淺談低壓電源線路電涌保護器的選型與設置

盧衛(wèi)星 程傳軍 周岳建

(1．樂清市氣象局，浙江 樂清325600;2．南陽市防雷中心，河南 南陽473000)

0 引言

隨著現(xiàn)代化水平的不斷提高，建筑物內(nèi)安裝的電子信息設備和計算機設備越來越多，電子信息設備一般工作電壓較低，耐壓水平也很低，極易受到雷電電磁脈沖的危害，由電力線路遭受雷擊感生、傳導高電壓可能威脅著電氣設備，造成電腦及網(wǎng)絡系統(tǒng)故障、通訊傳輸中斷或數(shù)據(jù)丟失、設備或器件受損和失效等。因此設有信息系統(tǒng)設備的建筑物，除應考慮防直擊雷措施外，還應考慮雷電電磁脈沖的防護措施。雷電防護是一個系統(tǒng)工程，內(nèi)部防護和外部防護同等重要，外部防護技術(shù)已基本成熟，內(nèi)部防護也正在快速發(fā)展，SPD已經(jīng)成為內(nèi)部防護的重要組成部分，如何選擇與設置顯得尤為重要，只有針對不同用途的建筑、不同的供電系統(tǒng)特點，依據(jù)相關國家標準，才能合理選擇SPD品牌與技術(shù)參數(shù)、科學設置SPD位置。

1 確定需設置SPD防護對象的等級

建筑物內(nèi)是否需要設置SPD?首先應該根據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057-94(2000版)第2章第2．0．1條“建筑物應根據(jù)其重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性和后果，以及建筑物其防雷類別的劃分條款，《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB 50343-2009相關條款對應分析后確定防雷類別;同時應用《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB 50343-2009相關條款、附錄A用于建筑物電子信息系統(tǒng)簡易雷擊風險評估的N和Nc的計算方法與《雷電防護第2部分：風險管理》GB/T 21714．2-2008引言部分：“影響建筑物以及服務設施的年平均雷擊次數(shù)既取決于所處地區(qū)的地閃密度，又取決于它們的尺寸、性質(zhì)和所處環(huán)境。雷電損害概率既取決于所采取的保護措施的類型和效能，還取決于建筑物、服務設施以及雷電流的特性?！钡葪l款;摸清建筑物的規(guī)模和雷電環(huán)境，建筑物外部防雷措施，室內(nèi)需保護的電氣、電子系統(tǒng)的重要性等因素，進行雷電電涌風險分析評估后，確定建筑物內(nèi)是否需要設置SPD。如建筑物內(nèi)必須設置電涌保護器，確定具體的設置等級。如：

等級A：大型計算中心、大型通信樞紐、國家金融中心、銀行總(分)行、機場、大型港口、火車樞紐站等;甲級安全防范系統(tǒng)，如國家文物、檔案庫的閉路電視監(jiān)控和報警系統(tǒng);大型電子醫(yī)療設備、五星級賓館。

等級B：中型計算中心、銀行支行、中型通信樞紐、移動通信基站、大型體育場(館)監(jiān)控系統(tǒng)、證券中心;乙級安全防范系統(tǒng)，如省級文物、檔案庫的閉路電視監(jiān)控和報警系統(tǒng);雷達站、微波站、高速公路監(jiān)控和收費系統(tǒng);中型電子醫(yī)療設備;四星級賓館。

等級C：小型通信樞紐、電信局。大中型有線電視系統(tǒng);三星級以下賓館;除上述A，B級以外一般用途的電子信息設備。

此外對于不同的行業(yè)尚需以行業(yè)防雷技術(shù)規(guī)范為主要參考依據(jù)。

2 電涌保護器材料結(jié)構(gòu)分類

SPD的功能是限制瞬態(tài)過電壓和分走電涌電流，它至少含有一非線性元件。按SPD的功能結(jié)構(gòu)可分為以下幾種類型。

2．1 開關(限流)型(又稱間隙型)SPD

其內(nèi)部常用元件是放電間隙、充氣放電管、閘流管類型。如圖1所示。因間隙兩端不連通，所以平常狀態(tài)呈(開路)高阻抗狀態(tài)，無漏流，且阻抗不因加在其兩端的電壓變化而變化。當所加電壓達到設定的點火電壓值時，點火并拉弧放電;當兩端的電壓降低但大于維持電壓時，仍然維持放電(續(xù)流);當兩端的電壓低于其維持電壓時，放電停止，重新恢復成高阻抗狀態(tài)。該類SPD具備疏導10/350 μs的雷擊電涌電流功效，一般用在建筑物LPZ0B-LPZ1區(qū)的電源系統(tǒng)。

2．2 限壓型(又稱箝位型)SPD

電壓限制型(又稱箝位型)：內(nèi)部常用元件是壓敏電阻、抑制二極管等非線性元件，如圖2所示。平常狀態(tài)時呈高阻抗截止狀態(tài)，其阻抗隨加在兩端電壓的增加而緩慢減小，當所加電壓增加到壓敏動作電壓時，瞬時轉(zhuǎn)變成低阻抗(導通狀態(tài))。當其兩端的電壓低于其設定值時，停止導通，重新恢復成高阻抗狀態(tài)。限壓型防雷器因其芯片原材料純度、制造工藝、配方等不同而不同程度地存在漏電流，且呈正溫度系數(shù)變化。該類SPD具備疏導8/20 μs的雷擊電涌電流功效，一般用在建筑物LPZ1區(qū)和LPZ2區(qū)的電源系統(tǒng)。

2．3 組合型SPD

由電壓開關型組件和限壓型組件串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合而成。串連時，阻抗特性與電壓開關型相同，如圖3所示;并聯(lián)時，阻抗特性與電壓限制型相同，如圖4所示;串并聯(lián)時若干路有間隙型元件則阻抗特性同電壓開關型，若干路無間隙型元件則阻抗特性同電壓限制型?？梢燥@示為電壓開關型或限壓型或這兩者都有的特性，這決定于所加的電壓的特性。視通流容量應用在不同的防雷區(qū)域。

3 SPD的技術(shù)參數(shù)選擇

依據(jù)相關防雷技術(shù)規(guī)范，必須對SPD技術(shù)參數(shù)進行選擇，如：電壓保護水平Up、最大持續(xù)運行電壓Uc、標稱導通電壓Un(動作電壓)、額定通流容量In、最大通流容量Imax(或沖擊電流Iimp)等參數(shù)根據(jù)具體情況進行選用。還必須考慮使用環(huán)境、供電電壓的波動等因素。

3．1 電壓保護水平(Up)的選擇

SPD必需能承受預期通過它們的雷電流，并應符合以下兩個附加要求：通過電涌時的最大鉗壓，有能力熄滅在雷電流通過后產(chǎn)生的工頻續(xù)流。電壓保護水平必須小于如表1各類設備耐沖擊過電壓額定值。

3．2 持續(xù)運行電壓(Uc)選擇

可以持續(xù)施加于SPD的最大交流有效值電壓或最大直流電壓，持續(xù)工作電壓的選擇需根據(jù)不同的供電系統(tǒng)制式選擇相應的規(guī)定值。如：按GB 50057-2000版圖6．4．5-1接線的TT系統(tǒng) Uc≥1．55Uo;按圖 6．4．5-2 和圖 6．4．5-3接線的 TN 和 TT 系統(tǒng) Uc≥1．15Uo;按圖6．4．5-4接線的IT系統(tǒng)Uc≥1．15Uo;壓敏SPD標稱導通電壓Un(動作電壓)≥2．2Uo;其中Uo=220 V。另外，石化系統(tǒng)及電壓波動頻繁的場所尚需加大10%的余量。

表1 230/400 V配電系統(tǒng)各類設備耐沖擊過電壓額定值

3．3 SPD的雷擊沖擊電流Iimp及標稱放電電流In的選擇

在LPZ0A或LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)交界處，在從室外引來的線路上安裝的SPD，應選用符合Ⅰ級分類試驗的產(chǎn)品。應按GB50057-2000規(guī)范的第6．3．4條的規(guī)定確定通過 SPD的10/350μs雷電流幅值。當線路有屏蔽時，通過每個SPD的雷電流可按上述確定的雷電流的30%考慮。以上述得出的雷電流作為Iimp來選用SPD。

當按上述要求選用配電線路的SPD時，其標稱放電電流In不宜小于15 kA。在建筑物電氣裝置中使用SPD限制從電源系統(tǒng)傳來的大氣瞬態(tài)過電壓(由間接的，遠處的雷擊引起的)和操作過電壓時，可選用Ⅱ級分類試驗的SPD及必要時加裝Ⅲ級分類試驗的SPD。Ⅱ級、Ⅲ級分類試驗的SPD的標稱放電電流In應符合技術(shù)規(guī)范要求參數(shù)。

4 SPD在低壓電源系統(tǒng)中的布局

SPD在低壓電源線路設置布局，一般可按照上述1部分防護對象的等級，視防護對象設備的重要程度、發(fā)生雷擊事故嚴重程度等將防護設置SPD分為A，B，C，D 4個等級。

A級：在低壓系統(tǒng)中采取3～4級SPD進行保護。

B級：在低壓系統(tǒng)中采取2～3級SPD進行保護。

C級：在低壓系統(tǒng)中采取2級 SPD進行保護。

D級：在低壓系統(tǒng)中不少于1級或以上SPD進行保護。

也就是在重要電氣、電子設備輸入端和機房電源設備輸入端裝設電壓保護水平與入口級相等的SPD，具有可能帶電開斷的較長的電源分支線段(多芯電纜或穿金屬管的線路＞40 m，散線＞30 m)的分支處，或當機房有屏蔽時在電源線路進入機房處，宜裝設中間級SPD。其電壓保護水平不大于2．5 kV，位置可在分支所在樓層的配電箱處。如入口級的Up不大于1．5 kV，在入口級和設備級之間的線路上無論距離多長、有無分支線均不需裝設中間級SPD。如設備級SPD離入口級的距離小于10 m，應要求入口級的電壓保護水平低于設備級的電壓保護水平，或在設備級前串入解耦器。SPD設置布局示例如圖5所示。

圖5 SPD布局設計示例簡圖

另外，由于石化系統(tǒng)是防雷、防火的重點部門，在石化系統(tǒng)的建(構(gòu))筑內(nèi)，有些環(huán)境都存在氣體，一旦發(fā)生火花將導致燃燒、爆炸的可能，因此，可能產(chǎn)生火花的間隙SPD是不允許使用的，千萬須牢記。僅允許設置壓敏電阻類型的SPD，其模式如圖6(b)所示為4模塊接線法，必要時使用防爆型SPD。

5 SPD前置空開設置與連接線問題

5．1 SPD前置空開設置

低壓電源線路設置SPD，當雷擊電磁脈沖傳導入侵電源線路時，科學合理設計的SPD將能及時響應發(fā)生瞬態(tài)對地短路，將雷電流泄放入地。但那些設置在低壓配電線路的SPD(多數(shù)為ZnO壓敏材料)在線長期運行，一方面抗御雷擊脈沖的侵擾，另一方面也在自然老化;一旦所使用的ZnO壓敏材料的SPD處于劣化狀態(tài)，其壓敏電阻可導致溫度升高，引起壓敏電阻熱崩潰，從而導致漏電流增大且防護功能失效。一旦雷電入侵產(chǎn)生的過電流如果造成對地短路時間達到幾個ms，將造成電源線路跳閘引起系統(tǒng)供電中斷;因此，設置附加的SPD連接線路必須自設過電流保護裝置(如熔斷器或空氣斷路器)，那么，當雷擊過程萬一引起過流時，讓SPD連接線路自設的過電流保護裝置先動作，以不影響正常供電為妥?？臻_的具體選擇為保護空開(或保險絲)的標稱電流不應大于前級供電線路空開(或保險絲)的1/1．6倍。

5．2 SPD連接線長度問題

SPD設置中其兩端的連接線(含：接地線)，連接的導線要盡可能短而直，以短于0．5 m為理想。因為導線的電感分量關乎SPD的效能，假定電器設備耐壓為2．5 kV，SPD的電壓保護水平Up≤1．5 kV，接線方式如圖7所示，如SPD兩端連接導線長1．5 m，而導線上的電壓降為：雷擊脈沖上升速率((雷電流陡度di/dt)以1 kV/μs計)乘以導線單位長度電感(以1 μH/m計)再乘以導線單位長度(假設有1．5 m)再加上SPD的電壓保護水平(Up=1．5 kV)：

由于UAB=3．0 kV，大于被保護設備的耐壓(2．5 kV)，可能導致設備的絕緣被擊穿而損壞。

6 結(jié)語

SPD的選擇與設置應根據(jù)建筑物其重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性和后果，摸清建筑物的規(guī)模和雷電環(huán)境，建筑物外部防雷措施，室內(nèi)需保護的電氣、電子系統(tǒng)的重要性等因素，首先進行雷電電涌風險分析評估，再嚴格按照規(guī)范要求，且應以行業(yè)防雷技術(shù)規(guī)范為主要參考依據(jù)，根據(jù)實際情況需要，熟悉SPD預期壽命，選擇相關技術(shù)參數(shù)。SPD選型與設置應做到安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理。

［1］ 機械工業(yè)部．建筑物防雷設計規(guī)范GB 50057-94(2000年版)［S］．北京：中國計劃出版社，2000．

［2］ 四川省建設廳．建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范GB 50343—2009［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［3］ 全國雷電防護標準化技術(shù)委員會．雷電防護第2部分：風險管理 GB/T 21714．2-2008［S］．北京：中國標準出版社，2008．

［4］ 信息產(chǎn)業(yè)部郵電設計院．通信局(站)雷電過電壓保護工程設計規(guī)范YD/T5098-2001［S］．北京郵電大學出版社，2001．

［5］ 國家能源局．電子設備防雷技術(shù)導則DL/T 381-2010［S］．北京：中國電力出版社，2010．