线路中安装避雷器,各种保护设备为什么会跳闸?

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1、引言 雷雨天气时,安装了电源避雷器的供电线路中,线路保护设备时常出现跳闸现象,特别是地处空旷地带的供配电系统,更是频繁地跳闸,严重的有设备被雷电击穿损坏,给日常工作带来诸多不便。由于各种原因,避雷器前端串联的断路器也经常发生动作,使避雷器失去保护作用。因此,有人埋怨避雷器成了摆设,根本不起作用。

1、引言


雷雨天气时,安装了电源避雷器的供电线路中,线路保护设备时常出现跳闸现象,特别是地处空旷地带的供配电系统,更是频繁地跳闸,严重的有设备被雷电击穿损坏,给日常工作带来诸多不便。由于各种原因,避雷器前端串联的断路器也经常发生动作,使避雷器失去保护作用。因此,有人埋怨避雷器成了摆设,根本不起作用。


本文将从解释避雷器的在供电线路中的作用和断路器、漏电断路器的工作性质,结合实际笔者在工作中遇到的跳闸情况,分析安装了避雷器的线路中各种保护设备跳闸的原因。


2、各种保护器的工作原理


2.1避雷器在线路中的工作原理


电涌保护器俗称避雷器。低压配电线路中的避雷器主要由半导体元件和空气间隙组成,它们在实质上是一个限位开关,没有雷电波来的时候它两端处于开路状态,对电源和信号没有影响,当雷电波侵入并且超过某一定值时,它迅速成为通路状态,把电压箝制在一个安全范围内,把雷电流大部分泄放入地。当雷电流过后,避雷器又恢复高阻状态,保证后端设备安全正常地工作。


2.2断路器工作原理


微型断路器由操作机构、触点、保护装置(各种脱扣器)、灭弧系统等组成。其主触点是靠手动操作或电动合闸的。主触点闭合后,自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联,欠电压脱扣器的线圈和电源并联。


当电路发生短路或严重过载时,过电流脱扣器的衔铁吸合,使自由脱扣机构动作,主触点断开主电路。当电路欠电压时,欠电压脱扣器的衔铁释放,也使自由脱扣机构动作。


2.3漏电断路器工作原理


漏电断路器由零序电流互感器TAN、放大器A和压低断路器等三部分组成。设备正常工作时,电路三相电流对称,三相电流向量和为零,因此零序电流互感器的铁心中没有磁通,不动作。


当发生漏电和单相接地故障时,由于电路三相电流的向量和不为零,零序电流互感器的铁心中就有零序磁通,其二次侧就有电流,该电流经过放大器放大后,通入开关脱扣线圈,使低压断路器发生跳闸,切除故障电路,避免发生触电事故。


3、线路保护设备跳闸的原因


通过对线路中三种保护器工作原理的分析,我们可以总结出雷雨天气时,装有电源避雷器的线路中各种保护设备(含避雷器前端的保护设备)为什么跳闸的三个原因。


3.1当电源避雷器前端串联微型断路器时


为了防止电源避雷器失效时,接地短路故障电流损坏设备,保障人身安全,防雷工程应用中常常在电源SPD前端串联小型断路器作为SPD的前端保护装置。


电源避雷器的失效模式可以分为两类:开路失效模式和短路失效模式。


a开路失效模式:由于SPD本身的非线性元件形成或由与SPD串联的内部或外部保护设备与供电电源断路所形成,此时,供电电源的连续性在SPD失效的情况下被保证,(见图一)


b短路失效模式:由于SPD本身引起或由一附加设备引起,那么电源供电将由于系统的后被保护而中断。此时,供电系统受到保护,但是系统不再供电,(见图二

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PD为电涌保护器的过流保护装置;避雷器为电涌保护器;E/I为被电涌保护器保护的电气装置或设备。


因此,优先保证供电的连续性还是优先保证过电压保护的连续性,这取决于电源避雷器失效时,断开电源避雷器的前端保护装置所安装的位置。


开路失效模式下,当通过避雷器的过电流持续时间过长,即在微秒级时间内电源避雷器还无法将雷电流全部泄放入地时,串联在电源避雷器前端的保护设备会判断为过流或短路故障,从而发生动作。此时,虽然保证了供电的连续性,但再发生过电压时,无论是电气装置或是设备均得不到保护,而再次出现持续的过电流会使供电线路中的断路器,特别是安装在总配电处的断路器会在过压的状态下发生动作,导致系统供电中断。


短路失效模式下:这种失效模式中,串联在电源避雷器前端的保护设备会在判断为过流或短路故障时使供电线路中的断路器直接动作。


在上述两种失效模式中,如果电源避雷器前端的保护设备选择的参数与避雷器的相关参数不一致时也会发生供电线路断路器的动作,特别是避雷器前端的保护设备更容易发生动作,从而使避雷器的保护效能和供电的连续性降低。


当然,我们是不希望供电中断这种情况发生的,因此,在防雷工程中常常采用开路失效模式的接线法。


除避雷器的失效模式外,避雷器的安装工艺、安装位置也会影响到雷雨天气时线路供电的连续性。


a如避雷器两端引线过长,雷电流通过时会导致避雷器两端残压过高。而处于过压状态的避雷器前端保护设备会动作,使线路失去保护。如果无法及时恢复避雷器前端保护设备的状态时,将会使线路上的断路器动作,可能会将被保护的设备遭到破坏,而供电的连续性也得不到保障。


b对于雷电流能量最大的一级保护,理论上避雷器(B级)应尽量安装在总进线空气开关(断路器)前端,如果安装不方便,也可安装在空开后端。但是,如果进线前端有双电源切换装置时,必须安装在双电源切换装置的前端,从而使切换装置得到保护(现在的双电源切换装置多为机械型和电子控制型、有的还有232485控制装置和24V消防电源,雷电流一旦通过,极易发生损坏)。此种安装方式,在雷电流通过总空气开关前直接通过前端并联的避雷器将其泄放入地,减小了空气开关的跳闸概率。


因此,合理地选择避雷器的安装模式、安装工艺和前端保护设备的参数,将有效地减少雷雨天气时断路器跳闸的次数。


3.2当线路中有漏电断路器时


在各低压电气系统中,避免触电危险的保护措施是必要的。这种保护措施可以分为以下两种:


a防直接接触保护:即导体的带电部分必须绝缘、覆盖、包起来或以杜绝接触和电击的方式布置。


b间接接触情况下的保护:在电气系统出现故障时,金属外壳有意外带电的可能性,这种危险必须得到防护。


通常,最大允许长久接触电压UL为交流50V和直流120V,更高的接触电压必须在5s内自动断开(特殊情况下在0.2以内)。


由于人身保护措施是最优先的,其他所有的保护措施如雷电和电涌保护,必须隶属于间接接触保护措施,而且不能因为保护设备而使人身保护措施失效。因此,为防止间接接触事故的发生,通常在电源线路中加装保护器,如TN系统,安装过流保护器和漏电保护器做为防止间接接触保护的措施。


但是,由于避雷器存在失效问题,且避雷器始终连向保护导体,所以在避雷器与漏电断路器同时存在时,会导致冲突。这种冲击常常表现为雷雨天气时,线路中的漏电断路器频繁地动作。


以TN-S制式为例,当电源避雷器装于漏电断路器的后端时(图),目的是实现间接接触情况下的保护。但是,在这种布置方式下,当避雷器将浪涌电流释放到PE线路时,可能会被上游的漏电断路器解释成为漏电流。


所以漏电断路器会试图切断有关电路,以达到间接接触的保护措施。这就是为什么在雷雨天气时,电源线路上的漏电断路器发生跳闸而导致线路断电的原因。此时供电系统断电,从用户供电安全的角度来看,漏电断路器的误跳是不希望发生的,应该避免。


解决的办法是将避雷器安装在漏电断路器的上游,即前端(图四)。这样泄放的浪涌电流不再经过漏电断路器,也就不会被解释成剩余电流。这样就避免了漏电断路器的误跳,使电气设备用电的不间断性得到保障。如图

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将电源避雷器安装于漏电断路器的上游还有另外一个原因。目前, 大多数B级、C级、D级电源避雷器采用的保护模式为共模保护,即避雷器安装于每一相线、零线与地线之间。这种情况下,当电气设备,包括避雷器出现过载时,可能由于某种原因引起短路。当避雷器安装在漏电断路器的下游时,这种短路避雷器成为漏电断路器动作的罪魁祸首。


由于有1P的避雷器处于零线和地线之间,在漏电断路器的下游提供了零线和地线连接的纽带。而在此时,如果设备发生漏电或人体触电,此时产生的电流不会被清楚地辨认为漏电流,结果是漏电断路器可能不动作,从而造成电气事故,更严重的后果是威胁到人身的安全,虽然这样可能性极小,但仍然不能排除。在以人为本的当今社会,任何安全的考虑都是以人身安全为第一位去考虑的。


因此,对于共模保护,电源避雷器应接在漏电保护器的上游,此时,漏电保护器本身也得到保护。而当避雷器安装于漏电断路器的上游时,一旦发生设备漏电或人身触电,漏电断路器会清晰地辨认,使漏电断路器及时、安全地断开电路。


对于D级保护,即细保护,如果采用了如图所示的保护时,可以安装在漏电断路器的下游。此时,浪涌避雷器泄放的浪涌电流是如此之小以至于不被漏电断路器认为是漏电流。类似结构的避雷器有菲尼克斯的PT系列。

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既然我们不希望漏电断路器的误跳,因此,漏电断路器必须能承受一定幅值的雷电流,即漏电断路器应该有这样的质量:能够安全地承载通过雷电流避雷器泄放的浪涌电流,并且在这样的浪涌电流强度下不误跳。这就要求,漏电断路器应具有不小于3kA8/20μs)的电涌电流的抗干扰能力。


因此,在有漏电断路器的线路中,根据不同配电制式合理地选择避雷器的安装位置,将有效地减少雷雨天气时漏电断路器跳闸的次数。


3.3当B级电源避雷器为间隙型时


对于一些强电流暴露环境,位于LPZ0区与LPZ1区交界处的B级保护常常采用通流量大残压低和使用寿命长的火花间隙电源避雷器。但是这种避雷器有一个弱点,就是在雷电干扰衰减后,会产生50Hz的工频续流,它必须安全地熄灭,否则会形成短路,并且可以和雷电流避雷器安装处的预期短路电流一样大,导致前一级断路器动作。即如果预期短路电流超过了避雷器的工频续流能力,其前端保护设备必须动作,以此来切断工频续流,同时,下端设备的供电中断。事实上,线路中的任何断路器在雷电波(10/350μs)冲击下,在大多数情况下都会导致断路器动作,即便断路器的通断能力很大,但是在长波形、高幅值的雷电流的冲击下同样会动作。


在雷电流通过火花间隙避雷器时,由于火花间隙会产生欠压,使线路上的设备承受瞬间低压。此时,由于断路器的欠压功能,同样会导致断路器动作,从而保护后端的用电设备。


当B级火花间隙避雷器与C级氧化锌压敏电阻避雷器之间的距离很远时(如几百米),则在该长线距离中会产生二次浪涌电压。此电压会导致B级保护中的火花间隙放电,这种动作在涉及中要给予考虑,否则当工频续流堆积时供电的连续性就会受到威胁,即线路中的保护设备可能发生跳闸。


4、结论


综上所述,线路中的断路器或者避雷器前端的保护设备在雷雨天气时跳闸,有多种原因造成。对于防雷工程人员来讲,首先要从避雷器的选择和安装入手,严格按照规范和产品的安装说明安装避雷器,最大限度地保证在雷雨天气时,避雷器前端的保护设备首先不动作;其次要保证供电线路当中的断路器、漏电断路器不动作。这些保证都是为了供电的连续性和终端设备得到保护,这是我们安装电源避雷器的最终目的。


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  • awertg
    awertg 2019年07月11日 08:35:45 2楼

    谢谢,楼主辛苦了。

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  • 自由在在的鱼
    自由在在的鱼 2019年07月12日 09:04:40 3楼

    学习了,谢谢楼主。。。

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  • mm12309
    mm12309 2019年07月13日 09:56:13 4楼

    谢谢 楼主

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