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建筑物电气系统的电涌保护

时间:2023-03-05作者:admin点击:1951次

建筑物电气系统的电涌保护(IEC 60364DIN VDE0100)

IEC/TC 64 给出了建筑物电涌保护的详细处理方法。在该出版物的第44章中给出了相应的国际标准IEC 60364。在(德国)国家标准系列 DIN VDE 0100 中的相关章节来自第 440部分。

IEC/TC 64 的第 44 章分为:

44 电涌情况下的保护

44 概论

442 高电压系统接地故障情况下的低电压系统保护

443 大气过电压保护

444节建筑物系统中的电磁干扰的防护

4.2.1  IEC 60364-4-443/DIN VDE 0100 443 部分

现行 IEC 60364-4-443(1995-04文本)出版物364:建筑物电气装置;4部分:安全防护;44:过电压保护; 443 :大气过电压保护 DIN VDE 0100443 部分有如下陈述:

提出这些标准要求是为了说明限制瞬态过电压的措施,目的是将系统及其所连接的设备的故障风险降低到可接受的程度,其程序与IEC 664 出版物中低电压系统和设备的绝缘配合中的绝缘配合原则相一致。

建立过电压类别的目的是为了区分设备可用率的高低。设备的可用率是随需求变化的,而需求与设备运行的连续性以及故障、损坏和失效风险的可接受程度有关。设备具有适当的抗电涌水平,整个系统才能实现恰当的绝缘配合,恰当的绝缘配合能将故障/失效的风险降低到可接受的水平/限值。这是电涌保护规则的基础。

过电压类别越高表示设备固有的抗电涌能力越强,同时也意味着有更多的电涌控制/保护方法可供选择。

在上述标准中,定义了雷电环境条件 AQ1 AQ3,浪涌避雷器的应用取决于这些环境条件。关于雷电效应的分类如下:

·AQ3:雷电的直接效应(参考 IEC 61024-1);

·AQ2:雷电的间接效应,来自供电系统的危险;

·AQ1:可忽略的雷电效应。

4.2.2 IEC 60664-1/DIN VDE 0110 1 部分

IEC 60664-1“低电压系统中设备的绝缘配合 1部分:原理,要求和测试 1992 年生效,相应部分在德国是 DIN VDE 0110-1(VDE 01101部分):1997-04(IEC 60664-1:1992,修订版)。该标准详细说明了低电压系统中设备的绝缘配合。该标准适用于额定交流电压低于 1000V、额定频率低于30kHz 或额定直流电压低于 1500V的设备。

该标准中有如下定义:

1)绝缘配合:考虑到预期的微环境条件和其他重要的外界作用,对电气设备绝缘特性做相应的分级。

2)浪涌耐受电压:在给定条件下,不会导致绝缘击穿或闪络的、具有常规波形和极性的浪涌电压的最大值。

3)额定浪涌电压:制造商为设备或设备中的一部分标示的浪涌耐压值,说明其绝缘对多次作用的峰值电压的特定耐受能力。

4)过电压类别:一个说明浪涌耐压的数值(:过电压类别用I表示)

5)有限过电压状态:是电气系统内的一种状态,在这种状态下,预期的瞬态过电压保持在一个被限制的范围内。

在该标准中绝缘配合的原则规定如下:绝缘配合包含了对设备的应用条件及其周围环境的考虑及设备电气绝缘特性的选择。要实现绝缘配合,设备额定值的确定必须基于其可能的寿命期内所承受的电压。

关于瞬态过电压,该标准指出,有关瞬态过电压的绝缘配合是基于过电压受到限制的状态。有两种限制:

·系统内限制。电气系统内的一种状态,由于系统的特性,可以假定预期的瞬态过电压保持在一个被限制的范围内。

·保护性限制。电气系统内的一种状态,由于应用特殊的过电压限制方法,可以假定预期的瞬态过电压被限制在一个给定的范围内。

1:大型复杂系统中的过电压,比如受到多方面的而且变化不定的影响的低电压系统,只能用统计来判断。这一点尤其适用于大气过电压无论这种限制是通过系统内限制达到的,还是通过保护性限制达到的。

2:建议根据是否存在系统内限制或是否有必需的保护性限制等检查过电压出现的概率。这种检查需要电气系统数据、雷暴日水平和瞬态过电压的幅值等方面的信息(这种检查程序在IEC60364-4-443中应用于建筑物内连接到低电压系统的供电系统)

3:特殊的过电压限制方法可能包含能储存或泄放能量的元件,并能安全地泄放安装点上预期过电压的能量。

要应用绝缘配合的原则必须考虑两种不同类型的瞬态过电压:

·起源于设备所在系统(设备通过其端子连接到系统)的瞬态过电压。

·起源于设备本身的瞬态过电压。

这一基础性的安全标准向技术委员会(即那些对各种设备的标准化负责的人)解释如何实现绝缘配合。为了使设备规格的制定与绝缘配合要求相一致,这些技术委员会必须根据设备可能的应用,考虑设备要连接的系统的参数,具体指定设备的过电压类别。

过电压类别是一种保持设备按基本要求运行,并且按可能的故障风险区分设备的可用率的方法。设备浪涌耐受电压的特定值和过电压类别共同使整个装置能够合理地绝缘配合。浪涌耐受电压值和过电压类别是限制过电压、使故障风险降低到可接受值的基础。过电压类别越高,表示设备的电涌耐受能力越强,提供的电涌限制方法的选择范围也更宽。

过电压类别的原则适用于由低电压系统直接供电的设备。过电压类别的应用基于 IEC 60364-4-443 中的电涌保护要求(:在装置中大气过电压通常不会减弱)。检查表明,如下所述的面向概率的概念是适宜的:

对于直接供电的系统设备,过电压类别的确定必须基于下述通用原则:

·过电压类别为I的设备是打算连接到建筑物的固定电气装置的设备。为了将瞬态过电压降低至相应值,除了已经采取的设备保护措施以外,在固定装置内或固定装置与设备之间也必须采取一定的保护措施。

·过电压类别为的设备是打算连接到建筑物的固定装置的设备(如家用电器、便携式工具以及类似负荷设备)

·过电压类别为的设备是部分固定装置和其他预期有高可用率的设备[如配电板、断路器、固定装置中的配电设备(IEV826-06-01,包括电缆、母线、配电柜、开关和电源插座)、工业用设备,还有其他设备(如与固定装置永久性连接的固定电动机等)]

·过电压类别为的设备是打算在建筑物电气装置供电端及其附近使用,以及在主配电至系统方向上使用的设备(如电表、过电流断路器和脉动控制单元)

根据已确定的过电压类别和设备的额定电压,给出了设备的额定浪涌电压(注意,对于有一个特定的额定浪涌电压和多个额定电压的设备,可以适用于不同的过电压类别)

对于能在设备端子上产生过电压的设备(如开关设备),额定浪涌电压意指该设备产生的过电压必不超过该值,这是假定该设备是按照相应标准和制造商的说明书在运行(注意,总是有产生超出额定浪涌电压值的过电压的残余风险,这与电路条件有关)

只要强化了电涌限制,就允许设备在更高的过电压类别条件下运行。采用下述装置能达到适当的电涌衰减:

·电涌保护装置;

·具有隔离绕组的变压器;

·有大量分支的配电系统(能泄放电涌的能量);

·能接受电涌能量充电的电容器;

·电阻或类似的能泄放电涌能量的阻尼元件。

应当考虑到,如果系统连接点上的电涌保护装置的运行电压高于系统内各电涌保护装置或设备的运行电压,则系统内的每个电涌保护装置或设备都会比系统连接点上的电涌保护装置释放更多的能量。

4.2.3 IEC 60364-5-534/DIN VDE 0100 534 部分

在准备本书期间(始于19971),下述两个标准草案均可用:

·E DIN IEC 64/867/CDV(VDE 0100534 部分):1996-10“建筑物的电气装置--电气设备的选择和安装--开关设备和控制设备--过电压保护设备(IEC 64/867/CDV:1996)”;

·E DIN VDE 0100-534/A1(VDE 0100 534 部分/A1):1996-10“建筑物的电气装置--电气设备的选择和安装--开关设备和控制设备--过电压保护装置--修正案 A1(申请欧洲标准)

上面先提到的 IEC 标准草案现在已经被德国 DKE UK221.3分委会,即保护措施分委会否决了。理由是其目标不再切合当今的技术水平,因此也无助于电涌保护装置的设立。

否决的主要原因是事实上电涌保护不仅必须要考虑开关操作和远处雷击(IEC 61024/61312-1),而且也必须考虑近处或直接雷击干扰(IEC 61024/61312-1)。因此,有必要建立统一的标准,不仅仅考虑雷击保护避雷器的选择和安装,而且也考虑电涌保护。

现在工程上已公认,复杂的雷电/电涌保护系统需要不仅一种避雷器。

考虑到这一需求,具有不同保护能力的三种避雷器类型(I)已在有关产品标准 DIN IEC SC 37A/44/CDV(VDE 0675 6 部分 A1)中被标准化。通过这些不同类型的避雷器实现的多级保护的概念不仅包括电涌保护,而且包括直接雷击的防护。

德国 UK 221.3 准备的第二个标准草案申请进一步完善上述IEC 文本。建议的主要章节第 534 节中,一方面根据 IEC 603644-443 [根据 VDE 0100-443(VDE 0100443部分)]讨论间接雷击和开关操作引起的电涌保护设备的选择和安装,另一方面则根据 IEC 61024-1IEC 61312-1,讨论有关直接雷击和建筑物附近雷击引起的雷电流和电涌防护设备的选择和安装。

因此,在关于低电压系统装置标准的一个主要部分中给出了保护设备的选择和安装的规范及其与系统内应用的防触电保护措施之间的兼容性。但这些标准草案不在本书讨论范围之内,因此也不再进一步考虑。虽然如此,在说明供电系统中避雷器的各种应用可能性时,还是参考了此德国标准草案。

4.3 电信系统的电涌保护(DINVDE 0800DIN VDE0845)

有关内容见 DIN VDE 08001部分:1989-05电信-设施与装置安全的一般概念,要求和测试。该VDE规范的应用范围包括电信工程的设施与装置(下文中称为电信系统和电信设备)的安全性,考虑到预防生命、健康(人和动物)或财产危险。该标准也适用于没有其他适用标准的信息或数据处理系统的安全性。

DIN VDE 0800 2部分:1985-07 电信、接地和等电位连接讨论线路屏蔽”(即以导电材料做成的屏蔽,以某种几何形状与导线相伴)的处理以及钢结构或钢筋的整合,引用如下:

·在此文本中,作为电磁屏蔽(根据 DIN IEC 60050 151部分:1983-12,第151-01-16)的线路屏蔽也能当等电位连接用,因为其两端都连接到参考电位。

钢结构和钢筋融合到接地系统中,如果考虑建筑物的功能,建筑物对接地系统有特别高的要求,那么为了避免建筑物的不同点之间的电位差和由此产生的均衡电流,应当采取措施把钢结构和钢筋整合到接地系统中。如果钢筋件是不间断连接的,为此目的钢筋应当和接地母排相连。

·钢筋中的均衡电流平行于不同电位点之间的等电位连接导体,这种电流如果由于过多的阻抗与电信电路产生不许可的耦合或接触电阻产生波动,则能在电信系统中造成干扰。钢筋的不间断连接可以通过焊接或精心绑扎来实现。如果由于静力学原因不可能焊接,则应当加辅助钢结构代替,辅助钢结构相互之间必须焊接,并且和钢筋绑扎。建筑物钢筋的不间断连接只有在建筑物的建设过程中(即使在建筑物是由预制件构成的情况下)才有可能。因此,在建筑结构和基础的设计阶段就必须考虑通过钢结构和钢筋作等电位连接。

DIN VDE 0845 1 部分:1987-10 中。应用范围援引如下:

·该标准适用于电信系统中的危险电涌或干扰电涌的防护措施。这些电涌是由电磁干扰、雷电效应或静电荷引起的,因此也将属于电信系统的设备和传输线考虑在内。

DIN VDE 0185 1 部分适用于外部防雷保护(雷电的拦截和引下)DIN VDE 0855 12 部分适用于天线系统。

4.4 包含电磁脉冲与雷电防护的电磁兼容标准(VG95372)

VG 95372:1996-03标准综述了包含电磁脉冲与雷电防护的 VG 电磁兼容标准。

4.5 元件与保护设备的标准

对防雷保护系统和电涌保护设备中的元件,国际性(IEC)和区域性(CENELEC)的标准化工作现在已经取得进展,国家(DIN VDE)标准和包括测试授权的草案也有了。在下文中,仅在对于理解这些元件和保护器具的工作方式和使用可能性来说有必要的时候,才考虑这些标准。

4.5.1 连接件 [E DIN EN 50164-1(VDE 0185 201 部分)]

E DIN EN 50164-1(VDE 0185 201部分)标准草案中防雷保护元件第1部分:对连接件的要求19975月起对防雷保护元件(端子、连接器)生效。该草案详细说明对雷电流传导连接元件的要求和测试。该标准最终将取代 DIN 国标 DIN 48810/8.86

现在欧洲标准化委员会(CENELEC)正在修订EDINEN50164-1标准草案。除了状况/寿命考虑(模拟实际情况下腐蚀压力的增大)以外,该标准还包括如下雷电流(10/350us)试验。

与制造商标示的连接元件的分类相对应,连接元件被分成H类和L类,并相应地进行测试:

H(高负荷)测试电流100kA(10/350us)

 L(正常负荷) 测试电流50kA(10/350us)

雷电流试验通过的判别标准是,具有足够低的接触电阻,没有可以察觉的损坏、变形或松弛,以及满足对螺钉连接的松开转矩的要求等。

4.5.2 雷电流避雷器与浪涌避雷器

雷电流避雷器(10/350us波形的浪涌电流测试)与电涌避雷器(8/20us波形的浪涌电流测试)相比是不同的。

4.5.2.1 供电系统用避雷器(IEC 61643-1/E DIN VDE 06756部分)

德国标准草案E DIN VDE6部分中额定电压为100V1000V的交流供电系统中使用的电涌避雷器1989年起生效。

包括测试授权的 EDIN VDE 0675-6 A1(VDE 0675 6 部分/A1)“DIN VDE 0675-6(VDE 0675 6部分)草案的修正案 A1” 1996 3 月出版,同年10月,E DIN VDE 0675-6 A2(VDE 0675 6 部分 A/2)“DIN VDE 0675-6(VDE 06756部分)草案的修正案 A2”出版。DIN IEC 37A/44/CDV(VDE 0675601部分)“低压配电系统的电涌保护器 1部分:性能要求和测试方法(IEC 37A/44/CDV:1996)”也在199610月被引引入。这一草案后来成为 IEC 标准并于 1998 2月生效,且被用作为IEC 61643-1“连接到低压配电系统的电涌保护器 1部分:性能要求和测试方法。负责避雷器国际标准化。

黄色印刷的E DIN VDE 0675 6 部分/A1 是基于 DIN VDE0675 6部分/1989-11 草案,避雷器型号的分级和分类大部分保留。这些避雷器被划分为四个要求等级:

·等级A。安装于低电压架空线路和人们碰不到的地方的避雷器,用 8/20us波形的浪涌电流测试。

·等级B。为防雷保护等电位连接和控制直接雷击的目的而安装的避雷器。这些避雷器用 10/350us 波形的模拟雷电测试电流Iimp测试。

·等级 C。为固定装置中的电涌保护的目的而安装的避雷器,如在配电区。这些避雷器用8/20us 波形的额定放电浪涌电流 isn测试。

·等级 D。为固定或移动装置中的电涌保护的目的而安装的避雷器,尤其是在电源插座区或终端前。该避雷器组的测试采用产生 1.2/50us开路浪涌电压和8/20us短路浪涌电流的复合波发生器(视在内阻为 2Ω)。用于测试的复合波发生器的开路电压 Uoc被指定为这些避雷器的一个参数。

A1 部分的测试/修正首先考虑电气要求和测试程序。与用户相关的电气要求和测试程序在下文中简要解释:

1)B级避雷器的雷电测试电流(Iimp)。雷电测试电流 Iimp (10/350us)替代以前的 8/80us 波形的雷电测试电流。Iimp由下述参数确定:峰值(Ipeak)、电荷量(Q)、比能量(W/R)和波形(10/350us)。对于波形,数值10表示10us 的波头上升时间,350us 表示雷电波的波尾至半峰值的时间为 350us10/350us 波形的雷电测试电流 Iimp与自然雷电放电的首次回击电流最接近,在世界范围内用于雷电模拟。

2)限制电压测量值的确定(保护水平 Up)。确定限制电压测量值的测试程序根据避雷器的类型和等级划分。限制电压测量值是从不同的测试中得到的最大值。用于绝缘配合的(避雷器)保护水平是限制电压测量值中的最大值。

3)预处理和动作负载测试(放电容量)。据此测试避雷器的有关放电容量和续流熄灭能力方面的性能。避雷器的内部结构知道后,可按照其要求等级选择一个对应于其续流的电压源,并且根据其要求的等级进行预处理试验。

4)避雷器的脱扣装置和热稳定性。在测试避雷器的脱扣装置和热稳定性时,带火花间隙的避雷器和基于非线性电阻的避雷器是有差别的。这种差别是为了模拟接近实际的故障原因:

·基于非线性电阻的避雷器。假设经过多年运行,由于反复承受浪涌电流,漏电流将增大,这将导致避雷器发热或功耗增大。在脱扣试验中模拟了这种热漂移。在外壳过热之前脱扣装置必须将避雷器脱离系统,因外壳过热可能导致火灾危险。

·带火花间隙或串联火花间隙的避雷器。在此假设的故障原因是放电电流过于频繁和过大,或者熄灭续流的次数太多,内置火花间隙的电极熔化,发生短路。在试验中,用铜导体短路火花间隙来模拟这种故障。在避雷器出现可察觉的损坏或引起火灾危险之前,制造商确认的最大后备熔丝必须将避雷器脱离系统。

4.5.2.1.1 选择避雷器的重要数据

·额定电压 UcUc值表示避雷器额定的最高运行电压,在此电压下避雷器有合格的性能数据。

·保护水平 Up。此参数表征避雷器有能力将干扰限制到 Up。避雷器需要的保护水平取决于安装位置(过电压类别)/或被保护装置的电气绝缘强度。

·放电能力。如果避雷器必须按出现的危险(直接雷击、远处雷击、感应过电压)选择,则该参数是至关重要的。

此值表征避雷器的实际性能,表示能够安全地泄放而不会明显影响其功能的雷电测试电流/浪涌电流/复合电涌。这一指标也反映在避雷器的分级上:

雷电测试电流Iimp等级B

浪涌电流isnImax等级 AC

复合波 Uoc等级 D

·遮断能力/续流熄灭能力 IF。该参数对火花间隙避雷器很重要。该参数指示避雷器自动熄灭系统续流的限值。

·脱扣装置/备用熔丝。这些数据永远重要,尤其是在避雷器过载或被用错,或因多次放电而老化时。按E DIN VDE 0675-6/A1设计的避雷器被证明,在过载/脱扣装置和热稳定性试验时过载/失败的情况下能够转入安全故障状态。

4.5.2.1.2 按要求和位置配合避雷器

·B级避雷器(雷电流避雷器)。雷电流避雷器安装应用的位置是房屋的电源区,那里可能出现很大的分雷电流。

· C级避雷器。这些电涌避雷器安装应用的典型位置是在配电箱。这是必须安全控制雷电流避雷器的残压和kA级的浪涌电流(8/20us)的地方。

·D级避雷器。这些避雷器要么位于配电盘和终端之间,要么位于电源插座处。

关于D级避雷器的要求,是按容易引起危险的 Uoc的外加电压来考虑的,而不是按外加的浪涌电流考虑,Uoc要限制到低值。典型的危险电压值在2.5~4kV范围内(出现在终端输入口、电源插座上)

4.5.2.1.3 N-PE避雷器(E DIN VDE 0675 6 部分/A2)

N-PE 避雷器在 E DIN VDE 0675-6/A2(VDE 0675 6 部分/A2):1996-10“浪涌避雷器 6部分:在额定电压为100~1000V的交流供电系统中的应用,DIN VDE 0675-6(VDE 06756部分)草案的修正案 A2”中被标准化。这种避雷器安装在中性线(N)和保护线(PE)之间。

这种N-PE 避雷器的任务是什么?出于人身保护原因,B级和C级避雷器通常安装在故障电流断路器前(按能流方向)。为保证故障避雷器能通过TT系统的备用熔丝安全脱扣,采用“3+1 电路。三个外导体 L1L2 L3连接到避雷器上,再与中性线N相连。在中性线(N)和保护线(PE)之间安装N-PE避雷器。在避雷器(在外导体上)失效(短路)的情况下,在被考虑的外导体L和中性线N之间出现短路电流,该短路电流可在设定时间内通过系统备用熔丝切断。如果避雷器安装在 L PE 之间,则 TT 系统中流过 L PE 之间的故障避雷器的电流不足以熔断系统的熔丝。N-PE避雷器必须能够通过 L1L2 L3 N的总干扰电流。

4.5.2.2 信息技术用避雷器(IEC SC 37A/E DIN VDE 0845 2部分)

德国标准草案 DIN VDE 08452部分数据处理和电信雷电放电、静电放电和来自电站的过电压199310月效。

在此标准草案中,下述电涌保护器件之间是有差别的:

·间隙,包括:①电涌避雷器、充气管(或气体放电管)沿面放电避雷器/空气火花间隙;③脱离火花间隙;④自灭火花间隙。

·半导体保护元件和非线性电阻。

·电涌限制器。

·保护和隔离变压器,包括降压变压器。如本清单所示 DIN VDE 08452部分覆盖了各种元件和电涌保护器(电涌限制器)。在国际(IEC)标准中,元件和保护器是在不同的标准草案中分开处理的:

·元件(低电压浪涌保护设备的元件)的详细说明刚由SC37B委员会给出。现阶段有4个草案:

IEC 61647-1草案:气体放电管(GDT)规范;

IEC 61647-2草案:雪崩二极管(ABD)规范;

IEC 61647-3 草案:金属氧化物非线性电阻(MOV)规范;

IEC 61647-4草案:可控硅电涌抑制器(TSS)规范。

·电涌保护设备的规范目前正在由 SC 37A委员会制定,题为:

IEC 61644-1:连接至电信与信号网络的电涌保护器。

有计划要完成第二部分,详细说明电涌保护器的选择和应用。

由于标准化工作是由 SC 37A委员会开展的,可以保证信息技术用避雷器和供电技术用避雷器的测试要求,并且考虑到它们的要求等级和应用条件的配合。

黄色印刷的E DIN VDE 08452部分规范是为数据处理和电信技术装置中用的电涌保护设备制定的要求和测试。

下面简要介绍与用户相关的电涌限制器的电气要求和测试。

对电涌限制器,标准草案区分第1类和第2类,具体来说,第1类电涌限制器用于预防瞬态过电压(如雷电引起的),第2类电涌限制器用于必须考虑持续时间长达0.5s的附加交流干扰的场合。

4.5.2.2.1 选择避雷器的重要数据

·标称电压 UN。避雷器的标称电压是作为型号特征的,并且通常等于应用避雷器的系统的标称电压。

·额定电压 UCUC值表示避雷器额定的最高运行电压,在该电压下避雷器达到给定的性能数据。此值支持用户按系统或设备要求的最大运行数据选择避雷器。

·标称电流IN标称电流是避雷器的电流通路可载的最大允许工作电流。

·工作频率范围。在工作频率范围内,避雷器的插人损耗小于等于 3dB。由于避雷器通常具有低通特性,工作频率范围用截止频率fG描述。

对于数字传输系统中的应用,用一个特定的数据传输速率 VS代替工作频率范围。避雷器的可能数据传输速率与系统所用的传输过程有关。该过程在具有低通特性的系统中决定了必要的截止频率。在电信工程中,VS=2fG;在实际工程中,VS=1.25fG

·载流量/放电能力。此处与供电系统用的避雷器适用相同的标准。

DIN VDE 08452部分标准草案对雷电流避雷器(雷电测试电流 Iimp)未给出任何要求。在目前的工程实践中,信息技术设备用避雷器也有能传导雷电流的。

·保护水平 UP

· DIN VDE 08452 部分标准草案中,此值也称为最大残压。此参数表征对于给定的负荷,避雷器的端子上可能出现的最高电压。选择避雷器时必须牢记,此值应低于后续设备的破坏限值。

4.5.2.2.2 根据要求和位置配合避雷器

DIN VDE 0845 2 部分标准草案中未给出信息技术设备用避雷器根据要求和位置的具体配合,只根据避雷器的载流量细分了负荷等级。

4.5.2.3 避雷器配合

既然已知雷电流和避雷器的要求与位置的等级,用户或项目组织者必须保证避雷器和被保护设备的配合。这是达到对系统和设备的优化协调保护的唯一途径。