摘　要:分析了低壓系統(tǒng)暫時過電壓情況以及限壓型電涌保護器在暫時過電壓情況下的性能表現(xiàn)。介紹了現(xiàn)行國標對電涌保護器的TOV考核要求,以及IEC標準的發(fā)展情況。指出電涌保護器應當進行暫時過電壓試驗考核。

　　0　引　言

　　在電力系統(tǒng)中,因雷擊、操作和故障等原因造成的瞬態(tài)過電壓和暫時過電壓是不可避免的。電涌保護器(SPD)成為了電子信息技術產品免遭瞬態(tài)過電壓侵害的“保護神”。由于SPD產品在現(xiàn)行國標中對暫時過電壓(TOV)的考核是按需進行的,人們一度忽視了暫時過電壓可能對SPD造成的威脅,致使SPD在使用過程中失火現(xiàn)象頻繁。

　　SPD在技術上實現(xiàn)的是泄放電涌電流和限制電涌電壓,本身不具備限制暫時過電壓的能力,而且暫時過電壓對SPD的安全使用可能產生致命危險,因此需要研究SPD實際工作環(huán)境中可能遭受的暫時過電壓情況以及SPD在暫時過電壓情況下的性能表現(xiàn),以避免著火等嚴重電氣事故的發(fā)生。

　　1　低壓系統(tǒng)中暫時過電壓情況分析

　　無論是高壓系統(tǒng)接地故障,還是低壓系統(tǒng)內部故障,都會在低壓系統(tǒng)中產生暫時過電壓。

　　這些故障產生的暫時過電壓的幅值和持續(xù)時間是有差異的,與故障類型、故障點位置、變電所接地極結構、系統(tǒng)接地類型和用于排除故障的方式等有關。即使同一故障類型,在不同接地形式的低壓系統(tǒng)中產生的暫時過電壓情況也是不同的。這些故障產生的暫時過電壓對SPD安全使用可能造成威脅,現(xiàn)加以分析。

　　1. 1　高壓系統(tǒng)接地故障在低壓側產生的暫時過電壓

　　根據(jù)國家標準GBJ 65—1983《工業(yè)與民用電力裝置的接地設計規(guī)范》和電力行業(yè)標準DL/T621—1997《交流電氣裝置的接地》,允許高(中)壓系統(tǒng)的保護接地和低壓系統(tǒng)的系統(tǒng)接地在變電所共用一個接地極。在這種情況下,高壓側發(fā)生接地故障后產生的故障電流流經共用接地極時就可能在低壓側產生暫時過電壓。所產生的暫時過電壓幅值和持續(xù)時間由高壓側系統(tǒng)接地形式決定。

　　目前,我國電力網(3~10 kV)的系統(tǒng)接地有不接地、經消弧線圈諧振接地、高電阻接地和低電阻接地等4種形式。依據(jù)產生的暫時過電壓情況,可以歸為兩類。

　　1. 1. 1　高壓側有限制接地電流

　　高壓側不接地、經消弧線圈諧振接地和高電阻接地可以歸為一類。對于此類接地系統(tǒng),根據(jù)電力行業(yè)標準DL/T621[6]規(guī)定,高壓側接地故障傳導至低壓側的暫時過電壓不會超過120 V,比系統(tǒng)電壓低得多,不會對SPD的安全構成危害。

　　1. 1. 2　高壓側經低電阻接地

　　對于高壓側經低電阻接地的系統(tǒng), GB16895. 11—2001《建筑物電氣裝置第4部分:安全防護第44章:過電壓保護第442節(jié):低壓電氣裝置對暫時過電壓和高壓系統(tǒng)與地之間的故障的防護》規(guī)定了高壓側接地故障傳導至低壓側的暫時過電壓值為1 200 V。低壓設備承受的過電壓視系統(tǒng)的接地形式如下:

　　(1)當?shù)蛪簜葹門N系統(tǒng)時,由于電氣裝置的外露導電部分通過與接地的電源中性點連接接地,中性點、中性線(保護中性線)、保護接地線對地電位同時升高,設備不承受暫時過電壓。

　　(2)當?shù)蛪簜葹門T和IT系統(tǒng)時,由于電氣裝置外露導電部分直接連接大地,獨立于電源的接地,會在中性線與保護接地線(N-PE)、相線與保護接地線(L-PE)之間產生嚴重的暫時過電壓。

　　N-PE之間的過電壓為高壓側傳導的1 200 V, L-PE之間的暫時過電壓幅值為U0+1 200 V。

　　低電阻接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障時,產生的接地短路電流較大,高壓側過電流保護器動作。根據(jù)GB 18802. 12[2]的解釋,過電流保護器快速動作使暫時過電壓持續(xù)時間不會超過200 ms。

　　1. 2　低壓系統(tǒng)內部產生的暫時過電壓情況

　　低壓系統(tǒng)內部發(fā)生相中線短路、相線導體意外接地、中性線斷線等故障時,均會產生暫時過電壓。其幅值和持續(xù)時間取決于故障類型、系統(tǒng)的接地類型、中性線(保護中性線)截面積的選取、負荷的不平衡程度以及排除故障的方式等。

　　1. 2. 1　相中線短路引起的暫時過電壓

　　當?shù)蛪合到y(tǒng)發(fā)生相中線短路故障時,故障電流在故障點流經一段中性線返回電源,在流經的中性線上會產生電壓降ΔUN。ΔUN與系統(tǒng)電壓U0的矢量和成為了非故障相線與中性線(L-N)間的暫時過電壓UTOV。

　　ΔUN的大小取決于中性線的截面積。國家和電力行業(yè)多部標準中規(guī)定了中性線截面積至少應為1/2~1倍的相線截面積,由此可以推算出非故障相線與中性線(L-N)間的暫時過電壓幅值為1. 32~1. 45U0。

　　發(fā)生相中線短路故障時,考慮到人身安全,故障導致的不同預期接觸電壓有相應的切斷電源時間,但長不超過5 s。

　　1. 2. 2　相線導體意外接地引起的暫時過電壓

　　在TT系統(tǒng)中,相線的意外接地會在相線與保護接地線(L-PE)之間形成幅值高達√3U0的暫時過電壓。這個暫時過電壓會持續(xù)到過電流保護裝置切斷電源為止,長不超過5 s。

　　1. 2. 3　中性線斷線故障引起的過電壓

　　中性線斷線故障會導致中性位的偏移,嚴重時會偏移到線電壓構成的正三角形一條邊上,使其中一相線與中性線間電壓達到線電壓的√3U0,如圖1所示。

圖 1中性線斷線導致中性位的偏移

　　目前,對于中性線斷線沒有很好的故障保護方法,一旦出現(xiàn)中性線斷線會導致設備的損壞。

　　因此,規(guī)范規(guī)定了通過增大中性線截面積以及避免中性線承受過大應力等措施來降低中性線斷線的概率。

　　1. 3　低壓系統(tǒng)的暫時過電壓綜述

　　綜上所述,低壓系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的暫時過電壓值如表1所示。

表 1　低壓系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的暫時過電壓值

　　2　暫時過電壓對SPD的影響

　　SPD遭受表1所示的暫時過電壓時,會出現(xiàn)怎樣的狀況呢?下面使用量的限壓型SPD作為研究的典型例子。

　　2. 1　限壓型SPD (MOV)在暫時過電壓情況下的性能表現(xiàn)

　　眾所周知,限壓型SPD的元件為氧化鋅壓敏電阻 (MOV)。 氧化鋅壓敏電阻有一個重要參數(shù):壓敏電壓 U1 mA ,即通過 1 mA直流電流時施加在壓敏電阻兩端的電壓。當壓敏電阻通過 1 mA以下電流時 ,工程上認為 SPD未導通。壓敏電壓U1 mA是 SPD選擇壓敏電阻片的原則之一。一方面 ,為了使 SPD在沒有雷電流的情況下不導通 ,壓敏電壓要大于系統(tǒng)正常運行時出現(xiàn)的電壓值 ,一般取 U1 mA ≥k·√2U0 ( k是比例系數(shù) , k >1) ;另一方面 ,壓敏電壓值決定了產品的電壓保護水平。為了實現(xiàn)較低的電壓保護水平,壓敏電壓值不能取得太高 , SPD選擇壓敏電阻的壓敏電壓不能大于表 2中列出的所有暫時過電壓值。

表 2耐受階段持續(xù)時間和流經壓敏電阻的電流

　　由于表2中所列出的暫時過電壓值可能超過SPD選用壓敏電阻的壓敏電壓,需要研究SPD在暫時過電壓情況下的性能表現(xiàn)。為此,進行了如下試驗:取UC=275 V(SPD持續(xù)工作電壓)的限壓型SPD進行試驗,其中壓敏電阻的壓敏電壓U1 mA=420 V。試驗時, SPD兩端施加450 V(有效值)、不同預期短路電流的工頻電壓。

　　流經SPD的電流波形如圖2所示。圖2中顯示了兩個階段:耐受階段T1,沒有明顯的現(xiàn)象,持續(xù)時間和流經SPD的電流在不同預期短路電流情況下是不同的(見表2);擊穿階段T2,出現(xiàn)持續(xù)電弧,流經SPD的電流近似等于預期短路電流,因此擊穿階段可以看做壓敏電阻呈現(xiàn)金屬性短路。耐受階段持續(xù)時間和流經壓敏電阻的電流見表2。

圖2　暫時過電壓情況下流經SPD的電流

　　通過試驗發(fā)現(xiàn),限壓型SPD(MOV)具有一定的暫時過電壓耐受能力。耐受時間與預期短路電流有關,預期短路電流越大,耐受時間越短。SPD被擊穿時伴隨電弧出現(xiàn),可能因此起火。因此,在SPD發(fā)生擊穿后的一定時間內必須切斷,其熱脫離裝置不能保證實現(xiàn)完全有效的保護,所以必須附加一定的后備過電流保護措施。

　　2. 2　應當對SPD進行TOV考核

　　從TOV特性試驗中可以看出,暫時過電壓會導致壓敏電阻片(MOV)發(fā)生金屬性短路且伴隨持續(xù)電弧,這可能會造成火災,因此SPD的TOV考核應該是必須進行的。

　　由于壓敏電阻自身具有一定的TOV耐受能力,對于低壓系統(tǒng)內部故障產生的暫時過電壓, SPD可以呈現(xiàn)耐受特性,也允許呈現(xiàn)安全失效的故障模式;對于高壓系統(tǒng)故障在低壓側引起的暫時過電壓,由于幅值很大,試驗過程中SPD可以損壞,但不能起火,呈現(xiàn)安全失效的故障模式?，F(xiàn)行國標[1]中對SPD的TOV性能考核就是這樣要求的。

　　3　標準中對SPD的TOV性能考核

　　現(xiàn)行國標GB 18802. 1—2002[1]對SPD的TOV性能考核是按需進行的。在GB/T18802. 12—2006[2]中明確表示對SPD的TOV考核不考慮中性線斷線的情況。由上面的分析可知:在SPD的型式試驗考核中,必須進行TOV性能考核。

　　3. 1　現(xiàn)行國標GB 18802. 1對SPD的TOV考核要求

　　現(xiàn)行國標GB 18802. 1—2002[1]是等同采用IEC 61643. 1—1998的,對SPD的TOV考核分為兩個方面:TOV故障試驗和TOV特性試驗。

　　TOV故障試驗實際上是模擬高壓系統(tǒng)接地故障在低壓側引起的暫時過電壓情況, SPD在試驗后可以損壞,但是試驗過程中不可以起火,也即具有安全失效的故障模式;TOV特性試驗實際上是模擬低壓系統(tǒng)內部短路和相線意外接地引起的暫時過電壓情況, SPD可以呈現(xiàn)制造廠聲明的故障模式或耐受特性。

　　GB 18802. 1—2002[1]中列出的用于TOV考核的試驗值簡化如表3所示。

表3　GB18802.1—2002中列出的用于考核的TOV值

　　3. 2　IEC標準發(fā)展情況

　　IEC在2005年發(fā)布的IEC 61643. 1—2005[3]中明確規(guī)定了TOV試驗是必須進行的。試驗按照TOV成因分為在高壓系統(tǒng)故障引起的TOV下試驗和在低壓系統(tǒng)故障引起的TOV下試驗,并分別給出了試驗電路示例及時序圖。該標準也沒有要求SPD考慮在中性線斷線情況下的性能。目前, IEC/SC37A/WG5工作組正在IEC 61643. 1—2005的基礎上制定IEC 61643. 11,內容將有較大的變化,其中TOV考核將增加中性線斷線情況下的考核。IEC 61643. 11(CD版)提出的考核參數(shù)為幅值3UCS(UCS是考慮了偏差的系統(tǒng)持續(xù)工作電壓)、持續(xù)時間120 min?？紤]到四級開關等因素的作用,使中性線斷線故障不能完全避免,這樣的考核要求是合理的。SPD的制造商應當考慮產品在中性線斷線故障下的性能。

　　4　結　語

　　(1)無論是高壓側故障傳導至低壓側,還是低壓系統(tǒng)內部故障,均會在SPD安裝處產生暫時過電壓。

　　(2)暫時過電壓威脅著SPD的安全使用,因此必須對SPD進行暫時過電壓試驗考核。對SPD的暫時過電壓考核必須涵蓋所有可能出現(xiàn)的暫時過電壓情況,包括中性線斷線情況下SPD的暫時過電壓性能考核。

　　(3) SPD制造商應當重視產品的TOV性能,同時通過采用后備保護措施來確保系統(tǒng)的安全。