低壓系統(tǒng)SPD現(xiàn)場應(yīng)用安全性思考

張 旭 / 盛小宇(天津市中力防雷技術(shù)有限公司，天津 300384)

低壓系統(tǒng)SPD現(xiàn)場應(yīng)用安全性思考

張 旭 / 盛小宇
(天津市中力防雷技術(shù)有限公司，天津 300384)

關(guān)于SPD現(xiàn)場應(yīng)用的安全可靠性研究方向較多，現(xiàn)以SPD在工程現(xiàn)場的應(yīng)用與要求分析SPD的失效狀態(tài)、SPD的失效保護(hù)裝置及其應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品的現(xiàn)狀與發(fā)展，并提出一些思考。

電涌保護(hù)器 壓敏電阻 集成浪涌保護(hù)單元 失效狀態(tài) 失效保護(hù)裝置

0 引言

在低壓配電系統(tǒng)的雷電防護(hù)中，電涌保護(hù)器(以下簡稱“SPD”)對雷電電磁脈沖的防護(hù)承擔(dān)著相當(dāng)重的分量。隨著SPD的普遍應(yīng)用，其失效狀態(tài)所帶來的現(xiàn)場安全事故也逐漸得到重視，人們對于SPD的工程應(yīng)用較為關(guān)注的兩個(gè)方面是：1)SPD產(chǎn)品應(yīng)用的實(shí)際保護(hù)效果；2)SPD現(xiàn)場使用的安全性和可靠性。如何在不嚴(yán)重影響SPD防護(hù)性能的同時(shí)提高SPD工程現(xiàn)場應(yīng)用的安全性和可靠性，是值得深入探討和研究的問題。本文對此提出了一些觀點(diǎn)，供廣大設(shè)計(jì)人員參考。

1 SPD的失效狀態(tài)分析

眾所周知，SPD是一種防雷電電磁脈沖型保護(hù)產(chǎn)品，核心器件為壓敏電阻(MOV)，對用電設(shè)備的防護(hù)原理是讓絕大部分脈沖過壓和浪涌電流通過自身對地泄放，這是一種以犧牲自身防護(hù)性能為代價(jià)，以確保用電設(shè)備免于承受過高的電壓、電流而損壞的防護(hù)方式。MOV的這種特性決定了SPD在使用了較長時(shí)間后會逐漸凸顯出劣化特性——阻值從正常的高阻態(tài)(兆歐級)逐步劣化到幾千歐姆、幾十歐姆甚至幾歐姆，此時(shí)流過它的工頻電流會從微安級躍升到幾十毫安、幾百毫安甚至幾百安培，逐漸增大的對地泄漏電流會導(dǎo)致最終短路的失效狀態(tài)，給配電系統(tǒng)帶來不必要的電能損耗與SPD本體發(fā)熱(過熱則可能引發(fā)火災(zāi)事故)。

2 針對性的保護(hù)措施——失效保護(hù)裝置

對于壓敏電阻的這種失效特性，一般的電源類SPD產(chǎn)品都會設(shè)置熱保護(hù)脫離裝置。這種脫離裝置能夠在SPD對地泄露電流到達(dá)一定值(一般為幾十到上百毫安)時(shí)，將SPD從配電線路中脫離開來，防止SPD過熱引發(fā)火災(zāi)。

然而，當(dāng)壓敏電阻劣化到一定程度時(shí)，其上流經(jīng)的漏電流會呈指數(shù)上升，導(dǎo)致SPD本體迅速發(fā)熱，若迅速發(fā)熱的SPD不能與熱保護(hù)脫離裝置的熱傳遞達(dá)到平衡，則無法驅(qū)動(dòng)熱保護(hù)脫離裝置動(dòng)作，SPD同樣可能因過熱引發(fā)火災(zāi)。針對上述情況，可設(shè)置另外一種失效保護(hù)裝置——過流保護(hù)脫離裝置，就是在SPD出現(xiàn)較大過流值(一般為300A以上或制造商聲稱值)時(shí)，SPD的過流保護(hù)脫離裝置會迅速動(dòng)作切斷電流，阻止SPD持續(xù)過流引發(fā)的供電受損及火災(zāi)事故的發(fā)生。

以上兩種保護(hù)脫離裝置都屬于SPD的失效保護(hù)裝置，通常是與SPD串聯(lián)使用的，當(dāng)SPD處在正常工作狀態(tài)時(shí)，失效保護(hù)裝置不動(dòng)作；只有在SPD發(fā)生過熱或過流故障時(shí)，失效保護(hù)裝置才會動(dòng)作，將SPD與配電線路切斷。這兩種失效保護(hù)裝置無疑都是在時(shí)效方面預(yù)防SPD過熱引發(fā)的火災(zāi)事故。

3 目前國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

關(guān)于SPD的過熱和過流保護(hù)脫離裝置，GB 18802.1-2011《低壓電涌保護(hù)器 第1部分：低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器性能要求和試驗(yàn)方法》、TB/T 2311-2008《鐵路信號設(shè)備用浪涌保護(hù)器》、YD/T 1235.1-2002 《通信局(站)低壓配電系統(tǒng)用電涌保護(hù)器技術(shù)要求》及YD/T 1235.2-2002《通信局(站)低壓配電系統(tǒng)用電涌保護(hù)器測試方法》等標(biāo)準(zhǔn)里都提及了相應(yīng)的技術(shù)要求和測試方法。

然而，無論是國標(biāo)還是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對于SPD的熱保護(hù)脫離裝置的測試要求僅限于小工頻電流(≤5A)的熱穩(wěn)定性試驗(yàn)；對于SPD的過流保護(hù)脫離裝置的測試要求也僅明確了大工頻電流(制造商聲稱值或300A)的短路耐受及TOV試驗(yàn)的指標(biāo)，而對于介乎二者之間的電流值則沒有明確的測試要求。

4 存在的隱患

通過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上述兩種針對SPD過熱和過流保護(hù)脫離裝置的測試試驗(yàn)，就能真正確保SPD在工程現(xiàn)場應(yīng)用的安全性和可靠性嗎？下面的測試給出了答案。

筆者隨機(jī)從市場上購買了同等級的十余種國內(nèi)外不同品牌的SPD產(chǎn)品，并經(jīng)過人工劣化處理，模擬實(shí)際低壓配電系統(tǒng)中SPD劣化后的工作狀態(tài)，再把SPD與其后備保護(hù)裝置(統(tǒng)一采用某品牌32A/63AC型斷路器)串聯(lián)連接到L-PE為AC 220V的工頻電源中，調(diào)整幾個(gè)恒定電流值作為試驗(yàn)電流，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 SPD工頻短路電流耐受試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

備注：*①：過流保護(hù)裝置為32A斷路器；*②：過流保護(hù)裝置為63A斷路器。

由表1可知，即使通過了國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全性能檢測的SPD，在工程實(shí)際應(yīng)用中仍舊存在安全隱患，原因除了不同廠家工藝制造水平參差不齊外，SPD的熱保護(hù)脫離裝置和過流保護(hù)脫離裝置在SPD劣化失效后不能做到全電流保護(hù)，存在動(dòng)作盲區(qū)，也是SPD引發(fā)電氣火災(zāi)事故的主要原因之一，業(yè)內(nèi)不少人士都發(fā)現(xiàn)了SPD動(dòng)作盲區(qū)的這個(gè)問題，并采取了不同的方案去嘗試解決這個(gè)問題。

5 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

針對SPD存在動(dòng)作盲區(qū)的問題，目前國內(nèi)外行業(yè)有以下標(biāo)準(zhǔn)：日本由于最早使用壓敏電阻，現(xiàn)已有針對SPD動(dòng)作盲區(qū)的保護(hù)脫離裝置SPF(SPD專用熔斷器)產(chǎn)品，并在日本國內(nèi)形成相應(yīng)的產(chǎn)品檢測標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)有的IEC和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)尚沒有對SPD動(dòng)作盲區(qū)的問題做出明確規(guī)定，但新版的IEC 61643.12《Low-voltage surge protective devices—Part 12：Surge protective devices connected tolow-voltage power distribution systems—Selection and application principles》已考慮補(bǔ)充此部分內(nèi)容，國內(nèi)針對此問題的標(biāo)準(zhǔn)工作也在同步進(jìn)行，但仍有較長的一段路要走。

6 對應(yīng)的產(chǎn)品發(fā)展和應(yīng)用簡介

盡管標(biāo)準(zhǔn)工作相對滯后，但市場需求驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品發(fā)展，以天津中力公司產(chǎn)品為例，該公司推出的集成浪涌保護(hù)單元“ISPU”就是解決此應(yīng)用缺陷的SPD產(chǎn)品。

該產(chǎn)品現(xiàn)已成功應(yīng)用于某網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目。項(xiàng)目所使用的ISPU浪涌防護(hù)產(chǎn)品，集新型防雷芯片、熱保護(hù)脫離裝置、失效保護(hù)裝置、熔斷器和可插拔的智能監(jiān)控模塊于一體，有效突破了普通浪涌保護(hù)器和后備保護(hù)裝置難匹配的瓶頸，解決了線路纏繞、殘壓高、保護(hù)效果差的問題。不僅具有浪涌防護(hù)和全電流無盲區(qū)的工頻電流防護(hù)功能，其自帶的智能監(jiān)控系統(tǒng)也是一大亮點(diǎn)，可將防雷模塊使用壽命、雷擊及故障信息等上傳至監(jiān)控主機(jī)，提醒維護(hù)人員及時(shí)操作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和通信組網(wǎng)功能，確保浪涌防護(hù)的連續(xù)性和安全性。此外，中力采用的自動(dòng)化生產(chǎn)工藝能夠有效解決以往產(chǎn)品一致性差、性能不穩(wěn)定等問題，從而避免SPD引發(fā)火災(zāi)的安全隱患，切實(shí)提高產(chǎn)品的防護(hù)效果，真正做到產(chǎn)品應(yīng)用的安全、有效、靈活、穩(wěn)定。

7 結(jié)束語

綜上所述，筆者認(rèn)為，通過合理手段切實(shí)有效提高浪涌保護(hù)器產(chǎn)品的安全可靠性能，并在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范上提高SPD安全性能檢測要求，加強(qiáng)現(xiàn)有的檢測標(biāo)準(zhǔn)，淘汰一些工藝性能不合格乃至假冒偽劣產(chǎn)品，將是行業(yè)深入研究和推廣的重要方向。

SafetyofFieldApplicationsaboutSPDinLow-voltageSystem

Zhang Xu / Sheng Xiaoyu

There are many research directions about the SPD’s field application safety,now the failure state of SPD, the failure protection device and its application risk of SPD, the present situation and development of related standards and products in SPD’sengineering field are analyzed, and some thoughts are put forward.

SPD, MOV, ISPU, failure state, failure protection device