低压电气系统过电压保护优化方案

4.14.3.1 瞬态过电压防护

雷电防护。

（1）雷电防护综合体系 由于雷电入侵方式的复杂性和防护对象的多样性，雷电防护方法多种多样，也是比较复杂的。本节主要从低压电器和低压电气系统防雷、设备安全的角度阐述。

绝大多数电气设备都处在建构筑物内部，所以建筑物防雷（主要是直击雷防护）是电器防雷的基础和前提。建筑物防雷的各种措施可归纳成雷击防护系统（LPS），包括敷设于建筑物外部截接雷闪通道的接闪器（位于建筑物顶部的避雷针、避雷线、避雷网，位于建筑物上部侧面的防侧击雷的防护环），敷设于建筑物周边或内部的导引雷电流的防雷引下线，将雷电流泄放到大地位于地下的接地装置，以及防止雷击建筑物时因内部构件电位浮动或高电位差引起内部火花放电的等电位连接系统和电气绝缘。前三者和称为外部雷击防护系统，后者称为内部雷击防护系统。LPS防护的主要是雷击的机械（冲击波）作用、电击（生命体）作用、热（燃烧）和化学（熔蚀）作用对建筑物实体和人身的危害。

在此两者的防护之下，对于建筑物内部系统还需采取若干措施抵御雷击引起的瞬态电压电流、脉冲电场、脉冲磁场等（统称为雷击/雷电电磁脉冲LEMP）对电气电子设备的危害。此类措施统称雷电电磁脉冲防护（LMPS），包括屏蔽、优化布线、接地/等电位连接、限压、隔离、提高设备冲击耐受强度等。

因此需综合应用各种防雷措施组成雷电防护综合体系，该体系的构成如图4-198所示。

雷电电磁脉冲防护措施LPMS

1）提高设备冲击耐受强度：设备作为一个整体的抗冲击电压水平可用绝缘耐冲击电压和脉冲电压抗扰度两个指标表示。前者是设备绝缘特性，主要指对地的绝缘，绝缘进行耐冲击电压试验时设备不工作，试验电压加在部件与地之间。后者包括对地的绝缘和设备工作部分两端间耐受冲击的能力，试验时设备施加工作电压，冲击电压通过耦合环节施加上去。对于常规电器只要求前者，对内含电子电路和器件的电子电器和智能电器两者都要求。一般来讲，电子电器的冲击耐受强度和电磁兼容性能较弱，需特别予以加固，在内部器件选择、电路布置、电路结构等方面采取措施提高其冲击耐受强度。这是提高防雷水平的根本措施。

2）屏蔽：设备所处的防雷分区（见下）是大环境，以工作室空间屏蔽做成。设备本身机壳的电磁屏蔽（对防雷主要是磁屏蔽）是小环境。抵御雷电磁场的能力以脉冲磁场抗扰度表示。与设备有关的还有连接线路的屏蔽（见下）。

3）优化布线：为抵御电涌（冲击电压电流波）经线路侵入设备，需对连接线路的布置从防雷和电磁兼容的角度专门考虑。对线路本身采用屏蔽线、穿屏蔽管、电缆金属槽架等。对线路的走线精心选择，使其远离雷电流路径，线路走向尽量减少磁场耦合，尽量减少回环和回环面积等。

图4-198 雷电防护体系

a）综合防雷体系 b）雷击防护系统LPS

c）雷击电磁脉冲防护系统PMS

4）接地/等电位连接：雷电防护中接地是基本措施，在建筑物接地的基础上每个设备也必须接地，防止地电位反击。对复杂的电气系统中的众多设备外壳之间更需要等电位连接，防止相互的串击。在现代的高、大建筑物中，由于接地线很长，接地设备很多，接地的目的和要求多种多样，以及雷电流的高频特性还形成了共用接地网和等电位连接网，便于设备就近接在合适的接地/等电位点（或排）上，以保证安全。

5）限压：对于设备工作端点之间的电涌电压的限制是对设备的最直接保护，可以采用电涌保护器（组），详见下。

6）隔离：为了防止雷电侵入的危害，还可以采用隔离的方法。对于雷电引起的地电位升高，可以采用特殊设计的防雷变压器。对于从线路引入的高电压可以采用光隔离器。对于可能从远方引入的高电压还可以采用光缆代替金属芯电缆。

（2）防雷保护分区 为了更好地组织各种防雷措施，按雷电流侵入的大小和雷击引起的电场、磁场的大小，在一个建筑物里，将防护的空间分成若干防雷分区。在某个分区里的设备的冲击（脉冲电压/电流，电涌和脉冲磁场）耐受水平应与此区相配合。防雷区划分方法如图4-199所示。

1）防雷区LPZ₀A：此区中各对象会承受直击雷，从而流过全部雷电流。雷电电磁场当然并未衰减。此区实际是建筑物顶部和上部侧面未受避雷针（网）保护的部分。

2）防雷区LPZ₀B：此区中各对象承受直击雷的概率极小，但雷电电磁场并未衰减。此区实际是建筑物顶部和上部侧面避雷针（网）保护范围之内的部分。楼内没有屏蔽的窗口附近的空间也属此。此区以避雷针（网）进行防雷。

3）防雷区LPZ1：此区中各对象不会承受直击雷，但雷电流有所分流。如有屏蔽，电磁场会有所衰减。此区实际是在建筑物内部，雷电流分散到各引下线。现代建筑的钢筋结构就是一种屏蔽。此区的主要防雷措施是等电位连接（在LPZ0和LPZ1的交界处）和电涌保护器（LPZ1的入口处）。

4）防雷分区LPZ2：如果需要进一步减少雷电流和电磁场，就要进一步引入防雷分区。此区所需防雷措施根据保护对象的需要而定。此区实际是在楼内的某个防雷和防电浪涌要求特别高的计算机房、通信机房或监控室。进一步减少雷电电磁脉冲要求采用机房屏蔽和次级电涌保护器。

图4-199 防雷区的划分

5）防雷分区LPZ3：如果需要再进一步减少雷电流和电磁场，就要再引入防雷分区。此区实际是再在信息设备的机箱内或专用屏蔽室内。必要时再设级别更高的防雷区。

（3）雷害风险评估 雷电活动有很大的偶然性和分散性，收集的大量的雷电参数（雷击频度，雷电流幅值、陡度，电场、磁场等）可用概率方法整理。因此，雷电的危害程度和防雷措施的有效性都是概率性的，没有绝对可靠的防雷方法，也不必作无限制的防雷投入，只有相对的雷害风险可接受、经济上合理和技术上正确的防雷方案。防雷方案的基础是雷害风险评估，以统筹和指导防雷设计各个方面。

雷击风险评估工程上一直在寻求一种实际可行的防雷方案评选和简化的雷击风险评估的方法。这在国际新防雷标准系列（IEC 62305-2）提出来了。

IEC雷击风险评估的定义和基本关系：

1）雷击风险R：表示某个防雷对象、在某一地区、平均在某一时间段内、在某种防雷系统之下，因雷击造成的损失。如有多种互不相干的风险存在，则R=∑R_X。

2）有关雷击风险的基本关系：

R=NPL （4-246）

式中 N——防雷对象的年雷击次数；

P——雷击损坏的概率；

L——雷击损坏后果。

实际上具体防雷对象发生首次雷击损坏的时间有迟有早，其平均可能时间为1/NP。

3）雷击风险评估基本要求：对人身、历史文物和社会安全系统∑R_X≤R_c（R_c是可容忍雷击风险率）。对不会引起人身危害、历史文物和社会安全系统损失的设备、服务管线，可进行技术经济比较。

IEC 62305标准中的方法建立在上述基本关系上，按雷害的不同来源（直接击于建筑物、击于建筑物附近而感应到建筑物内部，直接击于进入建筑物的管线、击于进入建筑物的管线附近而感应到建筑物内部）、不同危害对象（人身和生命体、建筑物实体、建筑物内的电气电子设备）、不同的危害损失（生命丧失、服务中断、文物破坏、直接经济损失）等，将可能涉及的全部雷击风险分量和来源扼要地归纳为一个4×8矩阵。然后又将各种各样的影响因素进行归纳分类，分别赋于分量的几个参数：影响N因素——当地雷电活动强度、地理和环境因素，建构筑物和外接服务管线的类型和尺寸；影响P因素——各种保护措施的保护特性和参数，被保护设备的冲击耐受水平；影响L的因素——建筑构物、内部物体的燃烧、爆炸特性，防火的措施。这些因素有些可能减轻损失，有些可能加剧损失（详见IEC 62305-2）。

IEC中的方法的架构合理，考虑全面、仔细，能反映不同雷害来源、不同因素的影响，可以看到各个雷击风险分量，进而视不同雷击风险分量的大小采取不同的对策，针对性较好，也可做经济比较。缺点是比较复杂，但编程并不难。雷害损失因素和可接受风险值难定。在局部上还可以改进，如区别直击-反击和感应、侵入波的危害程度上不够，对雷击损坏后果的考虑不够等。

国内早期标准如GB 50057—1994（2000）年版提出过雷击风险评估的原则，但未给出方法。后来有些标准（如GB 50343—2004等）采用过基于早期的国外防雷标准中的因子分析法：首先罗列各种影响因子，按其对防雷的影响趋势和程度对其分级赋值；然后用和或积的算法将其集合，先决定可接受雷击概率；然后与建筑物平均年雷击次数相比较，决定防雷方案等级。这类方法可以综合考虑防雷的各种影响因素，按不同情况选择不同防雷方案。好处是简单易行，有助于节约防雷投资。其缺点是将所有风险分量都混在一起，也不能给出雷击风险值，所以不能区别不同来源雷害的风险值，不能区别不同防护措施减少风险的效果。这类方法在早期防雷工程中采用，目前逐步减少。

（4）雷电防护等级 工程中通常采用的区别不同防雷等级的四种雷电防护水平的划分，考虑不超出Ⅰ级雷电防护水平的雷电流参数最大值的雷电发生概率为99%的原则，取正极性雷闪的概率低于10%而负极性雷闪的概率始终低于1%。给出的雷电流参数最大值见表4-35。Ⅱ级雷电防护水平的雷电流参数为Ⅰ级的75%；而Ⅲ级和Ⅳ级为Ⅰ级的50%（Q，di/dt和Ⅰ为线性关系，W/R和Ⅰ是二次方关系），雷电流波形参数不变。这些最大值用于设计雷电防护部件（如导体截面积、金属板厚度、SPD的通流量、防止危险火花的最小隔开距离等）和确定模拟雷电流对这些部件作用的测试参数。

表4-35 各级雷电防护水平对应的雷电流参数最大值

不同雷电防护水平对应的雷电流最小幅值见表4-36。这些参数用来推导滚球半径，以便确定接闪器的保护范围。根据电气几何模型，滚球半径（最后击距）与首次短时间雷击电流的峰值有关。根据IEEE工作组的报告，其关系式为

r=10×I^0.65 （4-247）

式中 r——滚球半径（m）；(www.xing528.com)

I——雷电流峰值（kA）。

根据雷电流的统计分布，可以确定加权概率，即雷电流参数分别小于每一防护水平所规定的最大参数值和大于每一防护水平所规定的最小参数值的概率，见表4-37。

表4-36 各级雷电防护水平的雷电流最小值及其对应的滚球半径

表4-37 雷电流参数上下限值对应的概率

（5）电源电涌保护

1）电涌保护器（或浪涌保护器，SPD）并接于设备端口近处，是对低压电气设备的最直接的防雷保护，同时其本身也是一种低压终端电器。SPD的原理、结构和制造有专章阐述，本小节着重说明其配置和参数选择等应用问题。

SPD的基本作用是泄放雷电流、限制雷电电涌电压，有电压限制型和电压开关型两种基本类型。电压限制型由大通流容量的非线性电阻构成，现在多用金属氧化物非线性电阻MOV。电压开关型由气体放电间隙SG或密封气体放电管GDT构成。当雷电电涌袭来时，MOV动态电阻迅速降低到极小的数值，SG或GDT迅速击穿导通，使雷电流泄放，雷电电涌电压得到有效限制（见图4-200），达到对附近的电气电子设备无害得程度。SPD最主要的参数是，电压保护水平。

图4-200 电涌保护器动作后电涌电压得到限制

电涌保护对象是处于（瞬态过电压）保护控制类别Ⅰ的设备（见表4-38），以及其虽处于固有控制类别位置，但是设备中嵌入了需保护控制的部件或模块（如智能电器、电子监控模块等）。因此并非所有低压电气设备都要配备电涌保护。如果已有其他防雷措施大大减少雷电对设备的威胁，设备本身的冲击耐受强度已经符合系统的要求，则设备附近可以不配置SPD，除非要为下游设备的保护作配合（见下述SPD的级间配合）。

SPD电压保护水平U_p应与其附近的需要保护设备的冲击耐受水平U_w相配合且有裕度。这是低压电气系统绝缘配合的重要内容。U_p和U_w配合时应考虑的因素有：侵入波陡度，设备与SPD的电气距离和线路类型，设备绝缘老化的程度，一般可取1.2～1.3。

SPD其他重要参数是，冲击通流容量、最大持续工作电压。

SPD应能承受其安装地点预期的雷电流（幅值、电荷和能量）。合理的配置应使通过SPD的雷电流从前级到后级依次递减。可能通过直击雷雷电流的SPD（建筑物入口，且进线为架空线）应按一类试验要求，其典型波形为10/350μs。雷电流沿线路侵入或处于后级的SPD应按二类试验要求，其典型波形为8/20μs。SPD在其最大持续工作电压下应能长期工作而不老化，其选择与电网情况（主要是接地制式）有很大关系，参看IEC 60364-534。

2）电涌保护配置时，在参数选取和布局设定方面考虑因素很多，而且有许多交叉，常需反复调整，因此提出的电涌保护设计流程如图4-201所示。

图4-201 电涌保护设计流程

a）电涌保护对象确定：并非所有低压电器都要电涌保护，需要SPD保护的是处于（瞬态过电压）保护控制类别Ⅰ的设备（见4.14.4.2中2.低压系统绝缘水平），以及其虽处于固有控制类别位置，但是设备中嵌入了需保护控制的部件或模块（如智能电器、电子监控模块等）。

b）电涌风险评估或分析：这是前面雷害风险评估的一部分，可以运用IEC中的方法评估，也用工程经验进行分析，此处不予展开。

c）配置方案：在一个建筑物内或一个电气系统中有多个设备，一般都需要分散配备多个SPD，配置的原则如下：

①设备处于SPD保护范围内，在设备的近旁设置电压保护水平U_p与设备的冲击耐受水平U_w相配合且有裕度的SPD；

②任何两防雷分区的交界处装设SPD，在长线路上可能发生电压过冲的地点加装SPD；

③各级SPD的类型，装设地点和参数选择要保证电涌保护器的级间配合配置的结果，根据建筑物和系统的大小以及设备的冲击耐受水平和重要性，可能形成1级（极少情况）、2级（多数情况）、3级、4级（极少情况）的方案。

d）SPD设置的位置：第一级一般是系统右外入内的始端，尽量靠近建筑物入口；第二级在分支点；第三级在需保护的各设备的中心位置附近；第四级是在特别重要设备附近，尽量迫近设备端口。

e）SPD的级间配合：在一条线路（单线或有分支）上沿雷电波行进前后各处配置的SPD，合理的配置是从前到后各级通流容量逐步减少。为达到这种状态需要精心设计各SPD间参数的合理配合。这个要求应由SPD制造者保证，或者使两级之间有必要的电气距离。

f）后备保护：为使SPD自身故障时，能自动切除而不致影响被保护系统的运行，除SPD内置脱离器外，还应配备后备过电流保护，如熔断器、断路器。后备保护应在正常工作电流和预期的雷电流下不动作，保证系统的正常运行和SPD的长期接入。

（6）电子电路电涌保护 现代电气、电子系统设备包含强电侧和弱电侧两个部分：强电侧供给电源，主要是电压和功率；弱电侧的功能为检测、通信、信息处理、控制，可统称为信息，主要是提供信息而不是功率。内部是较电源侧更为复杂和脆弱的电子电路，更需作电涌保护。电子设备信息侧的冲击耐受部位可分为共模（即各线对地）和差模（各线之间），与常规电源设备的绝缘（对地）耐受不同，常用冲击抗扰度表征。冲击抗扰度的测试设备、施加部位、判断与电源设备的冲击绝缘耐受电压均不同。冲击抗扰度应该用复合波发生器测试，分别施加在共模和差模两种部位。判断标准从非永久性损坏到永久性损坏分为多个等级，在防雷工程中以永久性损坏为准。非永久性损坏属于电磁兼容范畴。这些信息设备的具体用途包括电话（有线通信）、计算机及其网络、控制和监视系统、无线通信和移动通信以及电视广播、精密测量等，相应的电涌保护器是电话线电涌保护器、数据和网络线电涌保护器和天线馈线电涌保护器等三类，厂商通称为信号电涌保护器（其原理、结构详见电涌保护器章节）。信号线电涌保护器的原理和电源电涌保护器基本相同，但是其工作电压（电平）较低压电源低得多，不到100V，或几十伏，几伏甚至在1V以下；冲击耐受电压相应很低，一般在2～2.5倍工作电压的水平；工作频率（模拟信号）/速率（数字信号）较交流电源高得多，频率达kHz、MHz甚至到射频或微波频段；速率达kbit/s、Mbit/s、1000Mbit/s。因此，信息侧保护器件要达到很低的电压保护水平；要在一个保护器中将很高电涌能量削减到很低的水平；要能避免高频下杂散电容的不利影响。

除按被保护系统的工作电平、信号电流（功率）、频率/速率范围和信号的对称性情况，对上述参数逐项选配并选择适合的接口以外，也应注意信息侧进线类型和按防雷分区概念配置。如信息线路由户外进入有外部防雷系统的建筑物时，在进入处应配置具有一定冲击电流通流容量的保护器。如信息线路为架空线，从户外进入没有外部防雷系统的建筑物时，在进入处也应配置具有一定冲击电流通流容量的保护器。除此以外，在建筑物入口处只要配置8/20μs的通流容量。在信息线路的末端即设备的端口应装设第二级保护器。如信息线路是光缆，只要注意将起金属加强筋在建筑物入口处接地，不需要装设入口SPD。许多部门不允许信息线路直接由户外架空直接进入信息设备。如果实在有需要，应装设第一级与第二级组合的保护器。也有部门要求长于200m的、完全在建筑物内部的信息线路的两端装设SPD。在高层建筑物的层间信息连线的两端均应装设SPD，除非层间是光缆连接。许多制造商提供了典型配置方案（详见电涌保护器章节）。

（7）含重复尖峰电压的电源系统的雷电过电压保护器 在某些类型的风力发电机系统中含有变频器，产生了重复尖峰电压类型的长期运行电压。这种长期电压对于接入该系统的限制雷电过电压和/或操作过电压的保护器提出了特殊要求，要求开发特殊的SPD（又称瞬态过电压抑制器），使其能在重复再现的尖峰电压下的长期工作而不劣化，其保护元件在此类尖峰电压下响应足够快、动作电压合乎要求，电压保护水平足够低，并有足够的冲击通流能力。这样的抑制器国内外正在研发中，已有一些初步产品，还需完善。

4.14.3.2 操作过电压防护

大部分操作过电压时间不长，能量未超过雷电过电压，也可以用SPD限制。有一些类型的操作过电压（如真空断路器断开过电压）陡度特高，波前在0.1μs以下，金属氧化锌非线性电阻MOV和气体放电间隙SG、放电管GDT等保护元件响应不够快，动作电压（残压、击穿电压）高，SPD电压保护水平太高，不能起到保护作用。为此需采用并联R-C抑制器的方法，改变电路瞬态阻抗，从根源上改变瞬态过电压产生的条件，抑制过电压陡度和幅值。其中，并联电容C可以减缓过电压陡度，降低负载波阻抗，从而降低截流过电压和重燃过电压。与其串联的电阻R使重燃时的高频振荡电流加速衰减，减少重燃次数。R-C保护的缺点是体积较大。

4.14.3.3 周期再现尖峰电压波形的改善

虽然从周期重复再现尖峰电压波形中的单个尖峰看类似于瞬态过电压，但是它周期重复再现的特点反映它属于长期运行电压一类，其能量累积大，而且前沿陡度可能很高，前述限制瞬态过电压的器件，或者响应不够快（MOV、SG、GDT），或者能量承受能力不够（MOV、R-C），而不能使用。对此，一般采用改善波形而不是限制幅值的办法。

周期再现尖峰是在一定的电力电子电路（PWM变流器经长线供电）的工作条件下产生的，应该可以采用改变电路条件，例如采用各种滤波器（RC、LC等），消除尖峰产生的条件，从而从根本上不出现尖峰，或者降低峰值，降低陡度（延长上升时间）。这应在电力电子电路系统设计时解决，配备具体电路的滤波器。这类措施如图4-202所示。

1）输出电抗器：可以改变变频器输出波形，降低尖峰值和陡度。一般情况下，电抗器装在变频器箱体内。

2）陡度限制器（dv/dt滤波器）：由电容、电阻和电感组成，降低尖峰值和陡度。

3）正弦波滤波器：是一个低通滤波器，使输出到电动机的电压波形接近正弦波。为了滤去大部分谐波，其器件的参数高、体积大、价格贵，一般很少使用。

4）电动机端部装置：在电动机端部并接R-C，使电动机端输入阻抗接近电缆波阻抗，防止反射波过程，C可以延缓电压上升陡度，并减少R上的损耗和发热。

这类设备可能影响变频系统的性能和电动机的损耗和机械性能、动态性能，设计时要全面考虑。这在技术上并无困难，但需针对具体系统情况仔细匹配才能取得效果。为此当然可能增加设计和调试工作量，增加设备体积和投资。需要综合考虑过电压保护可靠性、设备投资和工程经济合理性等各方面。

图4-202 改善周期再现尖峰电压波形的方法

a）输出电抗器（3%） b）输出dv/dt滤波器 c）正弦滤波器 d）电动机线端装置