分析如何安全使用暂时过电压威胁SPD

     摘　要:分析了低压系统暂时过电压情况以及限压型电涌保护器在暂时过电压情况下的性能表现。介绍了现行国标对电涌保护器的TOV考核要求,以及IEC标准的发展情况。指出电涌保护器应当进行暂时过电压试验考核。

　　0　引　言

　　在电力系统中,因雷击、操作和故障等原因造成的瞬态过电压和暂时过电压是不可避免的。电涌保护器(SPD)成为了电子信息技术产品免遭瞬态过电压侵害的“保护神”。由于SPD产品在现行国标中对暂时过电压(TOV)的考核是按需进行的,人们一度忽视了暂时过电压可能对SPD造成的威胁,致使SPD在使用过程中失火现象频繁。

　　SPD在技术上实现的是泄放电涌电流和限制电涌电压,本身不具备限制暂时过电压的能力,而且暂时过电压对SPD的安全使用可能产生致命危险,因此需要研究SPD实际工作环境中可能遭受的暂时过电压情况以及SPD在暂时过电压情况下的性能表现,以避免着火等严重电气事故的发生。

　　1　低压系统中暂时过电压情况分析

　　无论是高压系统接地故障,还是低压系统内部故障,都会在低压系统中产生暂时过电压。

　　这些故障产生的暂时过电压的幅值和持续时间是有差异的,与故障类型、故障点位置、变电所接地极结构、系统接地类型和用于排除故障的方式等有关。即使同一故障类型,在不同接地形式的低压系统中产生的暂时过电压情况也是不同的。这些故障产生的暂时过电压对SPD安全使用可能造成威胁,现加以分析。

　　1. 1　高压系统接地故障在低压侧产生的暂时过电压

　　根据国家标准GBJ 65—1983《工业与民用电力装置的接地设计规范》和电力行业标准DL/T621—1997《交流电气装置的接地》,允许高(中)压系统的保护接地和低压系统的系统接地在变电所共用一个接地极。在这种情况下,高压侧发生接地故障后产生的故障电流流经共用接地极时就可能在低压侧产生暂时过电压。所产生的暂时过电压幅值和持续时间由高压侧系统接地形式决定。

　　目前,我国电力网(3~10 kV)的系统接地有不接地、经消弧线圈谐振接地、高电阻接地和低电阻接地等4种形式。依据产生的暂时过电压情况,可以归为两类。

　　1. 1. 1　高压侧有限制接地电流

　　高压侧不接地、经消弧线圈谐振接地和高电阻接地可以归为一类。对于此类接地系统,根据电力行业标准DL/T621[6]规定,高压侧接地故障传导至低压侧的暂时过电压不会超过120 V,比系统电压低得多,不会对SPD的安全构成危害。

　　1. 1. 2　高压侧经低电阻接地

　　对于高压侧经低电阻接地的系统, GB16895. 11—2001《建筑物电气装置第4部分:安全防护第44章:过电压保护第442节:低压电气装置对暂时过电压和高压系统与地之间的故障的防护》规定了高压侧接地故障传导至低压侧的暂时过电压值为1 200 V。低压设备承受的过电压视系统的接地形式如下:

　　(1)当低压侧为TN系统时,由于电气装置的外露导电部分通过与接地的电源中性点连接接地,中性点、中性线(保护中性线)、保护接地线对地电位同时升高,设备不承受暂时过电压。

　　(2)当低压侧为TT和IT系统时,由于电气装置外露导电部分直接连接大地,独立于电源的接地,会在中性线与保护接地线(N-PE)、相线与保护接地线(L-PE)之间产生严重的暂时过电压。

　　N-PE之间的过电压为高压侧传导的1 200 V, L-PE之间的暂时过电压幅值为U0+1 200 V。

　　低电阻接地系统发生接地故障时,产生的接地短路电流较大,高压侧过电流保护器动作。根据GB 18802. 12[2]的解释,过电流保护器快速动作使暂时过电压持续时间不会超过200 ms。

　　1. 2　低压系统内部产生的暂时过电压情况

　　低压系统内部发生相中线短路、相线导体意外接地、中性线断线等故障时,均会产生暂时过电压。其幅值和持续时间取决于故障类型、系统的接地类型、中性线(保护中性线)截面积的选取、负荷的不平衡程度以及排除故障的方式等。

　　1. 2. 1　相中线短路引起的暂时过电压

　　当低压系统发生相中线短路故障时,故障电流在故障点流经一段中性线返回电源,在流经的中性线上会产生电压降ΔUN。ΔUN与系统电压U0的矢量和成为了非故障相线与中性线(L-N)间的暂时过电压UTOV。

　　ΔUN的大小取决于中性线的截面积。国家和电力行业多部标准中规定了中性线截面积至少应为1/2~1倍的相线截面积,由此可以推算出非故障相线与中性线(L-N)间的暂时过电压幅值为1. 32~1. 45U0。

　　发生相中线短路故障时,考虑到人身安全,故障导致的不同预期接触电压有相应的切断电源时间,但长不超过5 s。

　　1. 2. 2　相线导体意外接地引起的暂时过电压

　　在TT系统中,相线的意外接地会在相线与保护接地线(L-PE)之间形成幅值高达√3U0的暂时过电压。这个暂时过电压会持续到过电流保护装置切断电源为止,长不超过5 s。

　　1. 2. 3　中性线断线故障引起的过电压

　　中性线断线故障会导致中性位的偏移,严重时会偏移到线电压构成的正三角形一条边上,使其中一相线与中性线间电压达到线电压的√3U0,如图1所示。

图 1中性线断线导致中性位的偏移

　　目前,对于中性线断线没有很好的故障保护方法,一旦出现中性线断线会导致设备的损坏。

　　因此,规范规定了通过增大中性线截面积以及避免中性线承受过大应力等措施来降低中性线断线的概率。

　　1. 3　低压系统的暂时过电压综述

　　综上所述,低压系统中可能出现的暂时过电压值如表1所示。

表 1　低压系统中可能出现的暂时过电压值

　　2　暂时过电压对SPD的影响

　　SPD遭受表1所示的暂时过电压时,会出现怎样的状况呢?下面使用量的限压型SPD作为研究的典型例子。

　　2. 1　限压型SPD (MOV)在暂时过电压情况下的性能表现

　　众所周知,限压型SPD的元件为氧化锌压敏电阻 (MOV)。 氧化锌压敏电阻有一个重要参数:压敏电压 U1 mA ,即通过 1 mA直流电流时施加在压敏电阻两端的电压。当压敏电阻通过 1 mA以下电流时 ,工程上认为 SPD未导通。压敏电压U1 mA是 SPD选择压敏电阻片的原则之一。一方面 ,为了使 SPD在没有雷电流的情况下不导通 ,压敏电压要大于系统正常运行时出现的电压值 ,一般取 U1 mA ≥k·√2U0 ( k是比例系数 , k >1) ;另一方面 ,压敏电压值决定了产品的电压保护水平。为了实现较低的电压保护水平,压敏电压值不能取得太高 , SPD选择压敏电阻的压敏电压不能大于表 2中列出的所有暂时过电压值。

表 2耐受阶段持续时间和流经压敏电阻的电流

　　由于表2中所列出的暂时过电压值可能超过SPD选用压敏电阻的压敏电压,需要研究SPD在暂时过电压情况下的性能表现。为此,进行了如下试验:取UC=275 V(SPD持续工作电压)的限压型SPD进行试验,其中压敏电阻的压敏电压U1 mA=420 V。试验时, SPD两端施加450 V(有效值)、不同预期短路电流的工频电压。

　　流经SPD的电流波形如图2所示。图2中显示了两个阶段:耐受阶段T1,没有明显的现象,持续时间和流经SPD的电流在不同预期短路电流情况下是不同的(见表2);击穿阶段T2,出现持续电弧,流经SPD的电流近似等于预期短路电流,因此击穿阶段可以看做压敏电阻呈现金属性短路。耐受阶段持续时间和流经压敏电阻的电流见表2。

图2　暂时过电压情况下流经SPD的电流

　　通过试验发现,限压型SPD(MOV)具有一定的暂时过电压耐受能力。耐受时间与预期短路电流有关,预期短路电流越大,耐受时间越短。SPD被击穿时伴随电弧出现,可能因此起火。因此,在SPD发生击穿后的一定时间内必须切断,其热脱离装置不能保证实现完全有效的保护,所以必须附加一定的后备过电流保护措施。

　　2. 2　应当对SPD进行TOV考核

　　从TOV特性试验中可以看出,暂时过电压会导致压敏电阻片(MOV)发生金属性短路且伴随持续电弧,这可能会造成火灾,因此SPD的TOV考核应该是必须进行的。

　　由于压敏电阻自身具有一定的TOV耐受能力,对于低压系统内部故障产生的暂时过电压, SPD可以呈现耐受特性,也允许呈现安全失效的故障模式;对于高压系统故障在低压侧引起的暂时过电压,由于幅值很大,试验过程中SPD可以损坏,但不能起火,呈现安全失效的故障模式。现行国标[1]中对SPD的TOV性能考核就是这样要求的。

　　3　标准中对SPD的TOV性能考核

　　现行国标GB 18802. 1—2002[1]对SPD的TOV性能考核是按需进行的。在GB/T18802. 12—2006[2]中明确表示对SPD的TOV考核不考虑中性线断线的情况。由上面的分析可知:在SPD的型式试验考核中,必须进行TOV性能考核。

　　3. 1　现行国标GB 18802. 1对SPD的TOV考核要求

　　现行国标GB 18802. 1—2002[1]是等同采用IEC 61643. 1—1998的,对SPD的TOV考核分为两个方面:TOV故障试验和TOV特性试验。

　　TOV故障试验实际上是模拟高压系统接地故障在低压侧引起的暂时过电压情况, SPD在试验后可以损坏,但是试验过程中不可以起火,也即具有安全失效的故障模式;TOV特性试验实际上是模拟低压系统内部短路和相线意外接地引起的暂时过电压情况, SPD可以呈现制造厂声明的故障模式或耐受特性。

　　GB 18802. 1—2002[1]中列出的用于TOV考核的试验值简化如表3所示。

表3　GB18802.1—2002中列出的用于考核的TOV值

　　3. 2　IEC标准发展情况

　　IEC在2005年发布的IEC 61643. 1—2005[3]中明确规定了TOV试验是必须进行的。试验按照TOV成因分为在高压系统故障引起的TOV下试验和在低压系统故障引起的TOV下试验,并分别给出了试验电路示例及时序图。该标准也没有要求SPD考虑在中性线断线情况下的性能。目前, IEC/SC37A/WG5工作组正在IEC 61643. 1—2005的基础上制定IEC 61643. 11,内容将有较大的变化,其中TOV考核将增加中性线断线情况下的考核。IEC 61643. 11(CD版)提出的考核参数为幅值3UCS(UCS是考虑了偏差的系统持续工作电压)、持续时间120 min。考虑到四级开关等因素的作用,使中性线断线故障不能完全避免,这样的考核要求是合理的。SPD的制造商应当考虑产品在中性线断线故障下的性能。

　　4　结　语

　　(1)无论是高压侧故障传导至低压侧,还是低压系统内部故障,均会在SPD安装处产生暂时过电压。

　　(2)暂时过电压威胁着SPD的安全使用,因此必须对SPD进行暂时过电压试验考核。对SPD的暂时过电压考核必须涵盖所有可能出现的暂时过电压情况,包括中性线断线情况下SPD的暂时过电压性能考核。

　　(3) SPD制造商应当重视产品的TOV性能,同时通过采用后备保护措施来确保系统的安全。