1、雷电防护技术及产品,王宏民13601094782,ABB Lightning Protection Group,直击雷防护产品OPR的研发和生产电涌保护器OVR系列产品的研发与生产,2001年6月ABB Lightning Protection group成立，前身是创建于120年前的法国Soule防雷公司，在国际上具有相当规模的电涌保护器和提前放电避雷针的制造商和销售商，已成为ABB全球销售网络的防雷产品研发和生产中心。,过电压是电子设备产生故障和生产中断的主要原因，它可以由雷击、电网中的开关操作和相关干扰产生。,电子设备破损保守统计,过电压产生的后果,雷电是一种常见的自然现象，全球每天形成
2、44000个雷暴中心，发生800万次雷电，平均每秒放电100次。,人类是无法制止的雷电。人们力所能及预防和限制,雷电的侵入途径,雷电的侵入途径,直击雷雷直击于外部雷电保护系统或建筑物接地的外部传导部件雷直击架空线,直接对地耦合（地之间的电阻耦合）：当雷电电流在设备附近放电时，流过地面的雷电电流将导致接地电压增加和PE的电压能高达几千伏。,雷击在外部保护设备上会在由电线形成的闭环上产生过电压,电感耦合 雷击产生的磁场将在任何环形配线中导致过电压，在高空电线周围的雷击将在这些线上产生过电压,附近雷击,雷电的侵入途径,操作过电压,断路器的开/关 变压器、电机或电感、电阻突变皆可产生很快的电流变化(d
3、i/dt)和产生瞬时过电压。,雷电的侵入途径,SPD的2个功能:释放电涌电流 限制过电压(1.2kV).,SPD至少包含一个非线性元件 正常情况下，SPD对应用系统没有任何影响。它在线路中起开路作用和保持相与地之间的绝缘。当电涌发生时，SPD将瞬间（纳秒级）降低其阻抗，同时传导电涌电流。当电涌发生后，SPD恢复高阻抗和起开路作用。,雷电的术语,10/350 s波形模拟具有高电能的直接雷击8/20 s波形模拟间接或远程雷击，或者模拟开关操作,雷电的术语,Type 1(Class B)SPD用于处理雷电冲击电流的波形10/350s。一般推荐安装在高暴露的地方，例如：雷电保护系统保护的或架空线供电的
4、建筑物进线端。,Type 2(Class C)SPD测试波形8/20s时间比10/350s短，用于释放远处雷击或开关操作产生的低电能。一般建议安装在没有对直接雷击暴露的地方,雷电的术语,冲击电流Iimp：10/350s电流波形的最大值，用来描述Type1产品。Type1(class B)产品应该耐受10/350s电流波形5次增加的冲击(0.1 Iimp,0.25 Iimp,0.5 Iimp,0.75 Iimp,Iimp)。最大放电电流Imax：8/20s电流波形的最大值，用来描述Type2产品。Type 2(class C)产品应该耐受8/20s电流波形5次增加的冲击(0.1 Imax,0.2
5、5 Imax,0.5 Imax,0.75 Imax,Imax)。标称放电电流 In流通SPD（有一个8/20s电流波形）的电流峰值。根据IEC 61643-1 7.6.4 和 IEC 61643-12 5.5.2.1标准，Type 1(class B)和Type 2(class C)SPD应耐受15次8/20s波形冲击电流的幅值In。,雷电的术语,最大持续工作电压 Uc最大r.m.s(均方根值)或直流电压可持续供电SPD，它相当于SPD的额定电压。典型电网为 50Hz-230V（相-中性线），ABB开发了Un为255V或275V的产品。,暂态过电压 UT在一个指定时间tT内，SPD可耐受的最大
6、r.m.s.（均方根值）或暂时直流过电压（TOV）。当暂时过电压后，SPDs发生故障时，应该对人身、设备或设施没有危害。例如：对于230V的相-中性线TN电网，根据IEC 60 364-4-442标准，在5s 内，它应该比相与地之间的电压334V高。,雷电的术语,电压保护水平Up 是当释放冲击电流到地面时，由接线端子之间的电涌保护器给定的电压。它直接由变阻器和火花间隙产生，不可超过连接在下级设备的耐受电压值。,续流 If.If是指SPD电涌电流流过（过电压消失）之后，在电力系统供电电压作用下流过SPD的电流。火花间隙或气体放电管会产生续流（电弧），非线性电阻不会产生续流。如果电弧不被切断，此电
7、流将达到电力系统预期的短路电流Icc。续流切断能力Ifi(或额定断开续流值)在Uc下SPD切断的续流If值。SPD的Ifi 应该等于或大于安装点的预期短路电流(Icc),雷电的术语,雷电保护区域(LPZ)LPZ0A：本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流；电磁场强度没有衰减。LPZ0B：本区内的各物体不可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击，电磁场强度没有衰减。LPZ1：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导体的电流比LPZ0A和LPZ0B要小；电磁场强度可能衰减。Type I(Class B)SPDs 应该安装在LPZ OA 和 LPZ1 之间的界面处，阻止雷电冲击电流通
8、过线路进入。LPZ2：本区内流经各导体的电流比LPZ1更小，电磁场强度会进一步衰减。Type 2(Class C)SPDs安装在LPZ1和LPZ2之间的界面处，用于泄放剩余电涌电流和限制过电压。LPZ3：与LPZ2相比，装有灵敏设备的区域由振荡效应产生的过电压、电磁场强度和操作过电压被减少。,SPD的配置,SPD的配置,TN-S,SPD的配置,TN-C-S,SPD的配置,TT,SPD的配置,全部雷电流I的50%流入雷电保护系统的接地装置。剩余的50%雷电流Is分配于引入建筑物的各种外来导电物、电力线、通信线。,SPD的配置,SPD的配置,火花间隙和放电管,当没有过电压（无电流流过）时，它具有高
9、阻抗特性。当有过电压时，阻抗在100ns内迅速降到0.1-1。,SPD的技术,OVR T1 25 255,OVR T1 50 N,OVR T1 3N 25 255 TS,OVR T1+2 25 255 TS,SPD的技术,金属氧化物电阻器MOV的SPD无过电压时（泄漏电流将流通），具有高阻抗特性，但其高阻抗将随着过电压的增加而减少。当出现过电压时，MOV电阻（大于1M)将瞬间（几纳秒）降至1以下。,U(V),SPD的技术,OVR BT2型号速查表,OVR BT2性能特点,最大放电电流Imax为100kA/相电压保护水平Up1200V具有共模/差模保护具有老化过热保护具有内部隔离器具有报警显示插
10、入式结构（可选）远方报警功能（可选）集中监控模块数多达15块安全储备保护及显示适用于各种低压配电网络,单极和多极固定式OVR,固定式OVR内部电气结构图,OVR1N,OVR3N,N,L,N,L,1,2,3,差模保护模块,差模保护模块,共模保护模块,共模保护模块,单极和多极插拔式OVR BT2,OVR1N P,N,Ph,N,Ph,1,2,3,插拔式OVR BT2内部电气结构图,OVR3N P,MOV芯片,基座,热脱扣装置,模块壳体,安全储备保护（冗余保护）,指示窗口为白色：OVR处于正常工作状态。,2/3 指示窗口为红色：OVR处于后备工作状态,应尽快更换。在这种状态下，OVR防雷性能降低。,指
11、示窗口为红色：OVR处于失去状态，应立即更换。,试验检测：两个40kA阀片并联,通流容量6570kA。,当MOV模块温度升很高时,低温焊锡融化,热脱扣装置动作,信号孔获取信号时,白色片状机构动作,两个MOV模块,其中一个脱扣,两个MOV脱扣,国外品牌,国内品牌,匹配原理过电压作用于1点和2点（火花间隙没电流流过和非线性电阻基本上也没有电流流过：Ldi/dt差不多为零。）首先响应的SPD是具有最低电压保护水平Up的Type 2 SPD。电流流过Type2 SPD和在电感(电缆长度)两端产生电压降Ldi/dt。当U2+Ldi/dt达到Type1 SPD的点火电压（击穿电压）时，Type1 SPD动
12、作（电极间产生电弧）。大部分能量流过Type1 SPD。,SPD的技术,SPD的技术,共模保护可以和OVR T1 50 N联合使用以实现共差模保护,OVR T1+2 25-255 TS,火花间隙,MOV,SPD的技术,OVR T1/1+2性能特点,T1 T1+2 OVR电涌保护器预期寿命长和可靠性高,TOV(暂态过电压)耐受特性:SPD可以承受电网电压440V（5s）以内的任何波动，具有安全失效的模式,最高可承受1430V(200ms)的TOV(无明火，无生命危险),依据IEC61643-12的安装标准进行V形连接以简化接线形式,集成在SPD本体的TS遥信触点,领先的触发式火花间隙技术,OVR
13、 T1/1+2产品选型,低压架空进线或使用避雷针建筑应使用10/350s波形测试产品,依据GB50057-94(2000年版)，GB50343，IEC60364/GB16895.22,供电优先原则,保护优先原则,保护器件的安装位置,建议：一级SPD（OVRT1/1+2,OVR100、65）因性价比选取相应型号的熔丝 二、三级SPD（OVR40、15）选微断，S270、S260、S250S系列注：前端保护器件分断能力要根据安装点的短路电流计算进行相应调整,一般安装规定,外部保护元件的选用,OVR 的安装,TN-S系统 SPD 选用示例,RCD,L1,N,被保护设备,OVR1N-40或OVR1N-
14、40P,被保护设备,L1,L2,单相回路,三相回路,PE,OVR3N-40或OVR3N-40P,Uc据具体情况选定,OVR 的选型,OVR样本P9、P13中选取的防雷性能最佳选取图例,TT系统 SPD 选用示例,RCD,L1,N,被保护设备,OVR1N-40或OVR1N-40P,被保护设备,OVR3N-40或OVR3N-40P,RCD,L1,N,L2,L3,单相回路,三相回路,当OVR安装在RCD负荷侧,Uc据具体情况选定,Uc据具体情况选定,当OVR安装在RCD电源侧,必须选用 当OVR安装在RCD电源侧,必须选用 OVR1N-40P OVR3N-40P,OVR 的选型,OVR样本P9、P1
15、3中选取的防雷性能最佳选取图例,TN-C系统 SPD 选用示例,OVR 的选型,OVR样本P8、P12中选取的防雷性能最佳选取图例,IT系统 SPD 选用示例,被保护设备,被保护设备,2 OVR-40-440或2 OVR-40-440P,3 OVR-40-440或3 OVR40-440P,PE,PE,L1,N,L1,N,L2,L3,三相回路,单相回路,中性线引出时,OVR 的选型,OVR样本P8、P12中选取的防雷性能最佳选取图例,BACK,安装实例,OVR,OVR最短距离接地点,连接导线短而直,OVR 的选型,OPR（Optimized Pulse Rod）结构和原理 OPR保护范围的计算
16、OPR的选型及安装 市场竞争产品,OPR系列优化脉冲提前放电避雷针,OPR的工作原理,无雷电云时，大气中的电场强度E约为300V/m。有雷电云，云与地之间的电场强度E为10kV/m20kV/m时，OPR通过底部电极吸收空间电场的能量并将电荷储存在内部装置中。,电荷充电到一定程度时，通过其上部电极(d间隙击穿)放电，OPR上部和尖端周围形成强烈的离子层，提前产生一个向上发射的先导，使下行先导放电通道畸变。上行先导迅速向下行先导方向传播并捕获雷电，将雷电流经引下线导入大地，保护OPR下方的设施。,OPR系列优化脉冲提前放电避雷针,OPR的工作原理,实验表明：比普通避雷针更早地产生上行先导，启动时间
17、的抢先优势T，赋予了OPR更加有效的防雷保护空间,显著地提前放电时间T,OPR为无源系统，不需其它供电源支持，为非放射性元件的电子装置。,OPR系列优化脉冲提前放电避雷针,在同等的测试条件下，将OPR与普通针的放电时间进行比较，OPR启动上行先导时间与普通针的启动时间的差为提前放电时间T。T=TSR-TE.S.ETSR普通针的平均启动时间TE.S.E提前放电避雷针的平均启动时间,OPR系列优化脉冲提前放电避雷针,提前放电时间T,OPR,Meeting Point,Meeting Point,OPR系列优化脉冲提前放电避雷针,普通避雷针,OPR,普通避雷针,OPR,OPR比普通避雷针具有更强的雷
18、电捕获能力,OPR系列优化脉冲提前放电避雷针,OPR型号和结构,OPR系列优化脉冲提前放电避雷针,显著的提前放电时间T能量自给的独立脉冲系统相同高度下，OPR比普通避雷针保护范围更大落雷准确度高，减少了雷击于非避雷针体的概率免维护，无源、无需供电、无损耗元件安全可靠，无放射性元素、不锈钢材料、耐腐蚀能力强重量轻，荷载小，安装简便，造型美观 极强的抗风能力,OPR系列优化脉冲提前放电避雷针,性能特点,法国电气中心实验室测试,武汉高压研究所（WHVRI）权威测试，与普通避雷针的对比试验效果十分显著,OPR认证,OPR系列优化脉冲提前放电避雷针,WHVRI试验结论,ABB优化脉冲提前放电避雷针（OP
19、R30）比普通避雷针（Franklin）击穿时间短约50s,即T B约为50s。,OPR30 避雷针击穿时刻的峰值电压约比普通避雷针击穿时刻的平均峰值电压减小0.084MV，即VB=0.084MV。,OPR30避雷针经本次施加冲击电压击穿试验后，经测试试品内部装置工作正常。,OPR系列优化脉冲提前放电避雷针,OPR选型两个主要因素,二、保护半径Rp参考右图计算值,一、被保护物的重要程度及雷电风险评估“被保护物的重要程度”参见GB 50057第二章“建筑物防雷分类”及附录一“雷电风险评估”参见GB503432004附录A,OPR避雷针的选型,Rp：至针尖垂直距离h的平面的保护半径h：OPR针尖至
20、被保护物的垂直距离D:滚球半径,OPR保护范围的计算,Rp：至针尖垂直距离h的平面的保护半径h：OPR针尖至被保护物的垂直距离,注：安装高度要高于被保护2m,保护半径Rp由三个因素决定,1.实际测量的TOPR 30型 T=30sOPR 60型 T=60s2.根据建筑物防雷设计规范防雷等级或雷击危险评估计算出的保护等级、类，确定保护半径RP3.OPR针尖至被保护物的垂直距离h,保护半径Rp:,Rp=h(2D-h),Rp=(h(2D-h)+L(2D+L),OPR保护范围的计算,普通避雷针保护范围的滚球半径,IEC61024和GB50057-94标准规定，避雷针有效高度h 为避雷针针尖至被保护物的垂
21、直距离,GB50057-94规定，滚球半径D为：第类建筑物：30m第类建筑物：45m 第类建筑物：60m,OPR保护范围的计算,普通避雷针保护范围模拟,法国NFC17-102标准规定：有效高度h为OPR避雷针针尖至被保护物的垂直距离,B为闪击中心RP为水平面上的保护半径 D为滚球半径（击距）：第类建筑物：20m（GB50057-94规定D=30m）第类建筑物：45m 第类建筑物：60mL为OPR提前放电的抢先距离LVTV为平均先导传播速度(1m/s)T为提前放电时间,OPR保护范围的计算,提前放电避雷针保护范围模拟,保护范围的比较,相同高度时OPR比普通避雷针的保护半径更大，34倍,OPR 6
22、0型的提前放电时间为60微妙，以第类建筑物滚球半径60m,Rp 保护范围模拟,OPR安装指南,OPR安装于建筑物侧面时用212U型螺栓或侧面支架固定,OPR安装于建筑物屋面用法兰盘螺栓固定或拉线组固定,OPR安装指南,法兰盘固定时预留法兰盘安装尺寸图,OPR安装指南,安装高度要高于被保护2m,竞争产品,竞争产品,避雷针市场,综合建筑 工业、商用、民用建筑、科技馆、展览中心、度假村历史建筑 博物馆、风景区、历史名城、雕像信息产业 中心机房、GSM CDMA基站、小灵通基站、铁塔石油石化 输油管道、库区、加油站、中转站交通运输 桥梁、港口码头；高速公路的通信、监控、收费中心水利电力 通讯中心、水文观测站、变电站、发电厂、调度中心民用航空 航站楼、塔台、雷达站、导航台、油罐区、通讯机房金融保险 银行和保险的大中型计算机中心、证券公司广播电视 发射塔、转播台、发射机房国防安全 弹药库、通讯中心、营房、基地设施其他 体育场馆、高尔夫球场 大型娱乐设施,使用避雷针的行业和场所,
