电涌保护器与漏电保护器配合使用问题的探讨

电涌保护器与漏电保护器配合使用问题的探讨——湖南中普防雷股份有限公司殷建军邓应辉匡宪伟摘要：低压配电系统中，电涌保护器与漏电保护器的使用越来越频繁，随之产生的问题也越来越突出。当雷雨天气来临时，许多带漏电保护功能的大小断路器经常出现跳闸现象，在加装了电涌保护器后，依然如此。因此很多人认为电涌保护器没起到作用，防雷厂家因此蒙受了许多不白之冤。本文主要通过借鉴前人的经验，从实验出发，结合各种理论知识，对电涌保护器与漏电保护器的基本结构及原理进行分析，寻求电涌保护器与漏电保护器配合使用的解决方案。关键词：电涌保护器、漏电保护器、打雷跳闸、电涌防护1、导言随着电力行业的不断发展，以及人们对用电安全的越来越重视，低压配电系统中相应的电路保护装置使用得越来越多，其中就包括电涌保护器与漏电保护器。相对于电涌保护器，漏电保护器的使用更为广泛。现在包括住宅或企事业单位等建筑物的配电箱内基本都安装了漏电保护器。随着漏电保护器的使用，由于雷电产生的一些问题也随之而来，在雷电来临时，很多漏电保护器纷纷跳闸，尤其是电源线采用架空引入的情况。而很多现场断电的影响是很大的，比如企业如果断电（尤其是重工企业），对其生产将造成重大影响；比如无人值守的基站，如果断电影响也比较大；即算是家庭，如果家人在外时断电，冰箱内的食品也将臭掉。于是，有些企业和无人值守的基站开始认识到防雷的重要性，对现场进行防雷改造，从接地到电涌保护器等全套防雷系统弄好后，很多情况下，由于设计防雷系统的公司对漏电保护器跳闸问题认识不到位，造成的结果是做了防雷后，遇到雷雨天气，漏电保护器依旧跳闸。本文将通过对电涌保护器和漏电保护器的原理结构进行分析，详细解释漏电保护器跳闸问题，并提出相应的解决方案建议。2、电涌保护器工作原理电涌保护器，也叫电涌保护器，是一种为各种电子设备、仪器仪表、通讯线路提供安全防护的电子装置。当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。电涌保护器一般分为电压开关型与限压型，电压开关型特征是：无电涌出现时为高阻抗，当出现电压电涌时突变为低阻抗。通常采用放电间隙、气体放电管等做电压开关型电涌保护器的组件。具有不连续的电压、电流特性。限压型特征是：无电涌出现时为高阻抗，随着电涌电流和电压的增加，阻抗连续变小。通常采用压敏电阻、抑制二极管做限压型电涌保护器组件。具有连续的电压、电流特性。实际应用中，放电间隙与压敏电阻在电涌保护器中应用得比较多。放电间隙与压敏电阻在冲击电压下的波形图如下：图1放电间隙的冲击放电电压波形图图2压敏电阻的冲击放电电压波形图从两种器件的冲击放电电压波形图可以看出，放电间隙在高电压击穿后，压降几乎为零；压敏电阻导通后，后端压降几乎维持在一个持续电压下。部分放电间隙设置了电子触发装置，其放电电压最低可以达到1KV。压敏电阻在通过模拟感应雷电流（8/20uS）时（图3），限制电压也基本在1KV以上（图4）。（图4）压敏电阻限制电压波形图3、漏电保护器工作原理漏电保护器，简称漏电开关，又叫漏电断路器，主要是用来在设备发生漏电故障时以及对有致命危险的人身触电保护，具有过载和短路保护功能，可用来保护线路或电动机的过载和短（图3）8/20μS模拟感应雷电流波路，亦可在正常情况下作为线路的不频繁转换启动之用。漏电保护器的动作电流一般为6-30MA，反应时间为0.1S以下。其原理图如下：（图4）漏电保护器电路原理图图中的CJ表示“电流互感器”，它是利用互感原理测量交流电流用的，所以叫“互感器”。由图可以看到，当电路工作正常时，由电流定理知道从互感器流进和流出的电流为0，继电器KM1回路不导通，线路有正常导通。当设备外壳漏电或有人接触时，这时就会有一部分电流经过人体流入地下，从而使互感器内电流总和为不0，当漏电电流达到漏电保护器的动作电流时，继电器KM1就会动作，从而关闭电源，从而达到漏电保护的目的。在漏电保护器的使用过程中，人们往往忽略了它的一个功能——过压保护。如图中所示，MOV为一个压敏电压为470V，直径为10mm的压敏电阻。当L与N之间有电涌涌入时，MOV将导通，该导通电流导致互感器内电流总和不为0，继电器KM1就会动作，从而关闭电源。这就是漏电保护器一打雷就跳闸的原因。4、电涌保护器与漏电保护器电涌保护功能的区别从漏电保护器的原理可以看出其具备过电压保护的功能，那么漏电保护器的防雷效果怎么样呢，它能否代替电涌保护器来保护设备呢？我们从以下几个方面来分析：a、对电涌的防护方式电涌保护器并联于线路与大地之间，在正常工作电压情况下，电涌保护器处于高阻状态，相当于线路对地开路，不影响线路正常工作。当线路由于雷电或开关操作出现瞬时脉冲过电压时，电涌保护器在纳秒级时间内迅速导通，将过电压短路到大地泄放，当脉冲过电压消失后，电涌保护器又自动恢复高阻状态，不影响用户供电；而漏电保护器是串接在电源线路中，当线路由于雷电或开关操作出现瞬时脉冲过电压时，漏电保护器在毫秒级的时间内断开电源线路。所以，电涌保护器在防护电涌时是将电涌泄放至大地且不会影响电源线路的供电；而漏电保护器是直接断开线路，其后端设备将停止供电，这对于一些重要且不能断电的设备影响较大。b、电涌防护的反应时间电涌保护器由于采用的保护器件（包括开关型与限压型）的反应时间均为纳秒级，因此电涌保护器的反应时间也为纳秒级。漏电保护器由于采用的是电磁继电器的机械脱离结构(图5)，其反应时间为毫秒级（100mS以下）。一般雷电电涌的波长为微妙级（8/20uS）,因此电涌保护器反应时间较快，可以有效的将电涌泄放；而漏电保护器的反应时间太长，对当次电涌无法进行有效防护，其作用只能是断开线路后，使后续的电涌无法涌入线路。c、保护模式的区别电涌保护模式主要分为共模与差模，共模指的是线（L、N）与地之间的保护，差模指的是线与线之间的保护。电涌保护器的保护模式一般包含共模与差模的全保护，而漏电保护器的压敏电阻并接在L与N之间（即差模），只有线路感应到差模过电压时，漏电保护器才会动作。而当线路感应到共模过电压时，漏电保护器可能无法动作。因此，电涌保护器的保护模式比漏电保护器更为全面。通过以上几条可以看出，漏电保护器所具备的过压保护功能相当有限，只能对电网持续过电压其保护作用，对雷电电涌等脉冲过电压起不到相应的保护，所以漏电保护器不能替代电涌保护器的作用。5、电涌保护器与漏电保护器使用过程中存在的问题GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》中对电涌保护器的安装位置没有要求安装在漏电保护器的电源侧还是负荷侧。只是针对不同的安装位置对电涌保护器的保护模式要求有区别（如图6、7），电涌保护器安装在漏电保护器的负荷侧时，要求电涌保护器采用L-PE、N-PE的保图5电磁式漏电保护结构与原理护模式；电涌保护器安装在漏电保护器的电源侧时，要求电涌保护器采用L-N、N-PE的保护模式。标准之所以这样要求主要是考虑到电涌保护器的安全使用，电涌保护器安装在漏电保护器的负荷侧时，如果L-PE间的SPD发生故障形成短路时，由于接地电阻的存在，电涌保护器前端的过流保护器可能无法断开，而RCD能够及时断开进行保护；而电涌保护器安装在漏电保护器的电源侧时，由于前端没有漏电保护器对故障短路电流进行保护，所以利用L-N之间没有接地电阻的影响，而采用L-N的保护模式，使得SPD前端的过流保护器能及时断开进行保护。RCD：漏电保护器4：电涌保护器6：被保护设备图6TT系统电涌保护器安装在进户处漏电保护器的负荷侧RCD：漏电保护器4、4a：电涌保护器6：被保护设备图7TT系统电涌保护器安装在进户处漏电保护器的电源侧以上分析可以看出，标准对电涌保护器与漏电保护器使用的要求主要考虑的是电涌保护器的安全使用，避免由于电涌保护器的故障引起短路等问题，这样电涌保护器和漏电保护器都能起到各自的作用。但是，标准并未考虑雷电电涌引起的漏电保护器跳闸问题。无论电涌保护器安装在漏电保护器的负荷侧还是电源侧，电涌保护器都无法阻止电涌引起的漏电保护器跳闸。笔者对漏电保护器进行过过压测试，L与N之间采用压敏电压为470V的压敏电阻的漏电保护器在线路持续电压超过420V时，脉冲电压超过700V时，漏电保护器都将跳闸。而大部分电涌保护器在承受雷电脉冲冲击后残余电压一般都在1000V以上，所以无论电涌保护器安装在漏电保护器的负荷侧还是电源侧，如果两者之间没有达到相当长的安装距离时，电涌保护器的残压都超过了漏电保护器的动作脉冲电压，无法避免漏电保护器跳闸。6、如何解决电涌引起的漏电保护器跳闸问题从以上分析，我们可以看出，漏电保护器的过电压保护功能属于鸡肋性质的功能，首先其持续电压需要达到420V才会动作，几乎达到了正常线路电压220V的两倍，在此电压下，估计很多电气设备早已损坏。其次，其对雷电电涌等脉冲过电压的保护，由于其机械式结构的反应时间过长，保护模式不够全面等原因，几乎起不到电涌保护的效果，反而由于其断开电源的防护方式，对后端设备的正常运行造成影响。实际上，一般漏电保护器在建筑物电气安装中基本上已成标配，比如：所有农村新安装的电表中都安装了带漏电保护的空开。因此，如何解决电涌引起的漏电保护器跳闸成为电涌保护器需要解决的问题，对此笔者提以下几天建议：a、电涌保护器安装在漏电保护器前端，且两者之间需要满足一定的安装距离或串联相应的电感量。由于大部分电涌保护器的限制电压（8/20uS冲击电流下）都在1KV以上，而漏电保护器的脉冲动作电压为700V左右，如果电涌保护器安装在漏电保护器的后端，当雷电电涌涌入时，漏电保护器肯定会动作。只有将电涌保护器安装在漏电保护器的前端，并保持一定的安装距离或串联相应的电感量，才有可能是漏电保护器在电涌涌入时不动作。其基本原理如下图所示（以限压型电涌保护器为例）：UiUtUoLNINOUTIinIBIC限压型电涌保护器漏电保护器内的压敏电阻图8电涌保护器与漏电保护器电涌保护电路图Iin:电涌电流IB:电涌保护器流过电涌电流IC:漏电保护器流过电涌电流Ui：电涌保护器两端残压（即输入端残压）Ut:线感两端电压Uo：漏电保护器两端电压（即输出端残压）根据电路原理：Ui=Ut+Uo=L×dic/dt其中Ui=1.5KV（注：以1.5KV为例）；Ut=0.7KV；IC=500A（注：470V压敏电阻两端电压为700V时，对应电流约为500A）；t=8μS（感应雷电流波形为8/20μS）经过计算可得：L=12.8μH通过以上分析可以得出，当电涌保护器的限制电压为1.5KV时，它与后端漏电保护器之间的线路电感量需达到12.8μH，大约是10米线的电感量。若电涌保护器的限制电压为2.5KV时，它与后端漏电保护器之间的线路电感量需达到32.8μH，大约是25米线的电感量。b、降低电涌保护器的限制电压。目前，市场上出现的电涌保护器限制电压（8/20uS冲击电流下）大部分都在1KV以上，如果能够将电涌保护器的限制电压控制在700V以内，就可以解决电涌引起的漏电保护器跳闸问题。这样的话，电涌保护器安装在漏电保护器的电源侧或负荷侧附近都不会因为电涌导致漏电保护器跳闸。但是，这种产品还有待电涌保护器生产厂家进一步研究开发。c、尽量减少差模过电压的产生。电涌引起漏电保护器跳闸主要是由于L与N之间的差模过电压使得漏电保护器内的压敏电阻导通引起的。而差模过电压的产生时由于L与N线之间的空隙在雷电泄放时感应到的，所以想要从源头上减少差模过电压的产生，需要尽量减小L与N之间的间隙。L线与N线全程铺设中都可以采用并行铺设，入户时尽量采用穿屏蔽管埋地进入，避免架空引入。7、总结随着漏电保护器的大量使用，由雷电电涌引起的漏电保护器跳闸问题也越来越多。本文通过对漏电保护器与电涌保护器原理及其配合使用的分析，解释了漏电保护器跳闸的原因，并提出了相应的解决方法建议。希望随着人们对电涌的认识的逐步深入，漏电保护器和电涌保护器厂家能够最终完全解决该问题。参考文献：1、GB50057-2010（2010年版）《建筑物防雷设计规