供電系統電能質量受雷電的影響及其治理辦法
作者: www.tj-spd.cn


一、低壓供電系統的干擾的分析
1、區分幾種不同的干擾
影響低壓供電系統電能質量的因素主要來自于兩個方面：一是來自于供電系統上的裝置及用電設備，這些裝置在啟停、工作、故障等條件下，對與之連接的電網可能造成干擾，影響電能質量；另一種是來自于外部的干擾，雷電可以通過電磁感應或電阻耦合（直接流注）等方式，影響供電質量，甚至損壞電網中的裝置和用電設備。
如下圖所示，供電系統中的干擾形式可以按照對供電電壓的影響的強度和時間的不同，分為五種類型，分別是：電壓暫降或電壓短時中斷；諧波導致的快速和慢速電壓波動；臨時電壓升高；開關浪涌以及雷擊浪涌。后兩種之所以被稱之為浪涌，主要是由于這兩種干擾的持續時間很短，只有幾十至數百微秒，但是電壓峰值可以達到工作電壓的數倍至數十倍。
電網上的各類設備耐受沖擊過電壓的能力不同，但都有一定的限制范圍。沖擊過電壓的峰值超過這一范圍時，必然引起設備的損壞或者縮短其使用壽命。如上圖縱坐標所示，各類設備根據其過電壓耐受能力的不同分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四類設備，Ⅰ類設備的沖擊過電壓耐受值為1.5KV，例如電子信息設備或其它有特殊要求的設備；Ⅱ類設備的沖擊過電壓耐受值為2.5KV，包括一般的用電設備，例如家用電器等都是Ⅱ類設備；Ⅲ類設備的沖擊過電壓耐受值為4KV，例如配電箱、斷路器等都是此類；Ⅳ類設備的沖擊過電壓耐受值為6KV，包括電源處的設備如電氣計量儀表等。從坐標圖可以看出，低壓供電系統上的最大電壓峰值來自于浪涌過電壓。較高能量的浪涌過電壓常常使連接在電網上的負載完全損壞。
下面我們對供電網絡上的雷擊浪涌和開關浪涌進行具體的分析，以期明確解決的方法。
2、浪涌過電壓的成因
⑴ 雷電直擊建筑物造成雷擊浪涌
雷電擊中建筑物的外部避雷系統（避雷針、避雷帶）或擊中屋頂的接地的金屬構件，例如天線等，此時雷電流通過引下線泄放到大地。但是，并不是說建筑物內的設備就安全了，原因來自于阻抗。當雷電流通過時，引下線的阻抗以及接地電阻把整個接地裝置的電位抬升了起來，接地裝置的電位可以上升到數十千伏或者更高。因此雷電流不但通過該建筑物的接地裝置泄放入地，而且也會通過該建筑物附近的其它接地裝置泄放入地，例如附近其它建筑物的接地裝置、電力變壓器的接地裝置等，這被稱之為雷電流的分流。而雷電流流到附近其它接地裝置的通路就是那些與附近建筑物相連的電源線、通信線等。這一通路的建立是以破壞線路絕緣或損壞設備為代價的。
還有一種情況是雷電擊中低壓架空電纜，與雷電擊中建筑物類似，雷電流沿著電源線流動，有一部分雷電流沿著電源線進入建筑物，通過絕緣擊穿或損壞設備的方式進入建筑物的接地裝置。
雷擊浪涌的能量很高，直擊建筑物的雷電流值可以達到200KA（10/350）；通過架空線引入的雷電流值可以達到100KA（10/350）。
⑵ 開關浪涌
開關操作、開關電容性或電感性負載、短路跳閘等都能夠在電源線上產生浪涌過電壓，這種過電壓稱為開關浪涌。尤其是當生產線、照明系統或者電力變壓器關斷時，產生的開關浪涌有可能損壞附件的電氣設備。開關浪涌的電流值可達幾千安培（8/20）。
另外，雷擊時，在放電通道周圍產生高能磁場，這個磁場可以在電力線路上感應出較高的電壓脈沖，其電流值可達幾千安培（8/20），而且影響的區域可以延伸到距落雷點2km的范圍。由雷電感應產生的浪涌比雷擊浪涌能量低，所以也把雷電感應的浪涌與開關浪涌歸為一類。
通常，開關浪涌電壓值是2－3倍的額定工作電壓，而雷擊浪涌電壓值可以達到額定工作電壓的20倍，并且具有很高的能量。但是，浪涌過電壓對設備的損壞并不一定是立刻察覺到的。很多時候，當供電系統的雷擊浪涌或開關浪涌發生后，設備并不是馬上損壞，而是在繼續運行一段時間后才損壞，其損壞原因往往被簡單的歸為電子元器件的老化。因此有必要采取有效的方法減小供電系統上的浪涌威脅，提高電能質量。


二、低壓供電系統浪涌過電壓和電流的防護辦法
         從整體上來講，建筑物防護雷電直擊及其感應的保護裝置共有四大組成部分。一為雷擊保護系統，由接閃器、引下線組成，它的作用是安全接閃雷擊電流，傳送入地；二為接地系統，由接地體、接地連接線組成，它的作用是使雷電流消散入地；第三是等電位連接系統，由匯流排和連接電纜、建筑物內的金屬構件、設備殼體、機柜等連接組成的網絡，作用是保證該區域內共同的電位；第四是浪涌保護系統，浪涌保護系統由不同級別的浪涌保護器（防雷器）組成，作用是減小電源線、信息線路上的浪涌危害。
        對電源線上的雷擊浪涌和開關浪涌的保護措施就是建立浪涌保護系統。浪涌保護系統的建立原則是在防雷保護區之下的分級防護。以下就防雷保護分區和分級防護的具體問題分別作分析。
⑴ 防雷保護區
        防雷保護區的概念在IEC62305-4中有清晰的描述，這一概念的提出是基于逐漸減少浪涌的強度直到安全水平這樣一個防護思路。通過浪涌保護器的配置，使浪涌在到達終端設備前被減小到安全的范圍內。為了達到這一目的，建筑物的整個供電網絡被劃分在不同的防雷保護區中。
        如圖所示，建筑物外的供電電纜位于0區，建筑物內的供電線路位于1區，機房內的電源線路位于2區，而作為保護對象的設備機柜或機殼內的空間是3區，設備機柜內的供電線路就位于這一區域。浪涌保護器作為電源線與接地線之間的等電位連接，安裝在電源線穿過不同的分區的交界處。例如在0區到1區之間，1區到2區之間。對于不同類型的建筑物，劃分不同的防雷保護區的辦法可操作性強，并且能夠解決不同的線纜之間互相感應的問題，符合電磁兼容的要求，是比較經濟的做法。當然，防雷分區也不是劃分得越多越好，一般而言，分成3個保護區是最好的選擇。
⑵ 區分浪涌保護器的級別
        在確定好防雷保護分區后，需要分級安裝浪涌保護器。浪涌保護器的級別根據EN 61643-11分為三類，分別是一級、二級、三級浪涌保護器。三種級別的浪涌保護器的性能參數要求各不相同，安裝位置也不一樣。一級浪涌保護器安裝于電源線從0區到1區的交界處，二級浪涌保護器安裝于1區到2區，三級浪涌保護器安裝于2區到3區。不同級別的浪涌保護器不能混用，例如：即使一級浪涌保護器的保護水平<2.5kV，也不能作為二級浪涌保護器使用，因為一級浪涌保護器對電源線上的開關浪涌是無效的。同樣，不可以用二級浪涌保護器充當三級浪涌保護器，因為其電路結構和性能指標差異很大，第三級浪涌保護器主要用于限制開關浪涌，可以有效保護末端設備并延長其使用壽命。另外，在雷電災害比較嚴重場合，有的觀點認為應多增加浪涌保護器的級別，如采用四級防護等。實際上這樣的做法并不能產生明顯的效果。在雷電嚴重的場合，有必要增加的是一級浪涌保護器的通流量，使其不因過載或頻繁動作而損壞，從而提高整個浪涌保護系統的壽命和可靠性。