒有足夠的距離，在施工時(shí)可以額外的加長電源線的長度。例如是電纜時(shí)，可以盤繞成圈以減少空間。如果是散線，要注意盤繞成圈后圈與圈之間分布電容的增加以及在沖擊電壓下的絕緣問題。</p><p>　　3.1.2 利用退耦元件的配合</p><p>　　當(dāng)SPD間沒有足夠距離時(shí)，也可以利用退耦器來達(dá)到級(jí)間配合的目的，退耦元件一般采用有足夠

34、耐電涌能力的電感或電阻元件。退耦器可以分為電阻型和電感型，電阻型常用于信息系統(tǒng)，電感型常用于電力系統(tǒng)。當(dāng)用電阻作為退耦元件時(shí)，浪涌電流峰值決定了退耦元件所需的阻值，在選擇器件的脈沖額定參數(shù)時(shí)應(yīng)考慮浪涌電流在電阻上的壓降；如用電感作為退耦元件時(shí)，必須考慮電流波形，即di/dt。</p><p>　　圖2是兩級(jí)SPD利用退耦器相配合的例子。圖2中兩級(jí)非線性元件Rv1和Rv2都是壓敏電阻，當(dāng)然也可以是Rv1采用氣體放電

35、管，Rv2采用穩(wěn)壓管或瞬態(tài)抑制二極管。兩級(jí)之間的隔離組件可以是電感Ls或電阻Rs，若Rv1、Rv2的導(dǎo)通電壓分別是Un1和Un2，則所選用的元件應(yīng)當(dāng)滿足Un2 <Un1。由于退耦元件的加入，當(dāng)入侵沖擊波加在1—2端子上時(shí)，第一級(jí)先導(dǎo)通或第二級(jí)先導(dǎo)通都是可能的，這就需要采取能量配合的措施。第一級(jí)與第二級(jí)的導(dǎo)通順序取決于下列因數(shù)：</p><p>　?、湃肭譀_擊波的波形，主要是電流波前的升速——di/dt；&l

36、t;/p><p>　?、品蔷€性元件Rv1和Rv2的導(dǎo)通電壓Un1和Un2的相對(duì)大??；</p><p>　?、歉綦x阻抗Zn的性質(zhì)是電阻Rs還是電感Ls，以及它們的大小。</p><p>　　當(dāng)Zn為電阻Rs時(shí)，多數(shù)情況下是第二級(jí)先導(dǎo)通。當(dāng)入侵沖擊電流i從零開始上升，到達(dá)</p><p>　　iRs+ Un2≥Un1

37、 （3-5）</p><p>　　時(shí)第一級(jí)才導(dǎo)通。第一級(jí)導(dǎo)通后，由于在大電流下第一級(jí)的等效阻抗比Rs加上第二級(jí)的等效阻抗之和小得多，因而第二級(jí)泄放的電流則要小得多。若第一級(jí)為氣體放電管，它導(dǎo)通后的殘壓通常低于第二級(jí)的導(dǎo)通電壓Un2，于是第二級(jí)截止，這時(shí)沖擊電流全部經(jīng)第一級(jí)泄放。</p><p>　　當(dāng)Zn為電感Ls時(shí)，由于

38、通常情況下，侵入電流一開始的上升速度相當(dāng)快，條件</p><p>　　Ls（di/dt）+ Un2≥Un1 （3-6）</p><p>　　常常是能夠滿足的，于是第一級(jí)先導(dǎo)通。若第一級(jí)導(dǎo)通時(shí)的限制電壓為Uas，則以后隨著入侵沖擊電流的升速的下降，當(dāng)條件</p><p>　　Uas≥Ls（

39、di/dt）+ Un2 （3-7）</p><p>　　得到滿足時(shí)，第二級(jí)才導(dǎo)通。第二級(jí)導(dǎo)通后，將輸出端的電壓，抑制在一個(gè)較低的水平上。</p><p>　　實(shí)際工程中多采用電感型的退耦器。使用SPD廠商提供的專用退耦器是很方便的。當(dāng)?shù)谝患?jí)為間隙式SPD、第二級(jí)為限壓型MOV時(shí)，退耦器電感值可用下式校驗(yàn)：<

40、;/p><p>　　L≥ （3-8）</p><p>　　其中： Uf — 氣體間隙的陡波最大擊穿電壓，kV；</p><p>　　U2 — 取金屬氧化物SPD殘壓或電網(wǎng)額定相電壓峰值，kV； </p><p>　　di/dt — 雷電流陡度，一般可取0.1kA/μs；<

41、/p><p>　　L — 退耦器電感值，μH。</p><p>　　由式（3-8） 可見，電感與雷電流陡度有關(guān)，電流陡度越小電感值越大。實(shí)際線路上電流陡度變化很大，所以退耦器電感不是一個(gè)確定的值。同時(shí)，退耦器的制作有較高的技術(shù)要求，電感值在通過一定幅值和陡度雷電流后不產(chǎn)生大的變化。目前供應(yīng)的退耦器的工頻額定工作電流較小，最大僅為63A。當(dāng)建筑物電源容量較大時(shí)不能使用。</p>&

42、lt;p>　　3.2電涌保護(hù)器的配合形式</p><p>　　按照SPD的特性類別、配合原則及上述分析的關(guān)鍵點(diǎn)，常見以下幾種配合形式：</p><p>　　3.2.1限壓型SPD之間的配合</p><p>　　該配合如圖3 所示。圖中采用電感作為退耦元件，必須考慮浪涌的電流波形。此時(shí)必須考慮浪涌電流的波形和通過兩級(jí)SPD各自的電涌電流波的能量，如圖4所示。當(dāng)不

43、用退耦元件時(shí)，兩個(gè)SPD間的能量配合可根據(jù)在相關(guān)電流范圍內(nèi)，由它們的靜態(tài)伏安特性來實(shí)現(xiàn)配合。</p><p>　　3.2.2電壓開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間的配合</p><p>　　該配合如圖5所示。此時(shí)前一級(jí)SPD放電間隙的觸發(fā)電壓USG取決于后一級(jí)SPD的殘壓Ures和退耦元件的動(dòng)態(tài)壓降UDE之和，即為：</p><p>　　USG=Ures+UDE

44、 （3-9）</p><p>　　當(dāng)USG超過放電間隙的動(dòng)態(tài)放電電壓時(shí)，實(shí)現(xiàn)配合。因此，配合決定于MOV的特性、電涌電流的幅值和陡度以及退耦元件的特性及大小。此時(shí)需要考慮所謂“保護(hù)盲點(diǎn)”的問題，即當(dāng)前一級(jí)SPD1在幅值和陡度較低的電涌電流通過時(shí)，SPD1之放電間隙無火花閃絡(luò)（盲點(diǎn)）。這時(shí)，整個(gè)電涌電流流經(jīng)SPD2（MOV）可

45、能導(dǎo)致MOV的損壞，為此MOV必須能通過此電涌電流的能量。此外，當(dāng)前一級(jí)SPD1的放電間隙閃絡(luò)放電將改變了的電涌波形加于下一級(jí)MOV上，當(dāng)采用低殘壓的間隙時(shí)，選擇下一級(jí)MOV的最大工作電壓Uc對(duì)放電間隙的配合并不重要。可根據(jù)（式3-10）來確定退耦元件的參數(shù)值，如退耦元件采用電感，則其動(dòng)態(tài)壓降UDE=L·di/dt；另外，應(yīng)當(dāng)注意的是除了考慮10/350μs的雷電流Imax（由MOV的最大能量確定），還應(yīng)考慮0.1KA/μs的

46、最小雷電流陡度時(shí)實(shí)現(xiàn)配合所需的退耦元件電感值，即L應(yīng)取下兩式中的最大者。</p><p>　　L10/350=（USG－Ures）×10μs/Imax </p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　L0.1KA/μs=（USG－Ures）×10μ

47、s/kA </p><p><b>　　L一般為數(shù)十μH。</b></p><p>　　3.2.3電壓開關(guān)型SPD之間的配合</p><p>　　該配合如圖6所示。對(duì)放電間隙之間的配合，必須采用動(dòng)態(tài)工作特性。當(dāng)?shù)诙?jí)SPD如放電間隙2發(fā)生火花閃絡(luò)之后，配合將由退耦元件完成；為確定退耦元件的必須值，放電間隙2因其

48、放電電壓（電弧電壓即殘壓）較低，可用短路代替。為觸發(fā)放電間隙1，退耦元件的動(dòng)態(tài)壓降必須高于放電間隙1的動(dòng)作電壓。</p><p>　　采用作為電感退耦元件時(shí)，必須考慮電流的波形。</p><p>　　采用電阻作為退耦元件時(shí)，浪涌電流峰值決定了退耦元件所需的阻值。在選擇SPD的脈沖額定參量時(shí)則應(yīng)考慮電涌電流峰值引起的電阻壓降。在放電間隙1觸發(fā)之后，全部能量將按穩(wěn)態(tài)伏安特性分配于個(gè)元件之間。&

49、lt;/p><p>　　3.2.4電涌保護(hù)器與被保護(hù)設(shè)備的配合</p><p>　　將一塊電介質(zhì)（絕緣體）放在電場(chǎng)中，當(dāng)電場(chǎng)的電壓升高到一定值時(shí)，該電介質(zhì)或其局部首先變?yōu)榱紝?dǎo)體，這種現(xiàn)象稱為擊穿。同樣形狀的不同介質(zhì)，擊穿時(shí)所需加的電壓是不一樣的；同一塊介質(zhì)要使它擊穿，當(dāng)加上高電壓時(shí)間的長短不同時(shí)，所需的電壓高低也不同。這樣要使某種介質(zhì)擊穿所需要加的電壓與所加電壓的時(shí)間的關(guān)系就稱為該介質(zhì)的伏秒特

50、性。由于每級(jí)電壓下可得一系列的放電時(shí)間，所以實(shí)際上伏秒特性是以上、下包絡(luò)線為界的一個(gè)帶狀區(qū)域，稱為伏秒特性帶。</p><p>　　工程上采用所謂50％伏秒特性，或稱為平均伏秒特性，如圖7所示。在上下限間選擇一個(gè)數(shù)值，使放電概率等于50％，即每一電壓下，多次沖擊放電時(shí)間小于它的恰占一半，這個(gè)數(shù)值稱為50％概率放電時(shí)間。以50％概率放電時(shí)間為橫坐標(biāo)（縱坐標(biāo)為該電壓值）連成曲線就是所謂的50％伏秒特性曲線。同理，上下

51、包絡(luò)線分別稱為100％和0％伏秒特性曲線。伏秒特性對(duì)區(qū)分不同設(shè)備絕緣的沖擊擊穿特性具有重要意義。如圖8所示，間隙S1的50％沖擊擊穿電壓高于另一間隙S2，則在同一電壓作用下，S2都先于S1擊穿，若將兩個(gè)間隙并聯(lián)，S2就可以對(duì)S1起到保護(hù)作用。如果S2是擊穿后可以恢復(fù)的SPD，它就可以起到永久保護(hù)S1的作用，這也是SPD能夠保護(hù)設(shè)備的原理。</p><p>　　但是當(dāng)如圖9所示時(shí)，S1和S2伏秒特性發(fā)生相交，則在沖

52、擊電壓較低時(shí)，S2能夠?qū)1起到保護(hù)作用，但在高峰值電壓時(shí)，S2就不能對(duì)S1起到保護(hù)作用了，反而S1先于S2擊穿。所以，為了保證SPD能夠在全范圍內(nèi)保護(hù)設(shè)備不受雷電過電壓的侵害，它的沖擊伏秒特性必須在用電器沖擊伏秒特性的下方，這是選擇SPD的原則。</p><p>　　3.2.5同級(jí)中并聯(lián)SPD的配合</p><p>　　從保護(hù)可靠性的角度來看，一級(jí)中采用多個(gè)SPD并聯(lián)要比僅采用單個(gè)SPD

53、可靠得多。因?yàn)槿绻捎脝蝹€(gè)SPD進(jìn)行保護(hù)，一旦該SPD受到損壞則被保護(hù)電子設(shè)備就將失去保護(hù)，而當(dāng)采用多個(gè)并聯(lián)保護(hù)后，如果其中單個(gè)被損壞，其它完好者仍能擔(dān)負(fù)起保護(hù)任務(wù)。下面以限壓型SPD中的壓敏電阻為例分析同級(jí)并聯(lián)后的保護(hù)特性。</p><p>　　壓敏電阻1 Uref=230V Rb=0.04 Ω α=48</p><p>　　壓敏電阻2 Uref=250V Rb=0.04 Ω α

54、=42</p><p>　　其中：Rb—氧化鋅晶體的體電阻 </p><p>　　α—為壓敏電阻伏安特性非線性程度的表征常數(shù)α=。（u1，i1），（u2，i2）為伏安特性曲線上的兩點(diǎn)。</p><p>　　這兩個(gè)壓敏電阻在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的伏安特性如圖10 所示，其中虛線為它們并聯(lián)后的特性。由該圖可以看到，當(dāng)作用在這個(gè)并聯(lián)壓敏上的電壓為300 V時(shí)，壓敏電阻1中

55、流過的電流越為345A，而壓敏電阻2中流過的電流僅為2.1A，在這一較低電壓作用下，壓敏電阻2中的電流僅為并聯(lián)支路的0.6％，因此壓敏電阻2的分流作用是很小的，可以忽略不計(jì)。當(dāng)升高并聯(lián)壓敏電阻上的電壓時(shí)，氧化鋅晶粒體電阻將開始左右其伏安特性的斜率，強(qiáng)制性地使這兩條伏安特性趨于接近。例如當(dāng)加在并聯(lián)壓敏電阻上的電壓為500V時(shí)，壓敏電阻1和2中的電流分別為3.7kA和2.9kA，這時(shí)壓敏電阻2中的電流已達(dá)到并聯(lián)支路總電流的43％，接近于壓敏

56、電阻1中的電流。由圖10不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于暫態(tài)過電流大于1kA的保護(hù)場(chǎng)合，采用兩個(gè)壓敏電阻并聯(lián)較為合適，此時(shí)壓敏電阻2中的電流能達(dá)到與壓敏電阻1可比的程度；而當(dāng)應(yīng)運(yùn)于暫態(tài)過電流小于1KA的保護(hù)場(chǎng)合，采用壓敏電阻1就可以了，此時(shí)的壓敏電阻2實(shí)際不起分流作用，但由于壓敏電阻1承擔(dān)了全部暫態(tài)過電流，應(yīng)適當(dāng)?shù)靥岣咚耐魅萘俊?lt;/p><p>　　如上所述，當(dāng)應(yīng)用于較大暫態(tài)過電流的保護(hù)場(chǎng)合時(shí)，采用多個(gè)壓敏電阻并聯(lián)具有明顯優(yōu)勢(shì)

57、，與單個(gè)壓敏電阻相比，多級(jí)并聯(lián)可以給出較低的箝位電壓，提高泄放暫態(tài)過電流的能力，還可以緩解其中各壓敏電阻的性能退化。但是，多級(jí)并聯(lián)將會(huì)增大整個(gè)并聯(lián)支路的總寄生電容，這對(duì)工作頻率較高的電子系統(tǒng)保護(hù)來說是十分不利的。</p><p>　　3.3多級(jí)電涌保護(hù)器保護(hù)系統(tǒng)的基本配合方案</p><p>　　在具體的設(shè)計(jì)中，低壓配電系統(tǒng)多級(jí)SPD多采用以下幾種配合方案之一。</p>&l

58、t;p>　　3.3.1配合方案Ⅰ</p><p>　　所有的SPD均采用相同的殘壓Ures，并都具有連續(xù)不斷的伏安特性（如壓敏電阻MOV或抑制二極管）。各級(jí)SPD和被保護(hù)設(shè)備的配合正常時(shí)由它們的線路阻抗來完成。</p><p>　　3.3.2配合方案Ⅱ</p><p>　　各級(jí)SPD的殘壓是臺(tái)階式的，從第一級(jí)SPD到最后一級(jí)SPD逐級(jí)升高，且各級(jí)都有連續(xù)不斷的

59、伏安特性的元件（限壓型SPD）。此配合方案適用于配電系統(tǒng)，方案示意圖如圖12：</p><p>　　3.3.3配合方案Ⅲ</p><p>　　第一級(jí)SPD具有突變的伏安特性（開關(guān)型SPD，如放電間隙，氣體放電管），其后的SPD為連續(xù)不斷的伏安特性的元件（限壓型SPD，如壓敏電阻）。方案示意圖如圖13：</p><p>　　3.3.4配合方案Ⅳ</p>

60、<p>　　如圖14所示，將兩級(jí)SPD組合在一個(gè)裝置內(nèi)形成一個(gè)四端SPD，在裝置內(nèi)</p><p>　　部兩級(jí)SPD之間用串接阻抗或?yàn)V波器進(jìn)行配合。該配合起到了向下級(jí)傳遞最小</p><p>　　能量的作用，使輸出到下一級(jí)SPD或設(shè)備的剩余威脅最小。這些雙端口SPD必須與系統(tǒng)中的其它SPD，恰當(dāng)?shù)匕磁浜戏桨涪瘛筮M(jìn)行充分的配合。</p><p>　　另外，

61、SPD與被保護(hù)設(shè)備間的配合，主要是與被保護(hù)設(shè)備的特性和抗沖擊性進(jìn)行配合。上述方案中，Ⅰ—Ⅲ方案是基于兩端SPD的多級(jí)保護(hù)方案，Ⅳ是組合有退耦元件的四端口（即雙口）SPD。采用上述基本配合方案時(shí)，須考慮到已設(shè)置在設(shè)備出入口處的SPD。</p><p>　　3.4 電涌保護(hù)器配合的實(shí)例</p><p>　　該實(shí)例采用當(dāng)前最為普遍的壓敏電阻型SPD，典型的伏安特性曲線。建筑物接地電阻為1歐姆。雷

62、電流為100kA，10/350μs。計(jì)算內(nèi)容如下：</p><p>　　1.在各級(jí)SPD典型的特性參數(shù)組合下對(duì)級(jí)間距離的要求；</p><p>　　2.SPD與被保護(hù)間距離的要求；</p><p>　　3.在可能開路的電源分支線末端的電涌電壓。</p><p>　　目前，實(shí)際施工中多采用三級(jí)SPD，配合方案利用上述方案Ⅰ、Ⅱ。其中方案Ⅱ如從電

63、壓保護(hù)水平上講是合理的，但通流容量方面可能是不合理的，后級(jí)雷電流可能大于前級(jí)。而方案Ⅰ是一種折中的設(shè)計(jì)，照顧了電壓保護(hù)水平和通流容量兩方面的因數(shù)，但具體的效果也要通過計(jì)算來驗(yàn)證。</p><p>　　對(duì)第Ⅰ方案如圖15所示，UP1=UP2=UP3，具體取UP1=2.0kV，UP2=2.0kV,UP3=2.0kV。</p><p>　　⑴在級(jí)間距離較小時(shí)，各級(jí)殘壓約為Ures1=1.47kV

64、, Ures2=1.43 kV, Ures3=1.43kV。各級(jí)電流約為I1=4 .5kA，I2=1 .4 kA，I3=0 .8 kA；</p><p>　?、圃诩?jí)間距離較大時(shí)，各級(jí)殘壓約為Ures1=1.5kV, Ures2=1 .4kV, Ures3=1 .4 kV。各級(jí)電流約為I1=5 .3kA，I2=1 .0 kA，I3=5 .0kA；</p><p>　　對(duì)第Ⅱ方案如圖16所示，

65、UP1>UP2>UP3，具體取UP1=2.5kV，UP2=2.0kV，UP3=1.5kV。</p><p>　?、旁诩?jí)間距離較小時(shí)，各級(jí)殘壓約為Ures1=1. 7kV, Ures2=1 .5kV, Ures3=1 .5 kV。各級(jí)電流約為I1=3 .0kA，I2=1 .5 kA，I3=3 .0 kA；</p><p>　　⑵在級(jí)間距離較大時(shí)，各級(jí)殘壓約為Ures1=1.9kV

66、, Ures2=1 .4kV, Ures3=1 .4 kV。各級(jí)電流約為I1=5 .0kA，I2=1 .5kA，I3=2.5kA；</p><p>　　由數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論：</p><p>　?、艢垑阂子跐M足電壓保護(hù)水平的要求，兩種方案都可以做到Ures1<Ures2<Ures3,而Ures3<1 .5 kV。不同方案通流容量配合差別很大，可能出現(xiàn)前、后級(jí)倒置（后級(jí)大于

67、前級(jí)）；</p><p>　?、茖?duì)第Ⅰ方案，即使級(jí)間距離很大（50m），第三、二級(jí)電流也很小，而且第三級(jí)殘壓遠(yuǎn)低于1.5kV；</p><p>　?、菍?duì)第Ⅱ方案，即使級(jí)間距離很大（50m），第三級(jí)電流也會(huì)大于第二級(jí)，而且有時(shí)接近第一級(jí)。</p><p>　　對(duì)于由壓敏電阻構(gòu)成的多級(jí)SPD的安裝配置，主要結(jié)論如下：</p><p>　?、乓话闱?/p>

68、況下，取UP1=UP2=UP3的方案可以滿足級(jí)間配合要求；</p><p>　?、埔筝^高的情況下，可以適當(dāng)升高后級(jí)SPD的UP值，在級(jí)間距離較小時(shí)，也能滿足殘壓低的要求；</p><p>　?、侨鏤P1>UP2>UP3，即使級(jí)間距離很大，通流容量也可能出現(xiàn)倒置，對(duì)第二、第三級(jí)的通流容量要求大，甚至近于第一級(jí)；</p><p>　?、纫话闱闆r下，兩個(gè)SP

69、D間的線路上的電涌電壓不會(huì)超過SPD上的電壓，但可能開路的分支線的末端可能有高于分支點(diǎn)的電涌電壓。</p><p><b>　　4．結(jié)束語</b></p><p>　　隨著SPD的級(jí)間配合問題在國內(nèi)外得到重視，許多關(guān)于電涌保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中都提到了級(jí)間配合問題，有的還給出了分析的原則。但是對(duì)如何在工程中處理級(jí)間配合問題都缺乏具體的、可操作的辦法。目前實(shí)際上就是在同一條

70、電線上的各級(jí)SPD都采用同一制造商的產(chǎn)品，用來保證能量配合。但是由于部分制造商在推出產(chǎn)品的時(shí)候并沒有試驗(yàn)或計(jì)算值作為配合依據(jù)，造成了多級(jí)SPD間配合的不可靠。所以，在工程中電涌保護(hù)設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，認(rèn)真地處理級(jí)間配合問題。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　關(guān)象石.《防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范匯編》.北京華云克雷雷電防護(hù)工程技術(shù)有限公司、北

71、京市避雷裝置安全檢測(cè)中心、中國氣象局專利事務(wù)所合編. 2001</p><p>　　廣東省防雷中心.《國際防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范匯編》.廣州市防雷件災(zāi)辦公室編譯.</p><p>　　蘇邦禮、崔秉球、吳望平、蘇宇燕.《雷電與避雷工程》.中山大學(xué)出版社1999.10</p><p>　　張小青.《建筑物內(nèi)電子設(shè)備的防雷保護(hù)》.電子工業(yè)出版社.2000.6 </p>