1.7 过电压和低压配电网的电涌保护

1.过电压的分类

配电网的过电压是指系统中出现了超过正常电压范围的高电压值。过电压的形式有两种：其一是相对地的过电压以及中性线对地的过电压，被称为共模过电压；其二是相导体之间的过电压，被称为差模过电压。

共模过电压危害线路和电气设备的绝缘，而差模过电压不仅危害线路和电气设备的绝缘，还因为过电压在负载阻抗上产生了过电流，使得线路出现高温发热，可能会损坏电气设备，甚至引起电气火灾。

过电压包括大气过电压和系统过电压。大气过电压指的是雷击，而系统过电压则包括操作过电压、谐振过电压和工频过电压。具体分类见表1-41。

表1-41 过电压分类

大气过电压的能量来自雷电，与系统额定标称电压无关，对中压和低压配电网和电气设备的危害极大，对高压电网的绝缘能力有一定的危害；系统过电压其能量来自于电网本身，过电压的幅值与系统额定标称电压密切相关，它对高压和超高压系统的绝缘危害严重，对中压和低压危害较轻，因此本节将过电压的重点放在大气过电压上。

2.防雷区域和划分

建筑物遭受雷击是一种常见现象，雷击会给人身和电气设备带来极大的伤害和破坏，所以需要对雷击予以必要的防护。

根据被保护空间可能遭受雷击的严重程度及被保护系统（设备）所要求的电磁环境，将被保护空间划分为若干不同的防雷区域，即LPZ0_A、LPZ0_B、LPZ1、LPZ2、LPZ3……

（1）LPZ0_A

LPZ0_A指本区内各个物体都可能遭受直接雷击，因此各物体都可能导走全部雷电流，同时本区内的电磁场没有衰减。例如屋顶的避雷针就属于LPZ0_A区域。

（2）LPZ0_B

LPZ0_B指本区内各个物体不可能遭受直接雷击，但本区内的电磁场没有衰减。例如避雷针屋顶避雷针附件的避雷带区域。

（3）LPZ1

LPZ1指本区内各个物体不可能遭受直接雷击，且流经各个导体的电流比LPZ0_B区域进一步减小。同时，本区内的电磁场可能衰减。例如建筑物内部就是LPZ1区域。LPZ1区域与LPZ0_B区域的交界面是建筑物的墙体和屋面。由于建筑物构件中的钢筋分流作用，使得LPZ0_B区域和LPZ1区域内的电磁环境有很大区别。

（4）随后的防雷区LPZ2、LPZ3……

随后的防雷区LPZ2、LPZ3……中需要进一步减小所引导的雷电电流和电磁场。一般地，LPZ2指的是电气设备的外壳，而LPZ3指的是电气设备外壳内部空间区域。

3.SPD的特性及分类

电涌属于EMC电磁兼容研究的范畴。在电涌模型中电涌从干扰源经过耦合路径传递到感受器设备中。

电涌包括雷电电涌和电磁操作脉冲电涌，两者同为干扰源，在低压配电网中产生能量耦合传递到电气设备中。

电涌保护器（Surge Protective Device，SPD）是用于带动系统中限制瞬态过电压并且泄放电涌电流的一种非线性保护器件。电涌保护器又被简称为SPD，它能够保护电气和电子系统免遭雷电或者操作过电压及涌流的损害。

SPD专用于低压配电系统和电子信息系统，按所使用的非线性元件特性，电涌保护器分为三类。各类SPD曲线如图1-67所示。

图1-67 三类SPD曲线

（1）电压开关型SPD

电压型SPD在无电涌时呈现高阻状态。当出现涌流时，当涌流电压达到一定幅值时，电压型SPD突然变为低阻抗，见图1-67左图曲线。

电压型SPD具有流通量大的特点，适用于LPZ0区和LPZ1区界面的雷电电涌保护。

（2）限压型SPD

限压型SPD在无电涌时呈现高阻抗状态。当出现涌流时，随着电涌电压和电涌电流的升高，限压型SPD的阻抗持续降低，SPD的特性曲线为水平线。因此限压型SPD能够对涌流实现箝位。见图1-67的中图曲线。

限压型SPD箝位电压比电压开关型SPD要低，但流通容量较小，一般用于LPZ0_B及之后的电涌保护。

（3）混合型SPD

混合型SPD兼有电压开关型SPD和限压型SPD的特性，见图1-67右图曲线。

4.SPD的标准化试验

SPD在使用中其参数来源于一系列标准化试验。

（1）SPD冲击分类试验

SPD冲击分类试验的电流波形如图1-68所示。

图1-68中，

曲线1——IEC 61643-1标准推荐曲线；

曲线2——德国E DIN VDE0675推荐曲线；

曲线3——IEC 61643-1标准推荐曲线。

图1-68对应的试验电流参数见表1-42。

图1-68 SPD冲击分类试验的电流波形

表1-42 SPD试验电流参数表

表1-42中

I_p——电流峰值，单位为kA；

Q——电荷量，即曲线下面积，单位为A·s；

W/R——单位负载能量，单位为J/Ω；

波形——曲线特征。

曲线1被称为冲击电流I_imp，其波头时间为10μs而半峰时间为350μs。曲线1很接近自然雷电放电的电流波形，常用于一级配电；曲线3用于二级和三级配电的电气电子系统。

（2）SPD的三种冲击分类试验

1）Ⅰ级分类试验：用1.2/50μs的冲击电压、8/20μs和10/350μs的冲击电流做试验，从而确定SPD的标称放电电流I_n（8/20μs）和最大冲击电流I_imp（10/350μs）。通过了Ⅰ级分类试验的SPD可用于导入雷电冲击电流的地方，适用于高暴露地点，例如IPZ0_A、LPZ1区界面。

2）Ⅱ级分类试验：用1.2/50μs的冲击电压和8/20μs的冲击电流做试验，用于确定SPD的标称放电电流I_n（8/20μs）和最大放电电流I_max（8/20μs）。

通过了Ⅱ级分类试验的SPD可用于较少暴露地点。限压型SPD应该进行Ⅱ型分类试验。

3）Ⅲ级分类试验：当SPD开路时施加1.2/50μs的冲击电压，当SPD短路时施加8/20μs的冲击电流做试验。其中开路电压峰值与短路电流峰值之比取2Ω。

5.SPD的主要参数

1）最大持续工作电压U_C——允许持续施加在SPD端子间的最大电压有效值。U_C不应低于线路中可能出现的最大持续运行电压。一般地，除了工作电压外，若持续时间超过5s的暂态过电压就可以被认为是持续电压。

2）标称放电电流I_n——SPD通过8/20μs冲击电流的能力。一般要求SPD通过I_n达15次后，其特性不得超过规定值。

3）最大放电电流I_max——SPD能通过的最大8/20μs冲击电流峰值。SPD在I_max冲击下不会发生实质性损坏。一般要求I_max是I_n的2～2.5倍。

4）冲击电流I_imp——I_imp是SPD能通过的最大10/350μs冲击电流，并且冲击过后不会发生实质性损坏。

5）电压保护水平U_p——U_p是表征SPD限制接线端子之间电压的参数。

对于电压开关型SPD，U_p指规定陡度电压波形下最大放电电压；对于限压型SPD，U_p指规定电流波形下的残压。U_p应当低于设备的耐压。U_p与最大持续工作电压U_C有关。若U_C过低，容易在正常工作是产生较大的泄漏电流，影响SPD的使用寿命。

6）响应时间——指暂态过电压开始作用于SPD到SPD开始导通放电的延迟时间，一般小于25ns。

7）额定开断续流I_f——I_f是SPD本身能断开的预期工频短路电流。

图1-69所示为ABB公司的OVR T1系列电涌保护器参数。

图1-69 ABB公司的OVR T1系列电涌保护器参数

6.低压配电网中过电压耐受值和电涌保护

电涌保护需要考虑三个方面：

1）低压配电网可能遭受的电涌能量形式及数值大小；

2）电气设备承受电涌冲击的能力；

3）如何实现让电涌能量降低到电气设备能够承受的范围之内。

低压配电系统的保护对象是低压配电网中的各类配电设备和用电设备。按照国家标准GB/T 16935.1—2008《低压系统内设备的绝缘配合 第1部分：原理、要求和试验》，将低压配电系统分成四类过电压类别，见表1-43。

表1-43 低压配电系统中各类设备的额定冲击电压耐受值（单位：V）

注：表中，系统标称电压230/400V一行中，Ⅰ类到Ⅳ类设备的冲击耐压分别是：1.5kV、2.5kV、4kV和6kV。

图1-70所示为应用在不同级别配电系统中的电涌保护配置方式。

图1-70 不同级别配电系统中的电涌保护配置方式

从图1-70中我们可以看出，在低压配电网中同一个电压等级下电气设备的冲击电压耐受值不尽相同，因此电涌保护要采取分散和多级的布局形式。

设置电涌保护器所遵循的原则是：

1）电涌保护器的电压保护水平应与被保护设备的冲击耐压水平相配合。

2）在两个防雷区的交接面处，应设置相应级别的电涌保护器。在LPZ0区和LPZ1区的界面处设置Ⅰ级分类试验的SPD，其他界面设置Ⅱ级分类或者Ⅲ级分类的SPD。

3）在同一级防雷区中，考虑到雷电过电压的行波过程，要设置一处或多处电涌保护。

7.SPD在相线、中性线和保护线之间的接线形式

SPD在相线、中性线和保护线之间的接线形式有三种，即共模保护模式、差模保护模式和全模保护模式。见表1-44。

表1-44 SPD的接线形式

表1-44中所列的3+1模式是不完全差模与共模混合的模式，在低压配电系统中得到广泛的应用。

8.选用SPD的若干主要参数

选用SPD需要注意的主要参数包括电压保护水平U_P、流通容量和最大持续工作电压U_c。以下分别叙述：

（1）电压保护水平U_P

电压保护水平U_P应当小于被保护的冲击耐压。计算SPD电压保护水平见式（1-75）

式中 K₁——SPD与被保护设备之间电涌冲击波传递系数；

K₂——配合裕度系数；

U_P——SPD电压保护水平，单位为kV；

U_W——被保护设备的冲击耐压值，单位为kV；

L₀——SPD引线单位长度电感量，单位为H/m；

L——SPD的引线长度；

i——流过SPD的雷击电流，单位为kA。

在实际使用中，常常用式（1-76）来近似计算：

U_P≤0.8U_W（1-76）

显然式（1-76）比式（1-75）方便许多。

（2）SPD流通容量

在使用SPD时按雷击危险程度分级，再按照各级保护的最低流通容量来确定SPD的流通容量。各级SPD的流通容量参数见表1-45。

表1-45 各级SPD的流通容量参数

使用表1-45时，不要将配电系统的级别与SPD的保护放电电流级别相混淆。

（3）SPD的最大持续工作电压U_c

SPD的最大持续工作电压U_c不能低于系统中可能出现的最大持续运行电压，一般要高于系统标称电压15%。除此之外，还要考虑低压系统的接地形式。

在0.4/0.23kV低压配电网中选用SPD最大持续工作电压U_c见表1-46。

表1-46 在0.4/0.23kV低压配电网中选用SPD最大持续工作电压

表1-46中，U_d和U_p分别为相电压和线电压，RCD为剩余电流保护装置。

9.SPD的级间配合

在配备了SPD电涌保护的低压配电网中，根据防雷区划分多级的SPD，用以逐级消除瞬态过电压的电压幅值，逐级地泄放电涌能量。为了确保SPD不至于损坏，各级SPD需要有级间配合关系。我们来看图1-71。

图1-71中，我们看到线路的第1级和第2级中分别安装了电涌保护器SPD1和SPD2。按照保护的要求，SPD1为电压型电涌保护器，SPD2位限压型电涌保护器，并且SPD1要先于SPD2动作，否则雷电能量有可能会损坏SPD2。我们来看式（1-77）：

式中 U_OP1——SPD1的导通放电电压（kV）；

U_res2——^SPD2的残压（kV）；

R——两级SPD之间的线路电阻（Ω）；

i——两级SPD连接线上的电涌电流（kA）；

L——两级SPD连接线上的线路电感；

U_P2——SPD2的电压保护值。

按照电磁兼容模型，SPD2承受的电涌电压属于线路耦合。耦合电压的大小与线路阻抗（R和L）有关系，见式（1-77），线路越长SPD2上的电涌电压U_P2越小，也即线路阻抗具有去耦合作用。

我们知道线路阻抗与线路长度成正比。如果SPD1与SPD2距离比较近，例如小于10m，则SPD1与SPD2之间的线路必须采取措施限制电涌电流。一般地，电压型SPD与限压型SPD之间的去耦合采用电感元件，而限压型SPD之间的去耦合则采用电阻元件。

图1-71 SPD的级间配合

10.SPD与其他线路保护装置的配合关系

（1）SPD与熔断器的配合关系

对于低压配电网来说，当SPD因为过热失效时相当于短路，因此在低压成套开关设备中一般使用过电流保护电器来切除失效的SPD。最常使用的过电流保护装置是熔断器，如图1-72所示。

图1-72 对失效的SPD用熔断器实施保护

图1-72a所示为TN-S接地系统，SPD接线属于全模保护模式。对于TN系统来说，无论SPD是共模接法还是差模接法，一旦SPD失效后都会造成系统中的短路故障，所以TN系统中可以用熔断器来切除失效的SPD。

由此可以得出结论：在TN系统中SPD与过电流保护装置之间可以实现协调的保护配合关系。

图1-72b所示为TT接地系统，SPD接线属于全模和“3+1”保护模式。图1-72b左侧是SPD的全模接线方式，我们看到，一旦SPD失效，系统中出现的是单相接地故障电流。由于TT系统中的单相接地故障电流很小，无法让熔断器的熔芯熔断。

为此，在TT系统中SPD接线应当采用图1-72b右侧的“3+1”模式。当TT系统“3+1”模式的某SPD失效后，我们看到失效的SPD产生的短路电流从N线返回电源。这样处理后，熔断器就能有效地切除失效的SPD。

由此也可以得出结论：在TT系统的SPD“3+1”接线模式下，SPD与过电流保护装置之间可以实现协调的保护配合关系。

需要注意的是

1）TT系统下的SPD“3+1”接线模式中，接在N线与PE线之间的SPD要求很高，此SPD必须满足同时流过三相涌流。所以，“3+1”模式中接在相线和N线间的SPD要采用限压型，而接在N线和PE线间的SPD要采用电压开关型。

2）当TT系统下的SPD“3+1”接线模式流过共模过电压时，SPD的放电电压和残压都比较高。

在图1-71的图3中我们看到所有SPD支路中都配了熔断器。如果我们将这些熔断器拆除，利用电源侧的熔断器来实施保护，则因为主回路中的熔断器其截断电流比较大，不能对失效的SPD执行切除操作。由此可见，SPD支路中最好单独配备熔断器。

（2）SPD与RCD之间的配合关系

我们来看图1-73。

图1-73 SPD与RCD的关系

在图1-73中，我们看到低压成套开关设备中有两处SPD，分别是位于低压进线断路器与变压器之间的SPD1，以及位于馈出回路出口处的SPD2。

我们先来看SPD1：SPD1的下方是低压进线断路器，我们看到低压进线断路器的保护为四段，其中单相接地故障保护G等效为RCD。于是，SPD1相对于RCD位于电能输送的上游，属于RCD之前的电涌保护装置。

再看SPD2，它位于馈电回路RCD的下方即电能输送方向的下游，所以SPD2属于RCD之后的电涌保护装置。

SPD与RCD的配合关系有如下几个问题：其一是SPD的保护模式，其二是SPD与RCD的安装前后位置关系，其三是低压配电网的接地形式。

1）SPD位于RCD的上游电源侧。

①TN接地系统中SPD与RCD的关系：如果低压配电系统的接地形式是TN，见图1_-73，则位于低压进线断路器的G保护（类似于RCD）上游处的SPD可采用共模接法。对于低压进线的G保护来说，位于电源侧的SPD可以对电涌电压进行削幅，还能避免SPD保护动作时产生的电涌电流通过G保护测量系统。

同样的道理，对于馈电回路上的RCD来说，如果SPD接在RCD之前，则SPD会对母线上的电涌电压进行削幅，以此保护RCD。

②TT接地系统中SPD与RCD的关系：如果低压配电系统的接地形式是TT，则SPD要采用“3+1”接法。其中N和PE间的SPD为电压开关型。

设想10kV侧电源采用小电流接地系统，并且与低压侧共地。于是当变压器中压侧发生碰壳事故时，接地体上将会产生较高的电压，也即接地极上的电压U_d=I_dR_N≤1200V。此电压不会对低压成套开关设备的绝缘产生破坏，但却大于SPD的最高持续工作电压U_c，将导致SPD烧毁。

图1-74中的SPD采用“3+1”接线方式。其中N和PE之间的SPD采用电压开关型，其用途就是防止共地中压侧小电流接地系统输送的接地故障高电压使得相线SPD被击穿。当电压更高的雷电涌流到来时，N和PE之间的SPD才被击穿放电。

从图1-74中我们看到，任何一只相线与N线间的SPD击穿后都会发生相对地的短路，所以将SPD放在断路器G保护的前端，避免由此引起断路器单相接地故障跳闸。

我们看到SPD安装在G保护的前端，与TN系统类似，可以减小电涌电流对断路器G保护测量系统的冲击，还可降低G保护承受的电涌电压。

2）SPD位于RCD的下游负载侧。

当SPD位于RCD的下游负载侧，SPD泄放电涌电流时，电涌电流会成为剩余电流，使得RCD误动作。

图1-74 TT接地系统中的G保护与SPD的关系

在这种情况下，应当采用具有防止电涌流的RCD元件。一般地，应当让防止电涌流的RCD允许通过的电涌流略小于SPD泄放的电涌电流。由于RCD测得的是载流导体瞬间电流之和，因此能确保RCD在电涌电流通过时不误动。

安装在RCD负载侧的SPD可采用共模接线形式。当任何一只SPD失效时，故障电流成为剩余电流，RCD能立即动作予以保护。

对于TT接地系统，当任何一只SPD失效时，虽然故障电流比较小不足以驱动过电流保护装置，但驱动RCD却是足够的，RCD能够立即产生动作切除失效的SPD元件。