電涌保護(hù)器后備保護(hù)裝置的選用原則

黃麗雄, 王宏民[.北京ABB低壓電器有限公司, 北京 0076； .ABB(中國)有限公司, 北京 0005]

電涌保護(hù)器后備保護(hù)裝置的選用原則

黃麗雄1, 王宏民2
[1.北京ABB低壓電器有限公司, 北京 100176； 2.ABB(中國)有限公司, 北京 100015]

低壓配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)中廣泛地使用電涌保護(hù)器。電涌保護(hù)器在使用過程中有可能出現(xiàn)突然的短路故障,而此時電涌保護(hù)器內(nèi)置脫離器無法快速斷開安裝點(diǎn)的短路電流,故必須安裝后備保護(hù)裝置以確保低壓配電系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行。依據(jù)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對于后備保護(hù)裝置的要求并結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果,給出后備保護(hù)裝置的選用原則,以供電涌保護(hù)器制造商和相關(guān)用戶參考。

電涌保護(hù)器； 短路故障； 后備保護(hù)裝置； 低壓配電系統(tǒng)

0 引 言

高敏感性、低抗擾度電子電氣設(shè)備的廣泛使用,對低壓配電系統(tǒng)的瞬態(tài)過電壓的防護(hù)提出了更高的要求,故電涌保護(hù)器(Surge Protective Device，SPD)的使用也日益廣泛。

SPD在使用過程中均可能出現(xiàn)短路故障。電壓開關(guān)型SPD在電涌電流流經(jīng)后,會出現(xiàn)工頻續(xù)流,如果該續(xù)流電弧未能自行遮斷,將造成SPD短路失效。電壓限制型SPD在各種外加電應(yīng)力及外界因素作用下,其性能和參數(shù)會發(fā)生變化,流經(jīng)的泄漏電流逐漸增大,嚴(yán)重時出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象,造成短路故障,如果故障不及時切除,SPD因過熱將導(dǎo)致起火甚至爆炸,直接影響配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

由于存在上述的安全隱患,SPD前端必須安裝或配備相應(yīng)的切除短路故障的保護(hù)裝置,即需要配置后備保護(hù)裝置,一般選用斷路器或熔斷器。

1 IEC和國家標(biāo)準(zhǔn)對SPD后備保護(hù)的要求

GB 18802.12—2014《低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器(SPD)》和IEC 61643-12:2008要求,SPD和過流保護(hù)器或者剩余電流動作保護(hù)器(Residual Current Protective Device,RCD)配合時,在標(biāo)稱放電電流In下,建議過電流保護(hù)器或RCD應(yīng)不動作。然而,當(dāng)電流比In大時,則可以動作的;對于可復(fù)位過電流保護(hù)器,如斷路器,不應(yīng)被這種電涌損壞。對于開關(guān)型SPD,除非其熄滅值為安裝點(diǎn)預(yù)期短路電流的續(xù)流時,否則不需要與上一級的SPD過電流保護(hù)器配合。同時,標(biāo)準(zhǔn)提供了一種基于I2t值進(jìn)行后備保護(hù)的選取方法,但僅提供了熔斷器的一個配合表。

GB/T 21431—2008《建筑物防雷裝置檢測技術(shù)規(guī)范》要求,安裝在電路上的SPD,其前端應(yīng)有后備保護(hù)裝置過電流保護(hù)器。如使用熔斷器,其值應(yīng)與主電路上的熔斷電流值相配合,即應(yīng)當(dāng)根據(jù)SPD產(chǎn)品手冊中推薦的過電流保護(hù)器的最大額定值選擇。如果額定值大于或等于主電路中的過電流保護(hù)器時,則可省去。

GB 18802.1—2011和IEC 61643-1:2005要求,若制造商聲稱過電流保護(hù)裝置的最大額定值,那么過電流保護(hù)裝置需要隨SPD進(jìn)行以下試驗(yàn)。

(1) 動作負(fù)載試驗(yàn)。對于I類試驗(yàn)SPD的后備保護(hù)裝置,需要承受值為In或沖擊電流Ipeak(兩者取較大值)的15次8/20 μs正極性沖擊電流,以及0.1、0.25、0.5、0.75、1.0倍的Ipeak的10/350 μs沖擊波形各一次;對于Ⅱ類試驗(yàn)需要承受值為In的15次8/20 μs正極性沖擊電流,以及0.1、0.25、0.5、0.75、1.0倍的Imax的8/20 μs沖擊波形各一次;對于Ⅲ類試驗(yàn)需要承受值為In的15次8/20 μs正極性沖擊電流,以及0.1、0.25、0.5、0.75、1.0倍的Uoc的1.2/50 μs開路電壓正負(fù)各一次。在動作負(fù)載試驗(yàn)中,各類SPD的后備保護(hù)裝置不應(yīng)動作,試驗(yàn)后應(yīng)處于正常工作狀態(tài)。

(2) 短路耐受能力試驗(yàn)。在試驗(yàn)中SPD及其后備保護(hù)裝置需進(jìn)行聲明的短路耐受能力試驗(yàn)(試驗(yàn)電流為Ip)和低短路電流試驗(yàn)(試驗(yàn)電流為最大過電流保護(hù)額定電流的5倍或300 A,兩者取較大值);對于電壓開關(guān)型SPD,其工頻續(xù)流值Ifi低于聲明的短路耐受能力時需進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn),試驗(yàn)過程中后備保護(hù)裝置應(yīng)能及時地切斷相應(yīng)的短路電流,以保證SPD在試驗(yàn)中不損壞或安全地失效。

(3) 由高(中) 壓系統(tǒng)故障引起的暫時過電壓(TOV)下的試驗(yàn)。若制造商聲稱的為耐受模式,則試驗(yàn)過程中后備保護(hù)裝置應(yīng)不動作;若為故障模式,后備保護(hù)動作與否均可,但SPD應(yīng)安全地失效。

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中對SPD后備保護(hù)裝置的要求不盡相同,同時存在不完整的方面,而一些制造商后備保護(hù)推薦方案也不夠詳細(xì)。GB 18802.12—2014和GB 18802.1—2011中對于后備保護(hù)裝置的沖擊電流耐受的要求不同,GB 18802.12—2014中僅要求在In及以下沖擊電流下后備保護(hù)裝置不動作,而GB 18802.1—2011中要求在Imax或Ipeak沖擊下也應(yīng)不動作。

在最新的IEC 61643-11:2011(代替IEC 61643-1:2005和GB 18802.1—2011)低壓配電系統(tǒng)用SPD產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中,Ⅰ類和Ⅱ類試驗(yàn)SPD的動作負(fù)載試驗(yàn)僅在In下進(jìn)行,Ⅲ類試驗(yàn)SPD僅在Uoc下進(jìn)行,只是Ⅰ類試驗(yàn)需要進(jìn)行沖擊序列為0.1、0.25、0.5、0.75、1.0倍的Iimp的附加負(fù)載試驗(yàn)。

綜上所述,SPD后備保護(hù)裝置的基本要求應(yīng)是能承受相應(yīng)的沖擊電流或者沖擊電壓而不動作,能及時地切除SPD出現(xiàn)短路故障時的故障電流。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 斷路器沖擊電流耐受能力的試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)背景

SPD后備保護(hù)裝置一般是斷路器或者熔斷器。斷路器用于SPD的后備保護(hù)裝置時,具有可重復(fù)使用(即因故障斷開后不必更換器件)、遙控遙信、沖擊電流耐受能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但電涌電流流過時殘壓較高,而熔斷器的殘壓較低,故動作后必須進(jìn)行更換,以免影響保護(hù)的可靠性。

熔斷器是通過熔斷一個或幾個成比例的特殊設(shè)計的熔體分?jǐn)噙^電流,并由此斷開其所接入電路的裝置 。其I2t特性應(yīng)滿足以下要求:弧前I2t值不應(yīng)小于規(guī)定的相應(yīng)值,熔斷I2t值不應(yīng)大于規(guī)定的相應(yīng)值。因此,IEC 61643-12:2008中提出了基于I2t值進(jìn)行熔斷器作為后備保護(hù)的選取方法。

斷路器能接通、承載和分?jǐn)嗾ｋ娐窏l件下的電流,也能在規(guī)定的非正常條件下接通、承載一定時間和分?jǐn)嚯娏鳌Ｔ跀嗦菲鞯腎EC標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)中均未對斷路器的I2t值做出要求。實(shí)際上,各個品牌斷路器的I2t值也有著較大的差異。斷路器能通過的I2t值也隨著外加預(yù)期短路電流值的不同而不同。同時,相較熔斷器,斷路器的動作機(jī)理更復(fù)雜,包括熱脫扣、磁脫扣和電動斥力。

為了研究斷路器選取以及其在沖擊電流下的動作機(jī)理,設(shè)計了測試斷路器沖擊電流耐受能力的試驗(yàn)。

2.1.2 試驗(yàn)方案

依據(jù)GB 18802.1—2011的動作負(fù)載試驗(yàn),設(shè)計了下面試驗(yàn)方案,以測試不同品牌、不同脫扣特性斷路器的耐受沖擊電流能力,即SPD 的最大放電電流值Imax和標(biāo)稱放電電流值In。

由于GB 18802.1—2011動作負(fù)載試驗(yàn)中,比In大的沖擊僅有2次,故斷路器在施加2次相同沖擊電流情況下所能承受的最大電流峰值為其Imax值;同樣地,斷路器在施加15次相同沖擊電流情況下所能承受的最大電流峰值為其In值。試驗(yàn)樣品:品牌A的B特性和C特性斷路器;品牌B的C特性斷路器和隔離開關(guān)。需要指出的是,試驗(yàn)所選不同品牌的斷路器結(jié)構(gòu)設(shè)計有較大的差異,尤其是動靜觸頭的設(shè)計,其I2t值也不相同,且同一個預(yù)期短路電流下相同電流等級的品牌A的I2t值比品牌B的低。另外,同品牌不同電流等級的不同特性產(chǎn)品動靜觸頭結(jié)構(gòu)是一樣的,不同的是磁脫組件和熱脫組件。品牌B隔離開關(guān)的機(jī)構(gòu)與品牌B斷路器的機(jī)構(gòu)相同,僅僅取消了磁脫扣和熱脫扣,其沖擊電流下的動作僅靠電動斥力。

耐受電流值試驗(yàn)程序如圖1所示。

圖1 耐受電流值測試程序圖

確定耐受最大放電電流值時,時間間隔按照GB 18802.1—2011動作負(fù)載試驗(yàn)的要求進(jìn)行;確定耐受標(biāo)稱放電電流值時,時間間隔按照GB 18802.1—2011動作負(fù)載預(yù)處理試驗(yàn)的要求進(jìn)行。

2.1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)測得品牌A的B特性和C特性斷路器耐受的Imax和In值分別如圖2、圖3所示。

圖2 品牌A的耐受Imax值對比圖

圖3 品牌A的耐In值對比圖

品牌A和品牌B的C特性斷路器耐受的Imax和In值分別如圖4、圖5所示。

圖4 品牌A和品牌B的C特性斷路器耐受Imax值對比圖

圖5 品牌A和品牌B的C特性斷路器耐受In值對比圖

品牌B的C特性斷路器和隔離開關(guān)耐受的In值如圖6所示。

圖6 品牌B的C特性斷路器和隔離開關(guān)耐受的In值對比圖

2.1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

(1) 由圖2、圖3可知,不同特性的產(chǎn)品,在電流等級相同情況下耐受沖擊能力差異不大;同結(jié)構(gòu)的斷路器額定電流增大,I2t值增大,其耐受沖擊電流值也有隨之增大的趨勢。

(2) 由圖4、圖5可知,不同設(shè)計結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品,在電流等級相同情況下耐受沖擊能力有較大差異;不同產(chǎn)品,I2t值大的其耐受沖擊能力值并不一定大。

(3) 由圖6可知,斷路器在沖擊電流下的動作不僅僅與動靜觸頭間的電動斥力有關(guān)。

2.2 斷路器低短路電流能力的試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)背景

GB 18802.1—2011要求,如果制造商聲稱過電流保護(hù)裝置的最大額定值,需要進(jìn)行低短路電流的試驗(yàn),試驗(yàn)電流為5倍的過流保護(hù)裝置的額定值,電流施加時間為5 s。

目前,絕大多數(shù)制造商聲稱的后備保護(hù)裝置為C特性斷路器。斷路器的標(biāo)準(zhǔn)要求C特性斷路器在5倍額定電流下0.1 s內(nèi)不動作。實(shí)際上,絕大部分的C特性斷路器所聲稱的動作時間從1 s到20 s不等。在該試驗(yàn)電流下,即使是實(shí)際的低短路電流情況下,如果后備保護(hù)斷路器不動作,則要求SPD本身能夠耐受相應(yīng)的電流或者內(nèi)置脫離器能夠斷開電流。但由于SPD的設(shè)計多種多樣,有的SPD內(nèi)部不具備內(nèi)置脫離器,或者內(nèi)置脫離器的設(shè)計不足以斷開相應(yīng)的電流。所以,從實(shí)際安全考慮,后備保護(hù)斷路器在短路情況下應(yīng)該是越早動作越好。

2.2.2 試驗(yàn)方案

(1) 測試5倍額定電流條件下,不同品牌、相同電流等級、相同脫扣特性斷路器的動作時間。

(2) 測試氣體放電管的電弧遮斷時間。

(3) 按GB 18802.1—2011中低短路電流能力的試驗(yàn),進(jìn)行不同SPD和不同脫扣特性斷路器配合的試驗(yàn)。

2.2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)1:測得品牌A和品牌B的B特性及C特性斷路器在5倍額定電流值情況下的動作時間,如表1所示。

表1 斷路器在5倍額定電流值下的動作時間

試驗(yàn)2:測試氣體放電管的電弧遮斷時間均在半個周波內(nèi),即時間少于10 ms。

試驗(yàn)3:具體樣品情況及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 具體樣品情況及試驗(yàn)結(jié)果

注:SPD的氧化鋅陶瓷體由同尺寸銅塊替代。

2.2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)/結(jié)果

(1) 在低短路電流試驗(yàn)中,B特性和C特性斷路器均能夠滿足要求,但B特性能夠更快地斷開短路電流。

(2) 開關(guān)型SPD電弧遮斷時間與B型斷路器的磁脫扣時間相近。

3 結(jié) 語

依據(jù)IEC和國家標(biāo)準(zhǔn)針對SPD后備保護(hù)裝置的要求以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)/結(jié)果,得出結(jié)論如下:

(1) 由于斷路器在沖擊電流下的動作機(jī)理不僅僅是動靜觸頭的電動斥力,且其沖擊耐受能力與I2t值并不直接相關(guān),故選擇斷路器作為后備保護(hù)裝置時不宜以I2t值作為唯一參考依據(jù),而應(yīng)以實(shí)際的試驗(yàn)驗(yàn)證為準(zhǔn)。

(2) 由于不同設(shè)計結(jié)構(gòu)的斷路器在相同脫扣特性及額定電流等級下的沖擊電流耐受能力具有較大的差異,故制造商聲稱的后備保護(hù)器型號不應(yīng)籠統(tǒng)地給出斷路器的額定電流值和脫扣特性,而應(yīng)該明確產(chǎn)品的品牌甚至給出具體型號。

(3) 由于C特性的約定瞬時脫離器不脫扣電流倍數(shù)比B特性的高,鑒于短路時應(yīng)更快速地切斷故障電流,認(rèn)為在能夠滿足沖擊耐受能力和分?jǐn)喟惭b點(diǎn)預(yù)期短路電流的前提下,B特性斷路器更適用于電壓限制性SPD的后備保護(hù)裝置。為了防止沖擊電流后電壓開關(guān)型SPD的續(xù)流引起的誤動作,B特性斷路器不建議用作此類SPD的后備保護(hù)裝置。

[1] GB 18802.1—2011 低壓電涌保護(hù)器(SPD) 低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器 性能要求和實(shí)驗(yàn)方法 [S].

[2] 趙洋.電涌保護(hù)器(SPD)與后備保護(hù)斷路器的配合研究[D].上海:上海交通大學(xué),2011.

[3] 劉進(jìn),劉金良,胡軍,等.ZnO壓敏電阻老化機(jī)理的研究進(jìn)展[J].電工電能新技術(shù),2010,29(3):63-67.

[4] GB 18802.12—2014 低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器(SPD) 選擇和使用導(dǎo)則[S].

[5] IEC 61643-12:2008 Low-voltage surge protective devices Surge protective devices connected to low-voltage distribution system Selection and application principles[S].

[6] GB/T 21431—2008 建筑物防雷裝置檢測技術(shù)規(guī)范[S].

[7] IEC 61643-1:2005 Ed.2.0 Low-voltage surge pro-tective devices Surge protective devices connected to low-voltage power distribution system Requirements and tests[S].

[8] IEC 61643-11:2011 Low-voltage surge protective de-vices Surge protective devices connected to low-voltage power system Requirements and test methods[S].

[9] 李敏.SPD中后備保護(hù)器件選用問題的研究 [J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2010(2):14-17.

[10] GB 13539.1—2008 低壓熔斷器 基本要求[S].

[11] 周茂祥,張吉林.低壓電器設(shè)計手冊[M].1992.

[12] GB 14048.1—2012 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 總則[S].

Selection Principles of Backup Protection Device for Surge Protective Device

HUANG Lixiong1, WANG Hongmin2

[1.ABB Low Voltage Installation Materials Co., Ltd., Beijing 100176, China;2.ABB(China) Co., Ltd., Beijing 100015, China]

Surge protective device (SPD) is widely used in the lightning protection of the low voltage power distribution system.In the process of using SPD,the short circuit fault may occur.But at this time,SPD internal disconnector can’t quickly disconnect the short circuit current at the mounting point.Therefore,the installation of the backup protection device is necessary for ensuring the safe and reliable operation of the low voltage power distribution system.Based on the requirements of backup protection device in the domestic and international standards and integrating the actual testing results,the selection principles of backup protection device were given.It can provide references for the SPD manufacturers and relevant users.

surge protective device(SPD); short circuit fault; backup protection device; low voltage power distribution system

黃麗雄(1988—),男,工程師,從事電涌保護(hù)器的產(chǎn)品研發(fā)及項目管理。

TU 856

B

1674-8417(2015)10-0024-05

2015-09-23