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防雷检测机构关于浪涌保护计算公式有关问题分析
上传作者:2018-07-06 10-57-21 更新时间:admin

  防雷检测机构关于SPD浪涌保护计算公式

  大家熟知的防雷标准中SPD浪涌保护计算公式(以限压型SPD为例)见公式(1):

  Up / f = Up + ΔU + Ui + Ub ≤ Uw (1)

  式中:Up / f —— SPD的有效电压保护水平,kV;

  Up —— SPD的电压保护水平,kV;

  ΔU —— 连接导体的电压降,kV;

  Ui —— SPD与被保护设备间电路环路的感应过电压,kV;

  Ub —— SPD后备保护装置及其附带线路的电压降,kV;

  Uw —— 被保护设备的设备绝缘耐冲击电压额定值,kV。

  图1是带电导体相线和接地母排之间的浪涌电压。从图1可以看出:连接导体的电压降ΔU = ΔUL 1 + ΔUL 2 = L ×(di / dt)。

  从计算公式(1)与图1还可以看出:为防雷击电磁脉冲,在相导体与接地母排之间安装了SPD。当线路上出现浪涌电流时,浪涌电流通过SPD,当然也通过连接SPD的线路和后备保护装置。因而浪涌电流通过SPD、线路、后备保护装置所产生的电压降之和,再加上电路环路感应过电压,应小于被保护设备的耐冲击电压额定值。假设线路长度小于5 m,并且暂时不考虑Ub,则计算公式(1)可简化为计算公式(2)、(3):

  Up / f = Up + ΔU ≤ Uw(2)

  即:Up + L ×(di / dt)≤ Uw(3)

  计算公式存在的主要问题分析

  Up、ΔU与Uw的关系

  上述计算公式中,SPD的有效电压保护水平Up / f与SPD的电压保护水平Up以及连接导体的电压降ΔU有关,Uw则是被保护设备的设备绝缘耐冲击电压额定值。Up和ΔU是变量,随着标称放电电流In的变化而变化,所以根据上述计算公式选用SPD存在一定问题。

  Up与In的关系

  电压保护水平Up的数值为SPD在通过In冲击下的电压峰值,而In是考核SPD对浪涌电流耐受能力而人为设置的,是流过SPD具有8 / 20 μs波形的电流峰值。因为确定的某一SPD伏安特性曲线是固定的,如图2所示(该曲线非线性,但是电压值会随着电流增大而增大),所以如果对这个确定的SPD声称的In值不同,那么对应的Up值就会不同,所以Up值就不是固定数值。或者说用某一个In值下的Up值并不能真实反映SPD的保护水平,因为不能用一个点代表一条曲线。

  在SPD的实际长年使用环境里,要求SPD要经受很多次(比如5 000次)雷电浪涌和操作过电压冲击而不损坏。而在进行产品测试时,不可能进行如此多次数的试验,因此就要人为选取一个远高于预期浪涌电流ISPD的标称放电电流In来考核浪涌保护器SPD对多次较小冲击的耐受能力。在这个In值下,对应测量出来的Up1值不等于在预期浪涌电流ISPD值下测量出来的Up2值(如图2所示),但是由于SPD的测试标准与防雷工程的设计标准在这一概念上没有衔接好,就出现了工程设计人员对这个参数的认识误区,以为保护水平Up值就是一个固定的值,无论雷电流多大,保护水平都是厂家在产品上标示的那个Up值,是一个类似于设备的耐受电压值Uw的参数。

  In与SPD的寿命

  按照SPD目前的测试标准,In值为制造厂自己提供,SPD只要承受15次In的冲击而不崩溃,其冲击耐受测试即为合格。按照成本最小原则,生产厂商不会以更高的成本给出太多冗余,这一点也被目前市场上国内外各种SPD的测试情况所证实。因此,由于In值基本等同于SPD所能承受十几次浪涌电流冲击的上限值,正常情况下是不能将SPD应用到预期浪涌电流ISPD达到In的场合的。In这个参数也在一定程度上反映了SPD安装于现场在预期雷电流ISPD下的使用寿命,即SPD的冲击电流耐受能力,它所对应的Up值与实际SPD安装点通过的预期浪涌电流ISPD在SPD上产生的残压Ures是两件事,不能混为一谈。

  由以上分析可以看出,上述计算公式没有区分SPD的耐受能力与实际保护能力。

  上述计算公式引出的应用问题

  如果按照上述计算公式,在实际工程中选用SPD,可能会导致错误的结论。假如:某处安装一个In为20 kA的SPD,在线路距离5 m内有一被保护设备,其Uw为4 kV,L = 0. 5 μH,浪涌电流波形为8 / 20 μs。若此SPD之Up为1. 8 kV,L ×(di / dt)为1. 2 kV,则:Up + L ×(di / dt)= 3. 0 kV,小于Uw(4 kV),SPD可以保护设备。如果维修时,将上述In为20 kA的SPD更换为In为80 kA的SPD,其Up = 2. 5 kV,ΔU = L ×(di / dt)= 5 kV,则:Up + L ×(di / dt)= 7. 5 kV,远远大于Uw(4 kV),SPD就不能保护设备。也就是说,若按照上述计算公式,将In为20 kA的SPD更换为In为80 kA的SPD,设备反而无法保护。由此可见上述计算公式得出的结论显然是不合理的。由此所误导的防雷产品(如某些后备保护开关、后备保护熔断器)、防雷工程、防雷检测和防雷管理的事情不在少数,这里不一一举例。

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