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關于低壓電源系統SPD通流容量要求的思考

發布時間:2015-08-01  

在有關低壓電源系統SPD的選用標準中,對第一級SPD要求采用IEC 61543-1規定的Ⅰ級試驗,而雷電流的分流基準采取防雷系統Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級水平的雷電總電流。對此爭論很大。葉蜚譽 教授就這個問題談一些看法。
    爭論的焦點在于Ⅰ級試驗的電流波形(10/350μs)的波尾長度較傳統的試驗電流波形(8/20μs)長得多,而且對避雷器/電涌保護器的放電電流要求較高壓避雷器的電流(標稱放電電流通常為5,10kA,8/20μs)大得多。這兩方面與國內外電力系統防雷和避雷器幾十年運行經驗不符,從概率上講也低得驚人。自然界是否有如此長的雷電流波形?分流到建筑物內的第一級SPD有幾十kA之大嗎?
1 自然界是否有如此長的雷電流波形?
    眾所周知,雷電流試驗波形,并不是天上打下來的真正的那一次雷電流。雷電活動有很大的分散性,因此任一種具體波形出現的概率幾乎是零(微分概率)。根據GB50057-94的附錄(引自 IEC 1312-1),首次雷擊電流的參量為:波形10/350μs,幅值Ⅰ對應一類、二類、三類防雷建筑為200、150、100 kA,電荷量對應為100、75、50庫。并注曰:因為全部電荷量Qs本質部分包含在首次雷擊中,故所規定的值考慮合并了所有短時間雷擊的電荷量。這里Qs指雷閃中的電荷。這就是說,10/350μs波形是考慮了一次雷閃的全部電荷,也就是多個單次雷電流的合并,因此顯得波尾很長。從單個雷電流的波尾長度(半峰值)看,大于200μs的概率<5%,大于350μs的概率更小。按國外雷電觀測,70%的雷閃包括(沿同一先導通道)多次雷擊(2-20次,平均3-4次),每次雷擊一個主放電電流。這個現象可稱之為多重雷擊,已為國外研究者注意,對金屬氧化物避雷器在多次雷電流沖擊下的特性進行了多年試驗研究,因為有些避雷器的損壞用短波形得不到解釋。如果從雷閃電荷的統計特性看,利用IEC1312所附雷電流參數概率曲線,考慮10%為正極性,90%為負極性,查閱正、負兩條雷閃電荷曲線,得到大于10、75、50庫相應的累積概率為4.45%,10.25%(兩種極性綜合),說明多重雷擊是有一定可能性的。從我國運行實際看,電信部門發現了標稱放電電流40-60 kA(8/20μs)的低壓避雷器在雷擊下損壞,超出了電力部門避雷器常規標稱放電電流10 kA(特別是20 kA),顯現了2-6重雷擊的蹤跡。
    現在的問題是:是否可能常有17重雷擊之多的雷閃?我覺得可能將來考慮少一點的雷擊重數,例如5-6重,波尾100μs左右是比較妥當的,形成8-100μs波形。但是現在,有鑒于 IEC TC 81,TC64,TC37A等都采納了10/350μs波形,而我國還沒有提出波形問題的正式的、系統的意見,更沒有得到IEC受理我國的意見,我們在制訂標準時只能先從原則上接受這種波形,但是在招行中更謹慎、更仔細地選擇各種情況的通流容量。
2 雷電流分流下來以后,避雷器是否會有很大的雷電流?
    有些國外資料將最大的雷電流幅值200 kA、長波10/350μs、單相系統分流下來,要求每個模塊50-100 kA的通流容量,達到驚人的地步。其實按照標準所列的分流原則,考慮接地裝置和各種接地管道分流,信號線、電源線分流,電源三相系統相線和中線的分流,以及變壓器中性點接地電阻的分流和線路屏蔽的阻塞/分流作用,到每個相的模塊不過幾個kA,即使是10/350μs波形,通流容量也大不到那里去。具體情況還要具體分析,考慮各種分流的有利因素,做到“精打細算”,盡量控制通流容量的要求。
3 10/350μs波形對避雷器選擇究竟有多大影響?
    10/350μs波形只用于SPD的Ⅰ級試驗,而在Ⅰ級試驗,而在Ⅰ級試驗中也不僅僅是10/350μs一種波形。Ⅰ級試驗中首先是預備試驗,用8/20μs波形的標稱放電電流沖擊15次,然后才將10/350μs電流迭加在工頻電壓之上,進行動作責務試驗,而且只要2次沖擊。這說明是一種極限通流試驗,反映的是小概率的雷擊情況-大電流、多重雷擊的情況。這種要求在高壓避雷器標準中也是有的。而標稱放電電流就反映大概率的雷擊情況。標稱放電電流小于通流容量,可承受多閃(15次)。在避雷器選擇中,極限放電電流和標稱放電電流都要考慮,往往是極限放電電流控制了產品選擇??此扑x極限放電電流很大,其實標稱放電電流不大。后者最多是前者的二分之一。
4 至于為什么用8/20μs檢驗、標稱放電電流不大的避雷器在電力系統的運行經驗      很滿意,是很值研究的問題,本人現在還不大清楚。但是我認為要做深入分析,分析高壓系統和低壓系統各自的過電壓/電涌保護條件,不能簡單地做比較。例如高壓系統的避雷器是在變電站里,通常都有很長一段進線保護,站內的接閃器多為獨立避雷針,使直擊—反擊幾無可能,而長線的波阻抗限制了避雷器的電流,避雷器正是這樣的選的。又例如裝在線路上的線路型避雷器,在確定其通流容量時考慮了架空線絕緣子、空氣間隙多處擊穿分流,結果流過避雷器的電流比較小。這些條件與建筑物防雷不同。此外,電力系統避雷器故障率的具體數據也不了解。建議進一步研究分析。

5 在試驗中,10/350μs波形是在沖擊電流發生器短路是調試的電流波形,實際到SPD接入回路電流波形很難保持不變,IEC 61643-1只要求在10ms內電荷量滿足要求而不論波形如何了。這也說明10/350μs的電荷累積意義。
6 在分析低壓系統電涌保護問題時,不能在任何情況下都用10/350μs波形。只有在級間能量配合時用長波10/350μs,而在過電壓分析時還應采用8/20μs波形。


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