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低壓系統中雷電流的分布-第一部分

日期:2013/05/10   來源:機電商報   作者:Dr.-lng. Peter Zahlmann/Josef
  摘要: 目前的DIN EN 62305-4(VDE 0185-305-4)標準采用防雷分區概念描述了建筑物內電氣和電子系統的基本保護原則。與2006年以前的標準相比,增加了一些重要的補充和細化描述,但無根本性的改變。作為通用的保護措施,除了接地和等電位連接外,還需在各孤立的邊界處進行電磁屏蔽、布線以及安裝能量協調型的SPD加以保護。

    目前的DIN EN 62305-4(VDE 0185-305-4)標準采用防雷分區概念描述了建筑物內電氣和電子系統的基本保護原則。與2006年以前的標準相比,增加了一些重要的補充和細化描述,但無根本性的改變。作為通用的保護措施,除了接地和等電位連接外,還需在各孤立的邊界處進行電磁屏蔽、布線以及安裝能量協調型的SPD加以保護。

針對不同損害源的防雷保護概念

能量協調型電涌保護器的一個重要的選擇原則是其對沖擊電流的泄放能力。因此,在防雷標準 DIN EN 62305 的資料性附錄D中新近收錄了與此有關的內容。此附錄中還提供了依據泄放能力進行SPD選擇的原則,以及通過評估威脅等級對SPD進行統計。在這里也應滿足常規要求,即:保護裝置的泄放能力應與安裝位置處的沖擊電流相符合。

依據DIN EN 62305-1 (VDE 0185-305-1 DIN EN 62305-4 (VDE 0185-305-4) 將害源分為不同的四種 (圖1)。對于某一特定建筑物,哪些損害源在選擇保護措施時應予以考慮,可按照DIN EN 62305-2 (VDE 0185-305-2)中的風險分析給出。在 DIN VDE 0100-443 (VDE 0100-443)中對于電氣設備是否采取防止電涌的保護措施,以及采取何種保護措施也有相關規范的描述。

對于電涌保護器防雷保護標準和安裝規定DIN VDE 0100-534 (VDE 0100-534)包含了關于損害源S2、S3、S4 以及直接雷擊電流下S1的明確說明,這使用戶能夠針對泄放電流輕松地選擇正確的電涌保護裝置(表1)。

                                   

圖1  依據 DIN EN 62305-4 (VDE0185-305-4)四種損害源 S1至S4

附錄:雷電流分布影響因素

在一個設備中測定雷電流的分布,并由此得出在直接雷擊下(S1I 級SPD的泄放能力,往往是很復雜的。若不經精確地計算,通常認為建筑物的接地系統及通過防雷-等電位連接的電涌保護器泄放的雷電流分別為總雷電流的50%。由此在DIN VDE 0100-534 (VDE 0100-534) 給出III 類防雷保護等級下I 級電涌保護器最低要求的泄放能力是12.5kA。這些簡化的方法 (圖2)成立的前提條件是:所涉及的建筑物的接地電阻與低壓系統的接地電阻大致相同。

然而,現實中,在受到直接雷擊的設備內有許多因素影響雷電流的分布,并由此而影響I 級電涌保護器的雷電流承載能力。有些影響因素已在 DIN EN 62305-1 (VDE 0185-305-1)的附錄E中列出。在 DIN V VDE V 0185-4 (VDE V0185-4)中 (該標準為 DIN EN 62305-4 (VDE0185-305-4)標準的前身,現已撤銷)還包括這些影響因素作用效果的內容,在IEC國際標準制定過程中,這些內容未被現行標準所采納。

因此,在2012年的 DIN EN 62305-4 (VDE 0185-305-4)第二版中首次發表了有關雷電流分布的附錄1。在該附錄中描述了在復雜的電氣系統中用計算機模擬的方法來輔助分析雷電流的分布。此外,附錄中還包含在特殊裝置,如光伏設備或高層建筑中雷電流的分布。其中展示了不同的安裝條件下在低壓設備中雷電流的分布以及電涌保護器的雷電流承載能力。DIN EN 62305-4 (VED 0185-305-4)的附錄1也是德國預備的IEC標準的基礎。其實,負責定期修訂防雷標準的TC81組已經著手制定第三版防雷保護標準。

風險等級

損害源S1

損害源S2 (感應電流)

損害源S3 (直接雷擊)

損害源S4(間接雷擊)

雷擊建筑物

雷擊建筑物附近大地

雷擊入戶服務設施

雷擊入戶服務設施附近大地

雷電流

波形:

10/130μs

I級SPD 

Iimp [kA]

感應雷電流

波形:

波形:

8/20μs

II級SPD

IN[kA]

波形:

10/130μs

I級SPD 

Iimp [kA]

波形:

8/20μs

II級SPD

IN[kA]

I

依據 DIN EN 62305-1 (VDE 0185-305-1)附錄E,最小值見VDE0100-534

II

III

a 在感應電流范圍內鋪設環形導線將影響預期的沖擊電流值。表E.2中的值用于短路、非屏蔽環形導線,以各種方式接入大型建筑設施  環形面積:50m2, 寬=5m,距外墻1m,在建筑物內無空間屏蔽,或LPS( KC=0.5)。對于環形導線及建筑物其它特征,應乘以因子kS1,kS2 kS3 (見 DIN EN 62305-2 (VDE 185-305-2))

b 環形導線的電感或電阻影響感應電流的波形。當環形導線的電阻可忽略不計時,感應波形可假設為10/350。當開關型防雷器安裝在環形感應回路中時,可認為是這種情況。

表1  根據雷電流泄放能力,電涌保護器的選擇

 

圖2 雷電流均勻分布模型, 與 DIN EN 62305-4 (VDE 0185-305-4)即將發布的附錄1相一致

不含計算機模擬仿真說明的內容

在附錄1的前言中關于此規范的應用范圍做了以下的闡述:“根據一些基本實例,本附錄給出了不同安裝條件下低壓設備中雷電流的分布,并由此得出安裝的電涌保護器雷電流承載能力的影響因素。通過應用并結合這些基本實例,此附錄使防雷保護系統的設計人員為復雜設備準確地給出實際的雷電流分布。”

然而,在擴充的安裝設備內利用計算機仿真模擬評估雷電流的分布,對此進行指導說明,這并不是本附錄的目的。這種計算要求相應的計算機模型及防雷保護概念的評估經驗。因此,在附錄中省略了與關仿真模型相關的詳細描述。對此感興趣的用戶,可通過提供的參考書目錄查看相應的出版物。

新附錄的內容

DIN EN 62305-4 (VDE 0185-305-4) 的新附錄1中包含了在S1(直接雷擊建筑物)和S3(直接雷擊入戶電源線)情況下,對建筑物及其入戶電源線中雷電流分布評估的進一步信息。特別是關于低壓系統中建筑物入口處流過I級電涌保護器雷電流有多大的問題,令人探究。此外,附錄中還回答了以下一些基本問題 (圖3):

在防雷保護標準第一部分中定義的雷電參數,對于低壓系統電涌保護器選擇,那些應予以考慮?

雷電流分布取決于哪些因素,從而決定了低壓系統所需防雷器的泄放能力?

在特殊安裝設備中如何使用計算機對雷電流分布進行精確地評估?

DIN EN62305 第4部分  附錄1

雷電流參數

首次正極性沖擊電流

(沖擊波:10/350μs)

首次負電極性沖擊電流

(沖擊波: 1/200μs)

后續沖擊電流

(沖擊波:0.25/100μs)

持續電流

(持續時間:0.5s)

影響雷電流分布的因素

電纜阻抗

供電網絡方式

變壓器阻抗

變壓器與用電設備接地阻抗之間的關系

并聯用電設備

其它導電供電系統的影響

災害源S1和災害源S3

在特殊建筑設施中雷電流的分布

外部安裝設備,隔離距離很小

高樓

具有防雷保護裝置、隔離距離不夠的光伏發電系統

露天安裝的光伏發電系統

發電廠

建筑物種的變壓器

圖3  DIN EN 62305-4 (VDE 0185-305-4附錄1 的主要內容

總結

有效的電涌保護的前提是在每個安裝地點針對相應的泄放能力選擇正確的電涌保護器。在低壓系統中什么因素影響雷電流的分布,并由此決定防雷器的負載能力,以及在特殊裝置中如何使用計算機精確計算雷電流的分布等,以上是此新附錄的主要內容。

在2012/10 ETZ出版物中展示這些專業技術內容。它提供了通過計算機仿真模擬評估雷電流分布的解決方案,并考察了在設備內不同雷擊事件下雷電流的分布以及不同參數對雷電流分布的影響。在DIN EN 62305-4 (VDE 0185-305-4)附錄去的第三部分和最后部分給出了在特殊設施中雷電流分布的信息,諸如,樓高、穿插鋼筋連接等。

 

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