低压供配电系统雷电防护措施
 
  

    雷电或大容量电气设备的操作会在供电系统内外产生电涌,其对供电系统和用电设备的影响已成为人们关注的焦点。低压供电系统的外部电涌主要来自于雷击放电,它由一次或若干次单独的闪电组成,每次闪电都携带若干幅值很高、持续时间很短的电流。一个典型的雷电放电过程包括两次或三次闪电,每次闪电之间大约相隔1/20s的时间。大多数闪电电流在10~100kA之间降落,其持续时间一般小于100μs. 供电系统的内部浪涌主要来自于供电系统中大容量设备、变频设备和非线行用电设备的使用。供电系统的内、外部浪涌会对一些敏感的电子设备造成损坏,即使是很窄的过电压冲击也会造成设备的电源部分或整个电子设备损坏。在雷电对设备造成的损害事故中,由电源线引入的雷电波占有相当大的比例,所以对电源线路的安全防护显得格外重要。 雷 电防护系统由三部分组成,各部分都有其重要作用,不存在替代性。外部防护,由接闪器、引下线、接地体组成,可将绝大部分雷电能量直接导入地下泄放。过渡防护,由合理的屏蔽、接地、布线组成,可减少或阻塞通过各入侵通道引入的感应。内部防护,由均压等电位连接、过电压保护组成,可均衡系统电位,限制过电压幅值。 在此,我仅介绍一下电源防护。
一、电源系统的防雷保护对象
根据国际电工委员会所拟定的IEC1312《闪电电源脉冲的防护》标准,一般电源系统(不包括发电系统)、应在其LPZI雷电保护区。在此区域,不易遭受直击雷,所感应的雷电电流不大于20KA,电压不高于6KA。其防雷保护对象有两个方面:
1、 电源输入、输出端口的防雷
不同电源系统设备千差万别,这里以通信电源为例。通信电源一般有交流配电、直流配电、整流模块、监控模块等单元。交流配电单元整流模块的输入端都应设计防雷 网络来吸收雷电流,抑制雷电引起的尖峰电压。这样对整流系统来说,理想的情况是,交流配电单元的防雷网络吸收掉大部分雷电流,并将浪涌电压抑制在远低于6KA的水平,整流模块内的防雷网络再吸收掉剩下的雷电流,并将浪涌电压箝位在模块内器件能承受的水平。这样,才能保证电源系统既有效防雷,又能尽量延长防雷器件的寿命。
2、 电源通信端口的防雷
当电源系统通过电话线进行远程通信时,通信电缆就可能引入雷电。雷电进入电源系统通信用的调制解调器或系统的端口时,就可能使其损坏。通信线路的防雷首先要了解线路上的电压水平,据此来选择防雷器件。其次,要注意不能影响通信质量,如产生误码等
二、电源防雷器的配置
防雷器又称等电位连接器、过电压保护器、浪涌抑制器、突波吸收器、防雷保安器等,用于电源线防护的防雷器称为电源防雷器。鉴于目前的雷电致损特点,雷电防护尤其在防雷整改中,基于防雷器防护方案是最简单、经济的雷电防护解决方案。防雷器的主要作用是瞬态现象时将其两端的电位保持一致或限制在一个范围内,转移 有源导体上多余能量。进入地下泄放,是实现均压等电位连接的重要组成部分。防雷器的一些主要技术参数:额定工作电压、额定工作电流,特批串并式电源防雷器的载流量。
1、TN-C系统防雷保护
TN-C系统:俗称三相四线制,供电系统中相线与零线并行敷设,由于从变压器中心点引来的N线在该处接地,因此安装防雷器时可在相线与零线之间安装防雷模块,但在有些情况下,由于零线与接地情况不好,接地电阻过大,此时可在配电箱近旁立柱的主钢筋中引一地线,作为防雷电源地。
2、TN-S系统防雷器的配置
PE线与N 线在变压器低压侧出线端相连并与大地连接,而在后面的供电电路中PE线与N线分开布放,因此在选用和安装防雷器时需要分别在相线与PE线之间以及N 线和PE线之间进行保护。
3、TN-C-S系统防雷器的配置
TN-C-S系统是TN-C和TN-S两种系统的组合,其中第一部分是TN-C系统,第二部分为TN-S系统,其分界面在N线与PE线的连接处。该系统一般用在建筑物由区域变电所供电的场所,进户之前采用TN-C系统,进户处作重复接地,进户后变成TN-S系统。
根据《低压配电设计规范》中的有关条文,建筑电气设计选用TN系统时应作等电位连接,消除自建筑物外沿PEN线或PE线窜入的危险故障电压,同时减小保护电器动作不可靠带来的危险,有利于消除外界电磁场引起的干扰,改善装置的电磁兼容性能。TN -C-S系统的N线和PE线,在变压器低压侧就合为一条PEN线,这时只需在相线与PEN线之间加装防雷器。在进入建筑物总配电屏后,PEN线又分为N线 和PE线两条进行独立布线,PEN线接在建筑物内总等到电位接地母排上并入地。因此进入配电屏以后,N 线对PE线就安装防雷器。
4、TT系统防雷器的配置
N线只在变压器的中性点接地,它与设备的保护接地是严格分开的,因此在选用防雷器时需要在相线与N线之间以及N线与地线之间进行保护。
5、  IT系统防雷保护
IT系统:俗称三相三线制,IT系统中变压器中性点不接地或大电阻接地,线路中无工作零线。此种供电系统适于三相对称负载,常用于工厂供电系统中给电动机供电。其防雷保护需在负载的输入侧做一接地体,作为系统防雷保护地。
对不同的供电系统中SPD的安装位置,原则上应安装在各雷电防护区的交界处,其接地端应就近接到等电位连接带上,但由于各种原因,SPD的安装位置不会正好 设在雷电交界处附近,此时B级SPD 应安装在建筑物内总等电位连接端子处,实行多级保护的末端SPD应靠近被保护设备安装。
三、分级防护
由于雷击的能量是非常巨大的,需要通过分级泄放的方法,将雷击能量逐步泄放到大地。第一级防雷器可以对于直接雷击电流进行泄放,或者当电源传输线路遭受直接雷击时传导的巨大能量进行泄放,对于有可能发生直接雷击的地方,必须进行CLASS —I的防雷。第二级防雷器是针对前级防雷器的残余电压以及区内感应雷击的防护设备,对于前级发生较大雷击能量吸收时,仍有一部分对设备或第三级防雷器而言是相当巨大的能量会传导过来,需要第二级防雷器进一步吸收。同时,经过第一级防雷器的传输线路也会感应雷击电磁脉冲辐射LEMP,当线路足够长感应雷的能量就变得足够大,需要第二级防雷器进一步对雷击能量实施泄放。第三级防雷器是对LEMP和通过第二级防雷器的残余雷击能量进行保护。
1、第一级保护
目的是防止浪涌电压直接从LPZ0区传导进入LPZ1区,将数万至数十万伏的浪涌电压限制到2500—3000V。
入户电力变压器低压侧安装的电源防雷器作为第一级保护时应为三相电压开关型电源防雷器,其雷电通流量不应低于60KA。 该级电源防雷器应是连接在用户供电系统入口进线各相和大地之间的大容量电源防雷器。一般要求该级电源防雷器具备每相100KA以上的最大冲击容量,要求的 限制电压小于1500V,称之为CLASS I级电源防雷器。这些电磁防雷器是专为承受雷电和感应雷击的大电流以及吸引高能量浪涌而设计的,可将大量的浪涌电流分流到大地。它们仅提供限制电压(冲击电流流过电源防雷器时,线路上出现的最大电压称为限制电压)为中等级别的保护,因为CLASS I级保护器主要是对大浪涌电流进行吸收,仅靠它们是不能完全保护供电系统内部的敏感用电设备的。
第一级电源防雷器可防范10/350μs、100KA的雷电波,达到IEC规定的最高防护标准。其技术参考为:雷电通流量大于或等于100KA(10/350μs);残压值不大于2.5KV;响应时间小于或等于100ns。
2、第二级防护
目的是进一步将通过第一级防雷器的残余浪涌电压的值限制到1500—2000V,对LPZ1—LPZ2实施等电位连接。
分配电柜线路输出的电源防雷器作为第二级保护时应为限压型电源防雷器,其雷电流容量不应低于20KA, 应安装在向重要或敏感用电设备供电的分路配电处。这些电源防雷器对于通过了用户供电入口处浪涌放电器的剩余浪涌能量进行更完善的吸收,对于瞬态过电压具有极好的抑制作用。该处使用的电源防雷器要求的最大冲击容量为每相45kA以上,要求的限制电压应小于1200V,称之为CLASS   II级电源防雷器。一般用户供电系统做到第二级保护就可以达到用电设备运行的要求了
第二级电源防雷器采用C类保护器进行相—中、相—地以及中—地的全模式保护,主要技术参数为:雷电通流容量大于或等于40KA(8/20μs);残压峰值不大于1000V;响应时间不大于25ns。
3、第三级保护
目的是最终保护设备的手段,将残余浪涌电压的值降低到1000V以内,使浪涌的能量有致损坏设备。
在电子信息设备交流电源进线端安装的电源防雷器作为第三级保护时应为串联式限压型电源防雷器,其雷电通流容量不应低于10KA。
最后的防线可在用电设备内部电源部分采用一个内置式的电源防雷器,以达到完全消除微小的瞬态过电压的目的。该处使用的电源防雷器要求的最大冲击容量为每相20KA或更低一些,要求的限制电压应小于1000V。对于一些特别重要或特别敏感的电子设备具备第三级保护是必要的,同时也可以保护用电设备免受系统内部产生的瞬态过电压影响。
对于微波通信设备、移动机站通信设备及雷达设备等使用的整流电源,宜视其工作电压的保护需要分别选用工作电压适配的直流电源防雷器作为末级保护。
4、根据被保护设备的耐压等级,假如两级防雷就可以做到限制电压低于设备的耐压水平,就只需要做两级保护,假如设备的耐压水平较低,可能需要四级甚至更多级的保护。第四级保护其雷电通流容量不应低于5KA。
四、电源防雷器分级防护的一般配置
配置电源防雷器时应注意以下事项
1、若电源进线为架空线,则在电源总配电柜处安装标称通流容量在20KA(10/350μs)及以上的开头型电源防雷器,其放电电压Usg≥4Uc(Uc为最大工作电压);也可安装标称通流容量在80KA(8/20μs)以上的限压型电源防雷器,标称导通电压Un≥4Uc,响应时间小于或等于100ns,该电源防雷器作为一级防护.
2、若电源进线为埋地引入电缆且长度大于50m,则在电源总配电柜处安装标称通流容量在60 KA(8/20μs)以上、标称导通电压Un≥4Uc、响应时间小于或等于100 ns的电源防雷器作为一级防护。
3、在楼层电源的分配电箱上应安装标称通流容量在40 KA(8/20μs)以上、标称导通电压Un≥3Uc、响应时间小于或等到于50ns的电源防雷器作为二级防护。
4、在设备前应安装标称通流容量在20 KA(8/20μs)以上、标称导通电压Un≥2.5Uc、响应时间小于或等到于50ns的电源防雷器作为三级防护。
5、对于重要的电子设备和计算机机房,在不间断电源后宜安装标称通流容量在10KA(8/20μs)以上、标称导通电压Un≥2Uc、响应时间小于或等到于50ns的电源防雷器作为精细防护。
6、在二次(直流)电源的设备前宜安装低压直流电源防雷器,其标称容量大于或等于10 KA(8/20μs),标称导通电压Un≥1.5Uz(Uz为直流工作电压),响应时间小于或等于50ns。
为防止电源防雷器老化造成短路,电源防雷器安装线路上应用过电流保护装置;宜选用有劣化显示功能的电源防雷器。
五、电源系统SPD的安装:
1、 雷电会在配电线路上感应出雷电过电压,它既可能是相线对地或中性线对地的感应过电压,也可能是相线与中性线之间的感应过电压。在不同的配电系统中SPD的 安装方法是不一样的:TN系统一般采用相线、中性线分别对地加装过压型SPD的方式;TT系统一般采用相线分别对中性线加装过压型SPD的方式,中性线对 地采用放电间隙SPD。
2、根据GB50343-2004中规定,电源线路浪涌保护器的安装应符合下列规定:
2. 1、电源线路的各级浪涌保护器应分别安装在被保护设备电源线路的前端,浪涌保护器各接线端应分别与配电箱内线路的同名端相线连接。浪涌保护器的接线端与配电箱的保护接地线(PE)接地端子板连接,配电箱接地端子板应于所处防雷区的等电位接地端子板连接。各级浪涌保护器连接导线应平直,其长度不宜超过0.5米。
2.2、带有接线端子的电源线路浪涌保护器应采用压接;带有接线柱的浪涌保护器宜采用线鼻子与接线柱连接。
3、 如果各级电源的SPD单独安装,则应首先确定各级SPD的安装位置,保证各级间的导线长度符合《建筑物电子信息系统防雷技术规范》中的有关要求,满足各级能量配合的要求,并且注意最后的一级SPD的安装点与所要保护的设备间的导线距离尽量短,避免在设备前端的线路上产生的感应电压进入设备。在由直流电源供电的设备机房内,在开关电源直流输出端要安装直流浪涌吸收保护器。
六、接地
1、接地的目的和种类:
接地是利用大地作为接地电流回路,在电气设备与大地之间实现低阻抗的电气连接,它将设备接地处的电位固定为所允许的值。接地的目的一是为设备的操作人员提供 安全保障;二是防止设备损坏和提高设备工作的稳定性。接地电位的大小,除与电流的幅值和波形有关外,还和接地体的几何尺寸及大地的电磁参数有关。
在电气设备中,按照接地用途的不同,可分为工作接地、保护接地、屏蔽接地和防过电压接地。
2、电源防雷器接地时应注意以下事项:
2.1为了使接地电位相等,被保护设备与防雷器必须再用一个接汇集排。
2.2为了减小防雷器泄放的雷电流在接地引线上形成残压,防雷器的接地线应尽可能短、粗、直。
2. 3为了使被保护设备的地电位与接地汇集排的地电位相等,设备的保护接地线中不能有电流流过,接地连接线可适当加长。
2.4避雷针(带)引下线和其他干扰电流不能流过设备与防雷器用的接地汇集排,以免造成接地汇集排上各连接点的电位不相等。
3、电源装置接地的分类
目前在我国应用的各种电源装置的接地种类繁多,归纳起来可分为以下几类
3.1给电源装置供电电源中性点的工作地:指稳定的供电系统中性点电位的接地;
3.2电源装置的防雷保护接地:指在雷雨季节为防止雷电过电压的保护接地;
3.3电源装置的安全保护地:指为防止接触电压及跨步电压危害人身和设备安全,而设置的微电子装置金属外壳的接地;
3.4电源装置直流系统地又称为逻辑地、工作地 ,它为微电子装置各个部分、各个环节提供稳定的基准电位(一般是零点位)。这个地可以接大地,也可以仅仅是一个公共点。系统地如果与大地不相连,即系统地处于悬浮工作状态,称之为浮空地;
3.5电源装置的屏蔽地:为抑制各种干扰信号而设置的,屏蔽的种类很多,但都需要可靠的接地。
结束语:
雷电防护将是个系统工程,雷电防护的中心内容是泄放和均衡:
1.泄放是将雷电与雷电电磁脉冲的能量通过大地泄放,并且应符合层次性原则,即尽可能多、尽可能远地将多余能量在引入通信系统之前泄放入地;层次性就是按照所设立的防雷保护区分层次对雷电能量进行削弱。
2.均衡就是保持系统各部分不产生足以致损的电位差,即系统所在环境及系统本身所有金属导电体的电位在瞬态现象时保持基本相等,这实质是基于均压等电位连接的。
电源系统的防护只是雷电防护中的一部分,更科学更详细的做法还需要我们进一步的研究。