在有關(guān)低壓電源系統(tǒng)SPD的選用標(biāo)準(zhǔn)中,對第一級SPD要求采用IEC 61543-1規(guī)定的Ⅰ級試驗(yàn),而雷電流的分流基準(zhǔn)采取防雷系統(tǒng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級水平的雷電總電流。對此爭論很大。葉蜚譽(yù) 教授就這個(gè)問題談一些看法。
爭論的焦點(diǎn)在于Ⅰ級試驗(yàn)的電流波形(10/350μs)的波尾長度較傳統(tǒng)的試驗(yàn)電流波形(8/20μs)長得多,而且對避雷器/電涌保護(hù)器的放電電流要求較高壓避雷器的電流(標(biāo)稱放電電流通常為5,10kA,8/20μs)大得多。這兩方面與國內(nèi)外電力系統(tǒng)防雷和避雷器幾十年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不符,從概率上講也低得驚人。自然界是否有如此長的雷電流波形?分流到建筑物內(nèi)的第一級SPD有幾十kA之大嗎?
1 自然界是否有如此長的雷電流波形?
眾所周知,雷電流試驗(yàn)波形,并不是天上打下來的真正的那一次雷電流。雷電活動(dòng)有很大的分散性,因此任一種具體波形出現(xiàn)的概率幾乎是零(微分概率)。根據(jù)GB50057-94的附錄(引自 IEC 1312-1),首次雷擊電流的參量為:波形10/350μs,幅值Ⅰ對應(yīng)一類、二類、三類防雷建筑為200、150、100 kA,電荷量對應(yīng)為100、75、50庫。并注曰:因?yàn)槿侩姾闪縌s本質(zhì)部分包含在首次雷擊中,故所規(guī)定的值考慮合并了所有短時(shí)間雷擊的電荷量。這里Qs指雷閃中的電荷。這就是說,10/350μs波形是考慮了一次雷閃的全部電荷,也就是多個(gè)單次雷電流的合并,因此顯得波尾很長。從單個(gè)雷電流的波尾長度(半峰值)看,大于200μs的概率<5%,大于350μs的概率更小。按國外雷電觀測,70%的雷閃包括(沿同一先導(dǎo)通道)多次雷擊(2-20次,平均3-4次),每次雷擊一個(gè)主放電電流。這個(gè)現(xiàn)象可稱之為多重雷擊,已為國外研究者注意,對金屬氧化物避雷器在多次雷電流沖擊下的特性進(jìn)行了多年試驗(yàn)研究,因?yàn)橛行┍芾灼鞯膿p壞用短波形得不到解釋。如果從雷閃電荷的統(tǒng)計(jì)特性看,利用IEC1312所附雷電流參數(shù)概率曲線,考慮10%為正極性,90%為負(fù)極性,查閱正、負(fù)兩條雷閃電荷曲線,得到大于10、75、50庫相應(yīng)的累積概率為4.45%,10.25%(兩種極性綜合),說明多重雷擊是有一定可能性的。從我國運(yùn)行實(shí)際看,電信部門發(fā)現(xiàn)了標(biāo)稱放電電流40-60 kA(8/20μs)的低壓避雷器在雷擊下?lián)p壞,超出了電力部門避雷器常規(guī)標(biāo)稱放電電流10 kA(特別是20 kA),顯現(xiàn)了2-6重雷擊的蹤跡。
現(xiàn)在的問題是:是否可能常有17重雷擊之多的雷閃?我覺得可能將來考慮少一點(diǎn)的雷擊重?cái)?shù),例如5-6重,波尾100μs左右是比較妥當(dāng)?shù)?,形?-100μs波形。但是現(xiàn)在,有鑒于 IEC TC 81,TC64,TC37A等都采納了10/350μs波形,而我國還沒有提出波形問題的正式的、系統(tǒng)的意見,更沒有得到IEC受理我國的意見,我們在制訂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)只能先從原則上接受這種波形,但是在招行中更謹(jǐn)慎、更仔細(xì)地選擇各種情況的通流容量。
2 雷電流分流下來以后,避雷器是否會(huì)有很大的雷電流?
有些國外資料將最大的雷電流幅值200 kA、長波10/350μs、單相系統(tǒng)分流下來,要求每個(gè)模塊50-100 kA的通流容量,達(dá)到驚人的地步。其實(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)所列的分流原則,考慮接地裝置和各種接地管道分流,信號(hào)線、電源線分流,電源三相系統(tǒng)相線和中線的分流,以及變壓器中性點(diǎn)接地電阻的分流和線路屏蔽的阻塞/分流作用,到每個(gè)相的模塊不過幾個(gè)kA,即使是10/350μs波形,通流容量也大不到那里去。具體情況還要具體分析,考慮各種分流的有利因素,做到“精打細(xì)算”,盡量控制通流容量的要求。
3 10/350μs波形對避雷器選擇究竟有多大影響?
10/350μs波形只用于SPD的Ⅰ級試驗(yàn),而在Ⅰ級試驗(yàn),而在Ⅰ級試驗(yàn)中也不僅僅是10/350μs一種波形。Ⅰ級試驗(yàn)中首先是預(yù)備試驗(yàn),用8/20μs波形的標(biāo)稱放電電流沖擊15次,然后才將10/350μs電流迭加在工頻電壓之上,進(jìn)行動(dòng)作責(zé)務(wù)試驗(yàn),而且只要2次沖擊。這說明是一種極限通流試驗(yàn),反映的是小概率的雷擊情況-大電流、多重雷擊的情況。這種要求在高壓避雷器標(biāo)準(zhǔn)中也是有的。而標(biāo)稱放電電流就反映大概率的雷擊情況。標(biāo)稱放電電流小于通流容量,可承受多閃(15次)。在避雷器選擇中,極限放電電流和標(biāo)稱放電電流都要考慮,往往是極限放電電流控制了產(chǎn)品選擇。看似所選極限放電電流很大,其實(shí)標(biāo)稱放電電流不大。后者最多是前者的二分之一。
4 至于為什么用8/20μs檢驗(yàn)、標(biāo)稱放電電流不大的避雷器在電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn) 很滿意,是很值研究的問題,本人現(xiàn)在還不大清楚。但是我認(rèn)為要做深入分析,分析高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)各自的過電壓/電涌保護(hù)條件,不能簡單地做比較。例如高壓系統(tǒng)的避雷器是在變電站里,通常都有很長一段進(jìn)線保護(hù),站內(nèi)的接閃器多為獨(dú)立避雷針,使直擊—反擊幾無可能,而長線的波阻抗限制了避雷器的電流,避雷器正是這樣的選的。又例如裝在線路上的線路型避雷器,在確定其通流容量時(shí)考慮了架空線絕緣子、空氣間隙多處擊穿分流,結(jié)果流過避雷器的電流比較小。這些條件與建筑物防雷不同。此外,電力系統(tǒng)避雷器故障率的具體數(shù)據(jù)也不了解。建議進(jìn)一步研究分析。
5 在試驗(yàn)中,10/350μs波形是在沖擊電流發(fā)生器短路是調(diào)試的電流波形,實(shí)際到SPD接入回路電流波形很難保持不變,IEC 61643-1只要求在10ms內(nèi)電荷量滿足要求而不論波形如何了。這也說明10/350μs的電荷累積意義。
6 在分析低壓系統(tǒng)電涌保護(hù)問題時(shí),不能在任何情況下都用10/350μs波形。只有在級間能量配合時(shí)用長波10/350μs,而在過電壓分析時(shí)還應(yīng)采用8/20μs波形。