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关于低压电源系统SPD通流容量要求的思考

发布时间:2015-03-28  

在有关低压电源系统SPD的选用标准中,对第一级SPD要求采用IEC 61543-1规定的Ⅰ级试验,而雷电流的分流基准采取防雷系统Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级水平的雷电总电流。对此争论很大。叶蜚誉 教授就这个问题谈一些看法。
    争论的焦点在于Ⅰ级试验的电流波形(10/350μs)的波尾长度较传统的试验电流波形(8/20μs)长得多,而且对避雷器/电涌保护器的放电电流要求较高压避雷器的电流(标称放电电流通常为5,10kA,8/20μs)大得多。这两方面与国内外电力系统防雷和避雷器几十年运行经验不符,从概率上讲也低得惊人。自然界是否有如此长的雷电流波形?分流到建筑物内的第一级SPD有几十kA之大吗?
1 自然界是否有如此长的雷电流波形?
    众所周知,雷电流试验波形,并不是天上打下来的真正的那一次雷电流。雷电活动有很大的分散性,因此任一种具体波形出现的概率几乎是零(微分概率)。根据GB50057-94的附录(引自 IEC 1312-1),首次雷击电流的参量为:波形10/350μs,幅值Ⅰ对应一类、二类、三类防雷建筑为200、150、100 kA,电荷量对应为100、75、50库。并注曰:因为全部电荷量Qs本质部分包含在首次雷击中,故所规定的值考虑合并了所有短时间雷击的电荷量。这里Qs指雷闪中的电荷。这就是说,10/350μs波形是考虑了一次雷闪的全部电荷,也就是多个单次雷电流的合并,因此显得波尾很长。从单个雷电流的波尾长度(半峰值)看,大于200μs的概率<5%,大于350μs的概率更小。按国外雷电观测,70%的雷闪包括(沿同一先导通道)多次雷击(2-20次,平均3-4次),每次雷击一个主放电电流。这个现象可称之为多重雷击,已为国外研究者注意,对金属氧化物避雷器在多次雷电流冲击下的特性进行了多年试验研究,因为有些避雷器的损坏用短波形得不到解释。如果从雷闪电荷的统计特性看,利用IEC1312所附雷电流参数概率曲线,考虑10%为正极性,90%为负极性,查阅正、负两条雷闪电荷曲线,得到大于10、75、50库相应的累积概率为4.45%,10.25%(两种极性综合),说明多重雷击是有一定可能性的。从我国运行实际看,电信部门发现了标称放电电流40-60 kA(8/20μs)的低压避雷器在雷击下损坏,超出了电力部门避雷器常规标称放电电流10 kA(特别是20 kA),显现了2-6重雷击的踪迹。
    现在的问题是:是否可能常有17重雷击之多的雷闪?我觉得可能将来考虑少一点的雷击重数,例如5-6重,波尾100μs左右是比较妥当的,形成8-100μs波形。但是现在,有鉴于 IEC TC 81,TC64,TC37A等都采纳了10/350μs波形,而我国还没有提出波形问题的正式的、系统的意见,更没有得到IEC受理我国的意见,我们在制订标准时只能先从原则上接受这种波形,但是在招行中更谨慎、更仔细地选择各种情况的通流容量。
2 雷电流分流下来以后,避雷器是否会有很大的雷电流?
    有些国外资料将最大的雷电流幅值200 kA、长波10/350μs、单相系统分流下来,要求每个模块50-100 kA的通流容量,达到惊人的地步。其实按照标准所列的分流原则,考虑接地装置和各种接地管道分流,信号线、电源线分流,电源三相系统相线和中线的分流,以及变压器中性点接地电阻的分流和线路屏蔽的阻塞/分流作用,到每个相的模块不过几个kA,即使是10/350μs波形,通流容量也大不到那里去。具体情况还要具体分析,考虑各种分流的有利因素,做到“精打细算”,尽量控制通流容量的要求。
3 10/350μs波形对避雷器选择究竟有多大影响?
    10/350μs波形只用于SPD的Ⅰ级试验,而在Ⅰ级试验,而在Ⅰ级试验中也不仅仅是10/350μs一种波形。Ⅰ级试验中首先是预备试验,用8/20μs波形的标称放电电流冲击15次,然后才将10/350μs电流迭加在工频电压之上,进行动作责务试验,而且只要2次冲击。这说明是一种极限通流试验,反映的是小概率的雷击情况-大电流、多重雷击的情况。这种要求在高压避雷器标准中也是有的。而标称放电电流就反映大概率的雷击情况。标称放电电流小于通流容量,可承受多闪(15次)。在避雷器选择中,极限放电电流和标称放电电流都要考虑,往往是极限放电电流控制了产品选择。看似所选极限放电电流很大,其实标称放电电流不大。后者最多是前者的二分之一。
4 至于为什么用8/20μs检验、标称放电电流不大的避雷器在电力系统的运行经验      很满意,是很值研究的问题,本人现在还不大清楚。但是我认为要做深入分析,分析高压系统和低压系统各自的过电压/电涌保护条件,不能简单地做比较。例如高压系统的避雷器是在变电站里,通常都有很长一段进线保护,站内的接闪器多为独立避雷针,使直击—反击几无可能,而长线的波阻抗限制了避雷器的电流,避雷器正是这样的选的。又例如装在线路上的线路型避雷器,在确定其通流容量时考虑了架空线绝缘子、空气间隙多处击穿分流,结果流过避雷器的电流比较小。这些条件与建筑物防雷不同。此外,电力系统避雷器故障率的具体数据也不了解。建议进一步研究分析。

5 在试验中,10/350μs波形是在冲击电流发生器短路是调试的电流波形,实际到SPD接入回路电流波形很难保持不变,IEC 61643-1只要求在10ms内电荷量满足要求而不论波形如何了。这也说明10/350μs的电荷累积意义。
6 在分析低压系统电涌保护问题时,不能在任何情况下都用10/350μs波形。只有在级间能量配合时用长波10/350μs,而在过电压分析时还应采用8/20μs波形。


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