雷電流浪湧和過壓保護

雷電流浪湧和過壓保護

大氣源過電壓
過電壓定義

過電壓（在系統中）一相導體和大地之間或相導體之間的任何電壓，其峰值超過國際電工詞彙（IEV 604-03-09）中設備定義的最高電壓的相應峰值。

各種類型的過電壓

過電壓是疊加在電網額定電壓上的電壓脈衝或波（參見圖J1）。

這種過電壓的特徵是（見圖J2）：

• 上升時間tf（以μs為單位）;
• 梯度S（以kV /μs為單位）。

過電壓會干擾設備並產生電磁輻射。 此外，過壓（T）的持續時間會在電路中引起能量峰值，從而可能損壞設備。
圖J2 –過電壓的主要特徵

四種類型的過電壓會干擾電氣安裝和負載：

• 開關浪湧：電網中穩態變化（開關設備運行期間）引起的高頻過電壓或脈衝串擾動（見圖J1）。
• 工頻過電壓：由於網絡中狀態的永久變化而導致的與網絡相同頻率的過電壓（50、60或400 Hz）（跟隨故障：絕緣故障，中性線損壞等）。
• 靜電放電引起的過電壓：由於累積電荷的放電而引起的非常短的高頻過電壓（幾納秒）（例如，一個行走在絕緣鞋底的地毯上的人被充電了幾千伏的電壓）。
• 大氣過電壓。

大氣起源的過電壓特性

幾幅圖中的雷擊：雷電會產生大量的脈衝電能（請參見圖J4）

• 幾千安培（和幾千伏特）
• 高頻（大約1兆赫）
• 持續時間短（從微秒到毫秒）

在2000年到5000年之間，全世界各地都在不斷形成風暴。 這些風暴伴隨雷擊，對人員和設備構成嚴重危害。 閃電平均每秒以30到100次擊中地面，即每年3億次雷擊。

圖J3中的表顯示了一些雷擊值及其相關概率。 可以看出，雷擊的50％的電流超過35 kA，5％的電流超過100 kA。 因此，雷擊所傳遞的能量非常高。

圖J3 – IEC 62305-1標准給出的雷電放電值示例（2010 –表A.3）

圖J4 –雷電流示例

閃電還會引起大量火災，主要是在農業地區（摧毀房屋或使其不適合使用）。 高層建築特別容易遭受雷擊。

對電氣裝置的影響

雷電尤其會損壞電氣和電子系統：住宅和工業場所中的變壓器，電錶和電器。

修理雷電造成的損壞的成本非常高。 但是很難評估以下方面的後果：

• 對計算機和電信網絡造成的干擾；
• 在運行可編程邏輯控制器程序和控制系統時產生的故障。

而且，經營損失的成本可能遠遠高於被銷毀設備的價值。

雷擊影響

雷電是一種高頻電氣現象，會引起所有導電物品（尤其是電纜和設備）上的過電壓。

雷擊可通過兩種方式影響建築物的電氣（和/或電子）系統：

• 雷擊對建築物的直接影響（見圖J5a）；
• 雷電對建築物的間接影響：
• 雷擊可能會落在為建築物供電的架空電力線上（請參見圖J5b）。 過電流和過電壓可以從衝擊點傳播幾公里。
• 雷擊可能會落在電源線附近（請參見圖J5c）。 雷電電流的電磁輻射會在電源網絡上產生大電流和過電壓。 在後兩種情況下，危險電流和電壓由電源網絡傳輸。

雷擊可能會落在建築物附近（請參見圖J5d）。 撞擊點附近的地球潛力會危險地上升。

圖J5 –各種類型的雷擊

在所有情況下，電氣安裝和負載的後果都是巨大的。

圖J6 –雷擊的後果

閃電落在未受保護的建築物上。	閃電落在架空線附近。	閃電落在建築物附近。
雷電流通過建築物或多或少具有導電性的結構流到地面，具有非常大的破壞作用： 熱效應：材料非常劇烈的過熱，引起起火 機械作用：結構變形 熱閃絡：存在易燃或易爆物質（碳氫化合物，粉塵等）的極其危險的現象	雷電電流通過配電系統中的電磁感應產生過電壓。 這些過電壓沿著線路傳播到建築物內部的電氣設備。	雷擊產生的過電壓類型與相反描述的過電壓類型相同。 另外，雷電流從大地流回電氣設備，從而導致設備故障。
建築物和建築物內的設施通常被破壞	建築物內的電氣裝置通常被破壞。

各種傳播方式

共模

共模過電壓出現在帶電導體和大地之間：相對地或中性點對地（見圖J7）。 它們特別危險，因為其介電擊穿的風險，其框架接地的設備尤其如此。

圖J7 –共模

差模

帶電導體之間會出現差模過電壓：

相間或相間（見圖J8）。 它們對電子設備，計算機系統等敏感硬件特別危險。

圖J8 –差分模式

雷電波的表徵

對現象的分析可以定義雷電流和電壓波的類型。

• IEC標准考慮了兩種類型的電流波：
• 10/350 µs波形：表徵直接雷擊產生的電流波形（見圖J9）；

圖J9 – 10/350 µs電流波

• 8/20 µs波形：表徵間接雷擊產生的電流波形（見圖J10）。

圖J10 – 8/20 µs電流波

這兩種類型的雷電電流波用於定義SPD的測試（IEC標準61643-11）和設備對雷電電流的抗擾性。

電流波的峰值表徵雷擊的強度。

雷擊產生的過電壓以1.2 / 50 µs的電壓波為特徵（見圖J11）。

這種類型的電壓波用於驗證設備可承受大氣起源的過電壓（符合IEC 61000-4-5的脈衝電壓）。

圖J11 – 1.2 / 50 µs電壓波

防雷原理
防雷總則

防止雷擊危險的程序
保護建築物免受雷擊的系統必須包括：

• 保護建築物免受直接雷擊；
• 防止電氣設備遭受直接和間接的雷擊。

保護設備免受雷擊危險的基本原理是防止干擾的能量到達敏感設備。 為此，必須：

• 捕獲雷電流，並通過最直接的路徑將其引導到大地（避免靠近敏感設備）；
• 執行設備的等電位聯結； 這種等電位聯結是通過聯結導體來實現的，並輔以浪湧保護裝置（SPD）或火花隙（例如，天線桿的火花隙）。
• 通過安裝SPD和/或濾波器，將引起的和間接的影響降到最低。 有兩種保護系統可用來消除或限製過電壓：它們被稱為建築物保護系統（用於建築物的外部）和電氣安裝保護系統（用於建築物的內部）。

建築防護系統

建築物保護系統的作用是防止其遭受直接雷擊。
該系統包括：

• 捕獲裝置：防雷系統；
• 引下線，用於將雷電流傳輸到地面；
• “魚尾紋”地線連接在一起；
• 所有金屬框架（等電位連接）和地線之間的鏈接。

當雷電流在導體中流動時，如果導體與附近的接地框架之間出現電位差，則後者可能會造成破壞性的閃絡。

三種防雷系統
使用三種類型的建築物保護：

避雷針（簡單桿或帶有觸發系統）

避雷針是放置在建築物頂部的金屬捕獲尖端。 它通過一根或多根導體（通常是銅帶）接地（見圖J12）。

圖J12 –避雷針（簡單桿或帶有觸發系統）

帶拉緊電線的避雷針

這些電線在要保護的結構上方拉伸。 它們用於保護特殊結構：火箭發射區，軍事應用和高壓架空線的保護（見圖J13）。

圖J13 –拉緊電線

帶網狀籠的避雷針（法拉第籠）

這種保護涉及在建築物周圍對稱地放置許多引下線/膠帶。 （見圖J14）。

這種類型的防雷系統用於高度暴露的建築物，這些建築物中安裝了非常敏感的設備，例如計算機房。

圖J14 –網狀籠（法拉第籠）

電氣設備的建築物保護的後果

建築物保護系統釋放的雷電流的50％重新回到電氣設備的接地網絡中（參見圖J15）：框架的電勢上升經常超過各種網絡中導體的絕緣承受能力（ LV，電信，視頻電纜等）。

此外，流經引下線的電流會在電氣設備中產生感應過電壓。

結果，建築物保護系統不能保護電氣設備：因此必須提供電氣設備保護系統。

圖J15 –直接雷電回饋電流

防雷–電氣安裝保護系統

電氣安裝保護系統的主要目的是將過電壓限制為設備可接受的值。

電氣安裝保護系統包括：

• 一個或多個SPD，具體取決於建築物的配置；
• 等電位聯結：裸露的導電部件的金屬網。

執行

保護建築物的電氣和電子系統的步驟如下。

搜索信息

• 確定所有敏感負載及其在建築物中的位置。
• 確定電氣和電子系統及其進入建築物的相應入口點。
• 檢查建築物或附近是否有防雷系統。
• 熟悉適用於建築物位置的規定。
• 根據地理位置，電源類型，雷擊密度等評估雷擊的風險。

解決方案實施

• 用網格將接合導體安裝在框架上。
• 在LV傳入交換機中安裝SPD。
• 在敏感設備附近的每個子配電板上安裝一個附加的SPD（請參閱圖J16）。

圖J16 –大型電氣裝置的保護示例

電湧保護器（SPD）

電湧保護設備（SPD）用於電源網絡，電話網絡以及通信和自動控制總線。

電湧保護設備（SPD）是電氣安裝保護系統的組成部分。

該設備並聯在其必須保護的負載的電源電路上（見圖J17）。 它也可以在電源網絡的所有級別上使用。

這是最常用和最有效的過電壓保護類型。

圖J17 –並聯保護系統的原理

並聯的SPD具有高阻抗。 一旦系統中出現瞬態過壓，設備的阻抗就會降低，因此浪湧電流將通過SPD繞過敏感設備。

原則

SPD旨在限制來自大氣的瞬態過電壓並將電流波轉移到大地，以便將該過電壓的幅度限制為對電氣安裝，電氣開關設備和控制設備無害的值。

SPD消除了過電壓

• 在共模下，在相線和中線或地線之間；
• 在差動模式下，在相線和零線之間。

如果過電壓超過工作閾值，則浪湧保護器

• 以共模方式將能量傳導到地球；
• 以差分模式將能量分配給其他帶電導體。

三種類型的SPD

鍵入1 SPD
在服務行業和工業建築的特定情況下，建議使用1型SPD，並由防雷系統或網狀籠子保護。
它可以防止電氣設備遭受直接雷擊。 它可以釋放雷電從接地導體傳播到網絡導體的反向電流。
1型SPD的特徵是10/350 µs的電流波。

鍵入2 SPD
2型SPD是所有低壓電氣裝置的主要保護系統。 它安裝在每個電氣配電盤中，可防止過電壓在電氣設備中擴散並保護負載。
2型SPD的特徵是電流波形為8/20 µs。

鍵入3 SPD
這些浪湧保護器的放電容量低。 因此，必須強制將它們安裝為2型SPD的補充，並安裝在敏感負載附近。
3型浪湧保護器的特徵在於電壓波（1.2 / 50μs）和電流波（8/20μs）的組合。

SPD規範定義

圖J18 – SPD標准定義

注1：存在T1 + T2 SPD（或1 + 2 SPD），結合了針對直接和間接雷擊的負載保護。

注2：某些T2 SPD也可以聲明為T3

SPD的特徵

國際標準IEC 61643-11版本1.0（03/2011）定義了連接到低壓配電系統的SPD的特性和測試（請參見圖J19）。

綠色，表示SPD的保證工作範圍。
圖J19 –帶壓敏電阻的SPD的時間/電流特性

共同特徵

• U_C：最大連續工作電壓。 這是交流或直流電壓，高於此電壓時SPD變為活動狀態。 該值是根據額定電壓和系統接地佈置選擇的。
• U_P：電壓保護等級（在I_n）。 這是激活時SPD端子兩端的最大電壓。 當在SPD中流動的電流等於In時，達到此電壓。 選擇的電壓保護等級必須低於負載的過電壓承受能力。 如果發生雷擊，浪湧保護器端子上的電壓通常保持小於U_P.
• In：標稱放電電流。 這是SPD能夠放電至少8次的20/19 µs波形電流的峰值。

為什麼重要？
In對應於SPD至少可以承受19倍的標稱放電電流：In值越高，則SPD的壽命越長，因此強烈建議選擇比最小施加值5 kA高的值。

鍵入1 SPD

• I_IMP：脈衝電流。 這是SPD能夠放電至少一次的10/350 µs波形電流的峰值。

我為什麼_IMP 重要？
IEC 62305標準要求三相繫統的每極最大脈衝電流值為25 kA。 這意味著對於3P + N網絡，SPD應該能夠承受來自接地的總最大衝擊電流100kA。

• I_fi：自動熄滅跟隨電流。 僅適用於火花隙技術。 這是SPD閃絡後能夠自行中斷的電流（50 Hz）。 在安裝時，該電流必須始終大於預期的短路電流。

鍵入2 SPD

• Imax：最大放電電流。 這是SPD能夠放電一次的8/20 µs波形電流的峰值。

為什麼Imax重要？
如果比較2個具有相同In但Imax不同的SPD：具有Imax值較高的SPD具有較高的“安全裕度”，並且可以承受較高的浪湧電流而不會受到損壞。

鍵入3 SPD

• U_OC：在III類（3類）測試中施加的開路電壓。

主要應用

• 低壓SPD。 從技術和使用的角度來看，此術語指定了非常不同的設備。 低壓SPD採用模塊化設計，可輕鬆安裝在LV配電盤內部。 也有適用於電源插座的SPD，但這些設備的放電容量低。

• 通信網絡的SPD。 這些設備可保護電話網絡，交換網絡和自動控製網絡（總線）免受外部（雷電）和電源網絡內部的過電壓（污染設備，開關設備操作等）的影響。 這樣的SPD也可以安裝在RJ11，RJ45等連接器中，也可以集成到負載中。

筆記

1. 根據MOV（壓敏電阻），針對SPD的標準IEC 61643-11的測試順序。 我總共有19次沖動_n:

• 一種積極的衝動
• 一種消極的衝動
• 在15 Hz電壓下每30°同步50個脈衝
• 一種積極的衝動
• 一種消極的衝動

2. 對於1型SPD，在I處經過15次脈衝後_n （請參閱以前的註釋）：

• 一沖0.1 x I_IMP
• 一沖0.25 x I_IMP
• 一沖0.5 x I_IMP
• 一沖0.75 x I_IMP
• 一時衝動我_IMP

電氣安裝保護系統的設計
電氣安裝保護系統的設計規則

為了保護建築物中的電氣安裝，適用以下簡單規則：

• 浪湧保護器;
• 它的保護系統。

對於配電系統，用於定義防雷系統並選擇浪湧保護器以保護建築物中的電氣安裝的主要特徵是：

• SPD
• SPD數量
• 類型
• 定義SPD的最大放電電流Imax的暴露水平。
• 短路保護裝置
• 最大放電電流Imax；
• 安裝點的短路電流Isc。

下面的圖J20中的邏輯圖說明了此設計規則。

圖J20 –選擇保護系統的邏輯圖

選擇SPD的其他特性是為電氣安裝預先定義的。

• SPD中的極數；
• 電壓保護等級U_P;
• U_C：最大連續工作電壓。

電氣安裝保護系統的這一小節設計根據設備的特性，要保護的設備和環境更詳細地描述了選擇保護系統的標準。

保護系統的要素

SPD必須始終安裝在電氣安裝的起點。

SPD的位置和類型

在安裝開始時要安裝的SPD的類型取決於是否存在防雷系統。 如果建築物裝有防雷系統（按照IEC 62305），則應安裝1型SPD。

對於在安裝的引入端安裝的SPD，IEC 60364安裝標準為以下2個特徵規定了最小值：

• 額定放電電流I_n = 5 kA（8/20）µs；
• 電壓保護等級U_P（在我_n）<2.5 kV。

要安裝的其他SPD的數量取決於：

• 場地的大小以及安裝連接導體的難度。 在大型站點上，必須在每個子配電櫃的輸入端安裝SPD。
• 將要保護的敏感負載與輸入端保護設備分開的距離。 當負載位於距進線端保護裝置10米以上的位置時，有必要在敏感負載附近提供額外的精細保護。 波浪反射現像從10米開始增加，請參見雷電波的傳播
• 暴露的風險。 在非常暴露的位置的情況下，輸入端SPD既不能確保雷電流的高流量又不能確保足夠低的電壓保護水平。 特別地，類型1 SPD通常伴隨有類型2 SPD。

下表J21中的表格顯示了根據上述兩個因素設置的SPD的數量和類型。

圖J21 –實施SPD的4種情況

保護分佈式級別

SPD的幾種保護級別允許能量在多個SPD之間分配，如圖J22所示，其中為三種SPD提供了：

• 類型1：當建築物在安裝的入口端安裝了防雷系統時，會吸收大量能量；
• 類型2：吸收剩餘的過電壓；
• 類型3：必要時，對非常靠近負載的最敏感設備提供“精細”保護。

注意：類型1和2 SPD可以組合在單個SPD中
圖J22 –精細保護架構

根據安裝特性的SPD的共同特性
最大連續工作電壓Uc

根據系統接地佈置，最大連續工作電壓U_C SPD的最大值必須等於或大於圖J23中表中所示的值。

圖J23 – U的規定最小值_C 用於SPD，具體取決於系統接地佈置（基於IEC 534.2-60364-5標準的表53）

不適用：不適用
U：低壓系統的線間電壓
一種。 這些值與最壞情況下的故障條件有關，因此未考慮10％的容差。

根據系統接地佈置選擇最常見的UC值。
TT，TN：260、320、340、350 V
IT：440，460伏

電壓保護等級U_P （在我_n)

IEC 60364-4-44標準有助於根據要保護的負載選擇SPD的保護等級。 圖J24的表格顯示了每種設備的脈衝承受能力。

圖J24 –設備要求的額定脈衝電壓Uw（IEC 443.2-60364-4的表44）

一種。 符合IEC 60038：2009。
b。 該額定脈衝電壓施加在帶電導體和PE之間。
C。 在加拿大和美國，對於大於300 V的對地電壓，適用與該列中次高電壓相對應的額定衝擊電壓。
d。 對於IT系統以220-240 V的電壓運行，應使用230/400行，這是因為在一條線上的接地故障處的接地電壓。

圖J25 –設備的過電壓類別

	我屬於過電壓類別的設備，僅適用於在設備外部應用保護裝置的建築物的固定安裝中，以將瞬態過電壓限制在指定水平。 這樣的設備的例子是那些包含電子電路的設備，例如計算機，帶有電子程序的電器等。
	II類過電壓的設備適用於連接到固定的電氣設備，可提供電流消耗設備通常所需的正常可用性。 這樣的設備的例子是家用電器和類似的負載。
	III類過電壓設備可用於配電板下游（包括主配電板）的固定安裝中，從而具有很高的可用性。 此類設備的示例包括固定安裝中的配電板，斷路器，包括電纜，母線，接線盒，開關，插座的佈線系統）以及工業用途的設備和某些其他設備，例如帶有電纜的固定式電動機。與固定裝置的永久連接。
	IV類過電壓的設備適合在設備起點或附近使用，例如在主配電板的上游。 此類設備的示例包括電錶，初級過流保護設備和紋波控制單元。

“已安裝” U_P 應將性能與負載的衝擊承受能力進行比較。

SPD的電壓保護等級為U_P 這是固有的，即獨立於其安裝進行定義和測試。 在實踐中，對於U的選擇_P 為了達到SPD的性能，必須採取安全裕度以允許SPD安裝中固有的過電壓（請參見圖J26和電湧保護裝置的連接）。

圖J26 –已安裝的U_P

“已安裝”電壓保護等級U_P 在230/400 V電氣安裝中，通常用於保護敏感設備的電壓為2.5 kV（II類過電壓，見圖J27）。

注意：
如果輸入端SPD不能達到規定的電壓保護級別，或者如果敏感設備物品很遙遠（請參閱保護系統的元件#SPD的位置和類型SPD的位置和類型，則必須安裝附加的協調SPD才能達到所需的保護級別。

極數

• 根據系統的接地佈置，有必要提供一種SPD架構，以確保在共模（CM）和差模（DM）中提供保護。

圖J27 –根據系統接地佈置的保護需求

一種。 相線和中性線之間的保護可以包含在安裝位置的SPD中，也可以遠離要保護的設備
b。 如果中性分佈

注意：

共模過壓
保護的基本形式是在相線和PE（或PEN）導體之間以共模方式安裝SPD，無論使用哪種系統接地裝置。

差模過電壓
在TT和TN-S系統中，中性點的接地由於接地阻抗而導致不對稱，即使雷擊感應的過電壓是共模的，也會導致出現差模電壓。

2P，3P和4P SPD
（見圖J28）
這些適用於IT，TN-C，TN-CS系統。
它們僅提供針對共模過電壓的保護

圖J28 – 1P，2P，3P，4P SPD

1P + N，3P + N SPD
（見圖J29）
它們適用於TT和TN-S系統。
它們提供了針對共模和差模過電壓的保護

圖J29 – 1P + N，3P + N SPD

選擇1型SPD
脈衝電流Iimp

• 如果沒有關於要保護的建築物類型的國家法規或特定法規：根據IEC 12.5-10-350，每個分支的衝擊電流Iimp至少應為60364 kA（5/534 µs波）。
• 存在規定的地方：標準IEC 62305-2定義了4個級別：I，II，III和IV

圖J31中的表顯示了不同級別的I_IMP 在監管情況下。

圖J30 –平衡I的基本示例_IMP 三相繫統中的電流分配

圖J31 – I表_IMP 值取決於建築物的電壓保護等級（基於IEC / EN 62305-2）

自熄跟隨電流I_fi

此特性僅適用於採用火花隙技術的SPD。 自熄跟隨電流I_fi 必須始終大於預期的短路電流I_sc 在安裝時。

選擇2型SPD
最大放電電流Imax

最大放電電流Imax是根據相對於建築物位置的估計暴露水平定義的。
最大放電電流（Imax）的值通過風險分析確定（請參見圖J32中的表）。

圖J32 –根據暴露水平推薦的最大放電電流Imax

選擇外部短路保護裝置（SCPD）

保護裝置（熱和短路）必須與SPD配合使用，以確保可靠的運行，即
確保服務的連續性：

• 承受雷電流波
• 不會產生過多的殘留電壓。

確保有效保護各種類型的過電流：

• 壓敏電阻的熱失控導致過載；
• 低強度短路（阻抗）；
• 高強度短路。

SPD使用壽命即將結束時應避免的風險
由於老化

在由於老化而自然壽命終止的情況下，保護屬於熱保護類型。 帶壓敏電阻的SPD必須具有一個內部隔離開關，以禁用SPD。
注意：由於熱失控而導致的壽命終止與帶有氣體放電管或密封火花隙的SPD無關。

由於故障

由於短路故障而導致壽命終止的原因有：

• 超過最大放電容量。 此故障會導致嚴重的短路。
• 配電系統故障（中性/相轉換，中性斷開）。
• 壓敏電阻逐漸劣化。
  後兩個故障導致阻抗短路。
  必須保護設備免於因這些類型的故障而造成的損壞：上面定義的內部（熱）隔離開關沒有時間預熱，因此無法運行。
  應該安裝一種能夠消除短路的稱為“外部短路保護裝置（外部SCPD）”的特殊裝置。 它可以由斷路器或保險絲裝置實現。

外部SCPD的特徵

外部SCPD應與SPD協調。 它旨在滿足以下兩個約束：

耐雷電流

承受雷電流是SPD外部短路保護設備的基本特徵。
外部SCPD不得在In處連續受到15次沖擊電流時跳閘。

承受短路電流

• 分斷能力由安裝規則（IEC 60364標準）確定：
  外部SCPD的分斷能力應等於或大於安裝點的預期短路電流Isc（根據IEC 60364標準）。
• 防止短路的裝置
  特別是，阻抗短路會消耗大量能量，因此應盡快消除，以防止損壞設備和SPD。
  SPD及其外部SCPD之間的正確關聯必須由製造商提供。

外部SCPD的安裝模式
設備“串聯”

當由要保護的網絡的通用保護設備（例如，設備上游的連接斷路器）執行保護時，SCPD被描述為“串聯”（見圖J33）。

圖J33 – SCPD“串聯”

設備“並行”

當專門由與SPD相關的保護設備執行保護時，SCPD被描述為“並行”（見圖J34）。

• 如果該功能由斷路器執行，則外部SCPD被稱為“斷開斷路器”。
• 隔離斷路器可以集成在SPD中，也可以不集成在SPD中。

圖J34 – SCPD“並行”

注意：
對於帶有氣體放電管或封裝的火花隙的SPD，SCPD允許在使用後立即切斷電流。

保障保障

外部SCPD應與SPD協調，並由SPD製造商根據IEC 61643-11標準的建議進行測試和保證。 還應根據製造商的建議進行安裝。 例如，請參閱電SCPD + SPD協調表。

集成該設備後，自然會符合產品標準IEC 61643-11的保護。

圖J35 –帶有外部SCPD，非集成式（iC60N + iPRD 40r）和集成式（iQuick PRD 40r）的SPD

SCPD外部特徵摘要

有關這些特徵的詳細分析，請參見外部SCPD的詳細特徵部分。
圖J36中的表格舉例說明了根據各種外部SCPD類型的特性摘要。

圖J36 –根據外部SCPD的類型2 SPD的壽命終止保護的特性

外部SCPD的安裝模式	系列中	在平行下
		保險絲相關保護	斷路器保護相關	集成斷路器保護
設備電湧保護	=	=	=	=
	無論相關的外部SCPD種類如何，SPD都能令人滿意地保護設備
使用壽命終止時的安裝保護	-	=	+	+ +
	無法保證保護	製造商保證		全面保證
		不能很好地防止阻抗短路	完善的短路保護
使用壽命終結時的服務連續性	- -	+	+	+
	完整安裝已關閉	僅SPD電路被關閉
使用壽命終止時的維護	- -	=	+	+
	關閉所需的安裝	更換保險絲	立即重置

SPD與保護設備協調表

下表J37中的表格顯示了XXX Electric品牌的Type 1和2 SPD的隔離斷路器（外部SCPD）在所有短路電流水平下的配合情況。

電氣指示和保證的SPD及其斷開斷路器之間的配合可確保可靠的保護（承受雷電波，對阻抗短路電流的增強保護等）。

圖J37 – SPD及其斷開斷路器之間的協調表示例。 請始終參考製造商提供的最新表格。

與上游保護裝置配合

與過電流保護裝置配合使用
在電氣設備中，外部SCPD是與保護設備相同的設備：這使得可以將選擇性和級聯技術應用於保護計劃的技術和經濟優化。

與剩餘電流裝置配合
如果將SPD安裝在漏電保護裝置的下游，則該漏電保護裝置應為“ si”型或選擇性型，對脈衝電流至少3 kA（8/20μs電流）具有抗擾性。

安裝電湧保護器
電湧保護器的連接

SPD與負載的連接應盡可能短，以減小受保護設備端子上的電壓保護級別（已安裝）。

到網絡和接地端子的SPD連接的總長度不應超過50厘米。

保護設備的基本特徵之一是設備可以在其端子上承受的最大電壓保護級別（已安裝）。 因此，應選擇具有適合設備保護的電壓保護等級Up的SPD（見圖J38）。 連接導體的總長度為

L = L1 + L2 + L3。

對於高頻電流，此連接的每單位長度的阻抗約為1 µH / m。

因此，將倫茲定律應用於此連接：ΔU= L di / dt

歸一化的8/20 µs電流波，電流幅度為8 kA，因此會在每米電纜上產生1000 V的電壓上升。

ΔU= 1 x 10-6 x 8 x 103/8 x 10-6 = 1000 V

圖J38 – SPD L <50 cm的連接

結果，設備端子（U設備）上的電壓為：
U設備=上+ U1 + U2
如果L1 + L2 + L3 = 50 cm，並且波形為8/20 µs，振幅為8 kA，則設備端子兩端的電壓將為Up + 500V。

塑料外殼中的連接

下圖J39顯示瞭如何在塑料外殼中連接SPD。

圖J39 –塑料外殼中的連接示例

金屬外殼中的連接

對於在金屬外殼中的開關櫃組件，明智的做法是將SPD直接連接到金屬外殼，並使用該外殼作為保護導體（見圖J40）。
此佈置符合標準IEC 61439-2，並且組件製造商必須確保外殼的特性使其可以使用。

圖J40 –在金屬外殼中的連接示例

導體截面積

建議的最小導體橫截面考慮到：

• 提供的常規服務：在最大壓降（50厘米法則）下的雷電流流。
  注意：與50 Hz的應用不同，雷電是高頻現象，導體截面積的增加並不會大大降低其高頻阻抗。
• 導體承受的短路電流：在最大保護系統切斷時間期間，導體必須承受短路電流。
  IEC 60364建議在安裝輸入端的最小橫截面為：
• 4 mm2（Cu）用於連接2型SPD;
• 16 mm2（Cu）用於連接1型SPD（存在防雷系統）。

好的和不好的SPD安裝示例

圖J41 –好的和不好的SPD安裝示例

設備安裝設計應按照安裝規則進行：電纜長度應小於50厘米。

電湧保護器的佈線規則
1規則

首先要遵守的規則是，網絡（通過外部SCPD）與接地端子塊之間的SPD連接的長度不應超過50厘米。
圖J42顯示了SPD連接的兩種可能性。
圖J42 –帶有單獨或集成的外部SCPD的SPD

2規則

受保護的饋線的導體：

• 應連接至外部SCPD或SPD的端子；
• 應與污染的引入導體物理隔離。

它們位於SPD和SCPD終端的右側（請參見圖J43）。

圖J43 –受保護的饋線的連接在SPD端子的右側

3規則

饋線的相線，中性線和保護（PE）導線應彼此並排走線，以減小迴路表面（見圖J44）。

4規則

SPD的輸入導體應遠離受保護的輸出導體，以免被耦合污染（見圖J44）。

5規則

電纜應固定在外殼的金屬部件（如果有）上，以最小化框架迴路的表面，從而受益於針對EM干擾的屏蔽作用。

在所有情況下，必須檢查配電盤和機櫃的框架是否通過非常短的連接接地。

最後，如果使用屏蔽電纜，則應避免較長的電纜，因為它們會降低屏蔽效率（請參見圖J44）。

圖J44 –通過減少迴路表面和電氣外殼中的公共阻抗來改善EMC的示例

電湧保護應用實例

超市中的SPD應用示例

圖J46 –電信網絡

解決方案和原理圖

• 電湧放電器選擇指南使得可以確定設備輸入端的電湧放電器和相關的隔離斷路器的精確值。
• 作為敏感設備（U_IMP <1.5 kV）距離進來的保護裝置10m以上，必須將精細保護電湧放電器安裝在盡可能靠近負載的位置。
• 為了確保在寒冷的房間中提供更好的服務連續性：將使用“ si”型剩餘電流斷路器，以避免由於雷電波通過時地電位升高而造成的誤跳閘。
• 為防止大氣過電壓：1，在主配電板上安裝電湧放電器。 如圖2所示，在每個配電盤（1和2）中安裝一個精巧的電湧放電器，向距離電湧放電器10m以上的敏感設備供電。 3，在電信網絡上安裝一個電湧放電器，以保護所提供的設備，例如火警，調製解調器，電話，傳真。

佈線建議

• 確保建築物接地端子的等電位。
• 減少環形電源電纜的面積。

安裝建議

• 安裝電湧放電器，我_最大 = 40 kA（8/20 µs），以及一個iC60斷開斷路器，額定電流為40A。
• 安裝良好保護的避雷器，我_最大 = 8 kA（8/20 µs），並且相關的iC60隔離斷路器的額定電流為10 A

圖J46 –電信網絡

光伏應用浪湧保護器

出於各種原因，電氣設備中可能會發生過電壓。 原因可能是：

• 配電網由於雷擊或進行的任何工作。
• 雷擊（在附近或建築物和光伏裝置上，或在雷電導體上）。
• 閃電引起的電場變化。

像所有室外建築物一樣，光伏裝置也面臨雷擊的風險，雷擊風險因地區而異。 預防和逮捕系統和設備應到位。

等電位聯結保護

首先要採用的保護措施是介質（導體），以確保PV裝置的所有導電部件之間的等電位連接。

目的是將所有接地導體和金屬部件粘合在一起，從而在已安裝系統的所有點上產生相等的電勢。

通過電湧保護裝置（SPD）進行保護

SPD對於保護敏感的電氣設備（例如AC / DC逆變器，監視設備和PV模塊）以及由230 VAC配電網絡供電的其他敏感設備特別重要。 以下風險評估方法基於對臨界長度Lcrit的評估，並將其與L直流線路的累積長度進行比較。
如果L≥Lcrit，則需要SPD保護。
Lcrit取決於光伏設備的安裝類型，其計算方法如下表（圖J47）所示：

圖J47 – SPD DC選擇

L是以下各項的總和：

• 考慮到位於同一導管中的電纜長度僅計算一次，逆變器與接線盒之間的距離總和；以及
• 考慮到位於同一導管中的電纜的長度僅計算一次，因此接線盒與構成線串的光伏模塊的連接點之間的距離總和。

Ng是電弧的閃電密度（每平方公里的打擊次數）。

圖J48 – SPD選擇

SPD防護
活動地點	光伏組件或陣列盒		逆變器直流側	逆變器交流側		主板
	LDC			LAC		避雷針
標準	<10 m	> 10米		<10 m	> 10米	是	沒有
SPD類型	沒有必要	“ SPD 1” 類型2 [a]	“ SPD 2” 類型2 [a]	沒有必要	“ SPD 3” 類型2 [a]	“ SPD 4” 類型1 [a]	“ SPD 4” 如果Ng> 2和架空線，則輸入2.5

[一種]。 1 2 3 4未遵守EN 1的類型62305分隔距離。

安裝SPD

直流側SPD的數量和位置取決於太陽能電池板和逆變器之間電纜的長度。 如果長度小於10米，則應將SPD安裝在逆變器附近。 如果大於10米，則需要第二個SPD，並且應將其放在靠近太陽能電池板的盒子中，第一個SPD應當位於逆變器區域。

為了提高效率，連接到L + / L-網絡以及SPD接地端子排和接地母線之間的SPD連接電纜必須盡可能短-小於2.5米（d1 + d2 <50 cm）。

安全可靠的光伏發電

根據“發電機”部分和“轉換”部分之間的距離，可能有必要安裝兩個或更多個避雷器，以確保對兩個部分中的每一個進行保護。

圖J49 – SPD的位置

電湧保護技術補充

防雷標準

IEC 62305標準第1至4部分（NF EN 62305第1至4部分）對防雷系統的標准出版物IEC 61024（系列），IEC 61312（系列）和IEC 61663（系列）進行了重新組織和更新。

第1部分-一般原則

本部分介紹有關閃電及其特性的一般信息以及一般數據，並介紹其他文檔。

第2部分–風險管理

本部分介紹分析，從而可以計算結構的風險並確定各種保護方案，以實現技術和經濟上的優化。

第3部分–結構的物理損壞和生命危險

本部分介紹了針對直接雷擊的保護措施，包括雷電保護系統，引下線，接地線，等電勢以及具有等電勢連接的SPD（1類SPD）。

第4部分–結構內的電氣和電子系統

本部分描述了免受雷擊感應的保護措施，包括SPD的保護系統（類型2和3），電纜屏蔽，SPD的安裝規則等。

該系列標準由以下內容補充：

• 有關電湧保護產品定義的IEC 61643系列標準（請參閱SPD的組件）；
• 產品在低壓電氣裝置中的應用的IEC 60364-4和-5系列標準（請參閱SPD的壽命終止指示）。

SPD的組件

SPD主要包括（見圖J50）：

1. 一個或多個非線性組件：帶電部件（壓敏電阻，排氣管[GDT]等）；
2. 一個熱保護裝置（內部隔離開關），可在使用壽命結束時保護其免受熱失控（帶壓敏電阻的SPD）；
3. 指示SPD壽命終止的指示器； 某些SPD允許遠程報告此指示。
4. 提供短路保護的外部SCPD（此設備可以集成到SPD中）。

圖J50 – SPD圖

帶電部分的技術

有幾種技術可用於實現帶電部件。 它們各有優缺點：

• 齊納二極管；
• 氣體排放管（可控或不可控）；
• 壓敏電阻（氧化鋅壓敏電阻[ZOV]）。

下表顯示了3種常用技術的特徵和排列。

圖J51 –匯總性能表

元件	氣體放電管（GDT）	封裝的火花隙	氧化鋅壓敏電阻	GDT和壓敏電阻串聯	封裝的火花隙和壓敏電阻並聯
特徵：
操作模式	電壓切換	電壓切換	電壓限制	串聯電壓開關和限幅	並聯電壓切換和限制
工作曲線
應用	電信網 LV網絡 （與壓敏電阻相關）	LV網絡	LV網絡	LV網絡	LV網絡
SPD類型	輸入2	輸入1	1型或2型	類型1 +類型2	類型1 +類型2

SPD的壽命終止指示

壽命終止指示器與SPD的內部隔離開關和外部SCPD關聯，以通知用戶該設備不再受到大氣起源的過電壓保護。

當地指示

安裝代碼通常需要此功能。 壽命終止指示通過內部隔離開關和/或外部SCPD的指示器（發光或機械的）給出。

當通過保險絲裝置實現外部SCPD時，必須提供帶有撞針和裝有脫扣系統的底座的保險絲，以確保該功能。

集成式斷路器

機械指示器和控製手柄的位置允許自然的使用壽命指示。

本地指示和遠程報告

XXX Electric品牌的iQuick PRD SPD是“準備接線”類型，帶有集成的斷路器。

當地指示

iQuick PRD SPD（參見圖J53）配有本地機械狀態指示器：

• 機械指示器（紅色）和斷路器斷路器手柄的位置指示SPD的關閉；
• 每個墨盒上的（紅色）機械​​指示器指示墨盒壽命已盡。

圖J53 – XXX Electric品牌的iQuick PRD 3P + N SPD

遠程報告

（見圖J54）

iQuick PRD SPD裝有指示觸點，可以遠程報告以下內容：

• 墨盒壽命終止；
• 丟失的墨盒以及何時將其放回原位；
• 網絡故障（短路，中性線斷開，相/中性線反向）；
• 本地手動切換。

結果，對已安裝的SPD的運行狀況進行遠程監視可以確保這些處於待機狀態的保護設備始終處於運行狀態。

圖J54 –使用iQuick PRD SPD安裝指示燈

圖J55 –使用Smartlink遠程指示SPD狀態

使用壽命終止時的維護

當使用壽命終止指示器指示關閉時，必須更換SPD（或有問題的墨盒）。

對於iQuick PRD SPD，可簡化維護工作：

• 維護部門可以很容易地確定墨盒壽命（要更換）。
• 可以在完全安全的情況下更換墨盒，因為如果缺少墨盒，則安全裝置會禁止斷開斷路器的閉合。

外部SCPD的詳細特徵

承受電流

電流對外部SCPD的測試如下所示：

• 對於給定的額定值和技術（NH或圓柱型熔斷器），使用aM型熔斷器（電動機保護）的電流耐受性要好於使用gG型熔斷器（常規用途）。
• 對於給定的額定值，斷路器的電流耐受能力比保險絲的耐受能力更好。 下圖J56顯示了耐電壓波測試的結果：
• 為了保護為Imax = 20 kA定義的SPD，要選擇的外部SCPD是MCB 16 A或保險絲aM 63 A，請注意：在這種情況下，保險絲gG 63 A是不合適的。
• 為了保護為Imax = 40 kA定義的SPD，要選擇的外部SCPD是MCB 40 A或保險絲aM 125 A，

圖J56 – I的SCPD耐電壓波能力的比較_最大 = 20 kA，我_最大 = 40 千安

裝機電壓保護等級

一般來說：

• 斷路器兩端的電壓降高於保險絲裝置兩端的電壓降。 這是因為斷路器組件（熱和磁脫扣裝置）的阻抗高於保險絲的阻抗。

然而：

• 對於不超過10 kA的電流波，壓降之間的差異仍然很小（95％的情況）；
• 安裝的向上電壓保護級別還考慮了電纜阻抗。 如果使用保險絲技術（保護設備遠離SPD），則可能會很高；如果使用斷路器技術（斷路器靠近甚至集成到SPD中，則可能會降低）。

注意：已安裝的Up電壓保護級別是電壓降的總和：

• 在SPD中；
• 在外部SCPD中；
• 在設備佈線中

防止阻抗短路

阻抗短路會消耗大量能量，因此應盡快消除，以防止損壞設備和SPD。

圖J57比較了63 A aM M保險絲和25 A斷路器的保護系統的響應時間和能量限制。

這兩個保護系統具有相同的8/20 µs電流波形承受能力（分別為27 kA和30 kA）。

圖J57 –具有相同的8/20 µs電流波耐受能力的斷路器和熔斷器的時間/電流和能量限製曲線的比較

雷電波的傳播

電網是低頻的，因此電壓波的傳播相對於現象的頻率是瞬時的：在導體的任何一點，瞬時電壓都是相同的。

雷電波是一種高頻現象（幾百kHz到MHz）：

• 雷電波相對於現象的頻率以一定的速度沿著導體傳播。 結果，在任何給定時間，電壓在介質上的所有點上都不具有相同的值（見圖J58）。

圖J58 –雷電在導體中的傳播

• 介質的變化會產生波的傳播和/或反射現象，具體取決於：

1. 兩種介質之間的阻抗差；
2. 漸進波的頻率（在脈衝情況下上升時間的陡度）；
3. 介質的長度。

特別是在全反射的情況下，電壓值可能會翻倍。

示例：由SPD保護的情況

對施加在雷電波上的現象進行建模並在實驗室進行測試，結果表明，由30 m的電纜供電的負載在SP的上行電壓下受到SPD的保護，由於反射現象，該負載承受的最大電壓為2 x U_P （見圖J59）。 該電壓波不是高能的。

圖J59 –電纜末端的雷電波反射

糾正措施

在三個因素（阻抗，頻率，距離的差異）中，唯一可以真正控制的因素是SPD與要保護的負載之間的電纜長度。 該長度越大，反射越大。

通常，對於建築物中面臨的過電壓前沿，從10 m起反射現象就很明顯，而從30 m起，反射現象會使電壓翻倍（見圖J60）。

如果輸入端SPD與要保護的設備之間的電纜長度超過10 m，則必須安裝第二個SPD進行良好的保護。

圖J60 –電纜末端的最大電壓，取決於電纜到入射電壓前端的長度= 4kV / us

TT系統中的雷電流示例

無論哪種類型的系統接地佈置，都應安裝相與PE之間或相與PEN之間的共模SPD（見圖J61）。

用於塔架的中性點接地電阻R1的電阻低於用於安裝的接地電阻R2的電阻。

雷電流將通過電路ABCD通過最簡單的路徑流到大地。 它將串聯通過壓敏電阻V1和V2，從而導致差分電壓等於SPD的Up電壓的兩倍（U_P1+U_P2）在極端情況下，出現在設備入口處的A和C端子處。

圖J61 –僅通用保護

為了有效保護Ph和N之間的負載，必須降低差模電壓（A和C之間）。

因此，使用了另一種SPD架構（請參見圖J62）。

雷電流流過電路ABH，該電路的阻抗比電路ABCD的阻抗低，因為B和H之間使用的組件的阻抗為零（充滿氣體的火花隙）。 在這種情況下，差分電壓等於SPD的剩餘電壓（U_P2）。

圖J62 –公共和差動保護