SPD级间配合的计算—应用行波理论进行过电压分析

Posted：2010.04.28 Source：admin Views：957

目前，我们在考虑低压配电系统的过电压防护时，一般采用多级保护，这里面存在着一个前级保护和后级保护如何配合的问题，我们不妨用行波理论来分析一下。

    在低压配电系统的过电压保护中，通常第一级采用放电间隙，以泄放大的雷电流；在第二级采用限压元件，将残压控制在设备的冲击绝缘水平以下。

    由于限压元件的响应时间较快，一般为25ns左右，而放电间隙的响应时间则比较慢，约为100ns。那如何才能保证第一级保护比第二级保护先动作，以泄放大的雷电流呢？

    我们来做一个计算：雷电侵入波沿着电力电缆侵入，首先到达放电间隙，由于放电间隙有响应时延，侵入波将继续向前行进，我们应该保证的是在侵入波到达限压元件之前让放电间隙动作。

    我们知道了波在电缆中的传播速度为V=1.5×10[8]m/s，放电间隙的动作响应时间T为100ns，限压元件的响应时间为25ns，那么，波在这个时间差（100－25）ns内向前行进的距离S为：

   S=V * T=（1.5×10[8]m/s）×（75×10[-9]s）=11.25m

    也就是说，如果第一级保护器件和第二级保护器件之间的距离（电缆）大于11.25m，就能够保证前级保护先动作，从而达到将大的雷电流先泄放掉的目的。由于防雷器件的实际响应时间有一定的误差，故应将前、后级保护器件间的距离考虑得更长一些，作者认为15m是比较合适的。

    如果前后两级保护均为限压型器件，响应时间均为25ns，但考虑到其实际响应时间的误差（可假定为25ns），那么为了保证前级先动作，则两级保护间的距离应该为：

S=V * T=（1.5×10[8]m/s）×（25×10[-9]s）=3.75m

    在国标《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版）中，第6.4.11条规定“在一般情况下，当在线路上多处安装SPD且无准确数据时，电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不宜小于10m，限压型SPD之间的线路长度不宜小于5m。”；另外，在信息产业部行业标准《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》YD／T 5098-2001中，第3.7.8条规定“当上一级SPD为开关型SPD，次级SPD采用限压型SPD时，两者之间的电缆线间距应大于10m。当上一级SPD与次级SPD都采用限压型SPD时，两者之间的电缆线间距应大于5m。”

     根据上面的计算，电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不小于10m似乎稍嫌小了些，而限压型SPD之间的线路长度不小于5m则是合适的。

     在实际的工程中，有时很难保证第一级保护器件（间隙型）和第二级保护器件之间的距离（电缆）大于15m，因此，我们经常采用集中电感来等效这个距离。这个电感的电感量为多少才合适呢？我们也可以计算一下：

     导线的L0≈1.6×10[-6] H/m，为了等效15m长导线分布参数的电感量，集中电感应为：

L = L0×S =1.6×10[-6] H/m×15m = 24μH

     也就是说，我们可以用电感量为24μH的集中电感来等效15m长的导线。

     如果前后两级均为限压型器件，按国标《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版）和信息产业部行业标准《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》YD／T 5098-2001的规定，两级间的距离应大于5m。若用集中电感来等效，则电感量应为：
L = L0×S =1.6×10[-6] H/m×5m = 8μH

    行进波遇到电感将发生折、反射，从能量的角度出发，一部分能量被反射回去，那么折射过来继续前进的能量必然会减小。同时，电感能够使侵入波的波头陡度降低，这也是对过电压保护有利的一个因素。

     以上只是举了一个利用行波理论来分析低压配电系统过电压的简单的例子。对于低压配电系统、信号系统以及天馈系统中过电压保护的很多问题，都可以应用行波理论来分析研究。