低壓配電系統(tǒng)電涌保護器保護模式研究

楊澤江

（四川水利職業(yè)技術學院電力工程系，成都611231）

低壓配電系統(tǒng)電涌保護器保護模式研究

楊澤江

（四川水利職業(yè)技術學院電力工程系，成都611231）

為了有效利用電涌保護器對低壓配電系統(tǒng)進行雷電過電壓防護，需要對電涌保護器保護模式進行研究。利用EMTP軟件搭建1.2/50-8/20 μs組合波和0.5μs-100kHz標準振蕩波發(fā)生電路，同時采用IEEE氧化鋅壓敏電阻模型進行仿真沖擊。分析TN-C-S配電系統(tǒng)中不同電涌保護器保護模式的防護效果。最后討論電涌保護器接地電阻阻值對線間電位差影響。仿真結果表明：僅在L線與N線或L線與PE線間安裝SPD，不能夠有效保護負載設備；在L線與N線、N線與PE線間安裝SPD或三線間均安裝SPD時，防護效果較好，但前種方式下零地電位差過高；當電涌保護器接地電阻阻值增加時，線間電位差顯著增大，防護效果下降。需要盡量降低接地電阻阻值以盡可能抑制線路過電壓。

電涌保護器；保護模式；低壓配電系統(tǒng)；雷電沖擊波

0 引言

雷電沖擊過電壓是低壓配電系統(tǒng)主要危害之一[1-2]，電涌保護器作為抑制雷電過電壓的主要設備，在配電系統(tǒng)中得到廣泛應用[3]。為了實現(xiàn)對設備的有效防護，電涌保護器往往采用兩級或多級配合保護方式[4]。目前關于電涌保護器具體配合方式[5]、能量配合機理[6-7]、有效保護距離[8-9]等方面研究已經(jīng)較為成熟，但是具體配電制式中線間電涌保護器安裝方式和防護效果研究較少。此外，現(xiàn)有研究雷電沖擊波模型大多采用8/20 μs或10/350 μs沖擊源作用下[10-11]，實測配電線路雷電過電壓數(shù)據(jù)[12]表明：雷電沖擊過電壓呈衰減振蕩波形，首個脈沖波頭時間非常短。IEEE相關標準[13]推薦采用0.5 μs-100 kHz振蕩波波形模擬真實雷電過電壓。因此，需要研究不同雷電沖擊波形作用下不同電涌保護器保護模式對雷電過電壓的防護效果。

筆者利用EMTP[14]搭建1.2/50-8/20 μs組合波和0.5 μs-100 kHz標準振蕩波發(fā)生回路，采用IEEE推薦的氧化鋅壓敏電阻等效模型，分析TN-C-S配電系統(tǒng)下不同電涌保護器保護模式的保護效果。最后討論電涌保護器接地電阻對保護殘壓和吸收能量的影響，為低壓配電系統(tǒng)雷電過電壓防護提供參考。

1 雷電沖擊波模型

根據(jù)IEEE給出的組合波定義[13]，開路電壓波形為 1.2/50 μs，短路電流波形為 8/20 μs，開路電壓和短路電流幅值之比（虛擬阻抗）為2 Ω。圖1給出了典型組合波波形和組合波發(fā)生器電路圖。

圖1 組合波波形和發(fā)生電路Fig.1 Waveform of combination wave and generator circuit

根據(jù)IEEE給出的0.5 μs-100 kHz標準振蕩波定義[13]，首個波頭時間為0.5 μs，振蕩頻率100 kHz，在3～6個周期內(nèi)幅值衰減至初始峰值的50%以下。圖2給出了典型標準振蕩波波形和標準振蕩波發(fā)生器電路圖。

2 電涌保護器模型及保護模式

目前較為常見的電涌保護器有氣體放電管、壓敏電阻和瞬態(tài)抑制二極管等，金屬氧化鋅壓敏電阻因其優(yōu)異的非線性和較大的通流量等優(yōu)點適用場合最廣。仿真中采用的壓敏電阻閥片模型主要有非線性電阻模型、IEEE模型和P-G模型等[15-16]。IEEE電阻片模型[15]適合雷電流波頭時間為0.5-45 μs范圍，圖3給出了IEEE模型等值電路圖。圖3模型中各參數(shù)的取值與壓敏電阻結構有關，具體計算公式參見相關文獻[16]。

圖2 0.5 μs-100 kHz標準振蕩波波形和發(fā)生電路Fig.2 Waveform of 0.5 μs-100 kHz standard oscillation wave and generator circuit

圖3 IEEE推薦的壓敏電阻模型Fig.3 ZnO varistor model of IEEE

圖4給出了TN-C-S系統(tǒng)中壓敏電阻配置方式。仿真過程中在L線與N線間施加沖擊源，分析在L線與N線、L線與PE線、L線與N線和N線與PE線、三線之間各安裝SPD的防護效果。

圖4 TN-C-S系統(tǒng)電涌保護器保護模式Fig.4 Protected mode of SPD in TN-C-S system

仿真中壓敏電阻參考電壓取390 V，對應10 kA電流沖擊殘壓為650 V。SPD與負載間采用電纜連接，電纜長度為10 m。電纜為單芯聚氯乙烯（PVC）絕緣電纜[2]，標稱截面2 mm2，電阻率1.72×10-8Ω.m，絕緣層厚度0.8 mm，相對介電常數(shù)4.55，相對磁導率為1。

3 仿真分析

3.1 線間殘壓

圖5給出了僅在L線與N線間安裝SPD時，組合波沖擊下L線與N線、L線與PE線間電壓，組合波電壓幅值6 kV。

圖5 組合波沖擊下L線與N線、L線與PE線電壓Fig.5 Voltage differences between L line-N line and L line-PE line under combination wave

圖6給出了在L線與N線間安裝SPD時，0.5 μs-100 kHz標準振蕩波沖擊下L線與N線、L線與PE線間電壓，振蕩波電壓幅值6 kV。

圖6 標準振蕩波沖擊下L線與N線、L線與PE線電壓Fig.6 Voltage differences between L line-N line and L line-PE under the standard oscillation wave

由圖5和圖6可看出，無論是組合波沖擊還是標準振蕩波沖擊，L線與N線間電壓都得到了較大程度的限制，殘壓衰減趨于零，但是L線與PE線間電壓幅值仍然較高，過電壓未得到有效抑制。

圖7和圖8分別給出了組合波和0.5 μs-100 kHz標準振蕩波沖擊下，不同SPD保護模式下線間電壓。

圖7 組合波沖擊下線間殘壓Fig.7 Residual voltages under combination wave

圖8 標準振蕩波沖擊下線間殘壓Fig.8 Residual voltages under standard oscillation wave

分析圖7和圖8發(fā)現(xiàn)，負載設備通常接L線與N線，僅在L線與N線或L線與PE線間安裝SPD防護效果均不理想，前種方式會對設備絕緣產(chǎn)生一定威脅，后種方式不同為負載設備提供有效過電壓防護。

在L線與N線、N線與PE線間安裝SPD或三線間均安裝SPD時，負載設備及其絕緣均能得到較好保護。L線與N線、N線與PE線間安裝SPD保護模式存在的問題是N線與PE線間存在電位差，產(chǎn)生電壓漂移。三線間均安裝SPD時可以避免電壓漂移，但此種方式費用較高。具體保護模式可以根據(jù)實際情況進行選取。

3.2 接地電阻影響

除了保護模式外，SPD的防護是建立在良好的泄流通道基礎上，SPD的接地電阻會對線間電壓抑制產(chǎn)生較大影響[17]。圖9給出三線間均安裝SPD時，L線與N線間電壓隨接地電阻阻值變化情況。

從圖9可看出，當SPD接地電阻增加時，組合波和標準振蕩波沖擊下L線與N線間電壓均大幅增加，不利于對負載設備的防護。

圖9 L線與N線間電壓隨接地電阻阻值變化Fig.9 Voltage difference between L line and N line vs grounding resistance

4 結論

利用EMTP搭建1.2/50-8/20 μs組合波和0.5 μs-100 kHz標準振蕩波發(fā)生電路，對TN-C-S配電系統(tǒng)中不同電涌保護器保護模式進行了仿真分析，得到如下結論：

1）僅在L線與N線間安裝SPD，能夠有效保護負載設備，但是會對設備絕緣提出更高要求。

2）在L線與N線、N線與PE線間安裝SPD或三線間均安裝SPD時，能夠獲得較好防護效果，但前種方式需要考慮零地電位差過高情況。

3）當SPD接地電阻值增加時，線間電位差顯著增大，SPD防護效果下降。

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Study on Protected Modes of Surge Protection Device in Low Voltage Distribution System

YANG Zejiang
（Electric Power Engineering Department of Sichuan Water Conservancy Vocational College，Chengdu 611231，China）

In order to protect low voltage distribution system from lightning overvoltage through the use of surge protection device（SPD）appropriately，it is necessary to study the protected mode of SPD under lightning impulse.The generator circuit of 1.2/50-8/20 μs combination wave and the 0.5 μs-100 kHz standard oscillation wave are established by using EMTP software，Meanwhile，the IEEE Zinc Ox?ide varistor model is used to simulate the impulse.Protection effects of different protected modes of SPD under combination wave and normal ring wave are analyzed.Results show that:SPD installed on L line-N line or L line-PE line cannot provide complete protection;SPD installed on L line-N line and N line-PE line or all three lines may obtain a favorable effect，but potential difference between N line and PE line is too high.Voltage difference between L line and N line increases with the increasing of grounding resis?tance，at same time the protection effect are decreasing.It is necessary to reduce grounding resistance of SPD as low as possible so as to suppress the overvoltage of the line as much as possible.

surge protection device；protected mode；low voltage distribution system；lightning im?pulse

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.018

2017-03-27

楊澤江（1971—），男，副教授，主要研究方向：輸配電技術，電力系統(tǒng)及其自動化等。