凈水廠SPD 的選擇

楊睿，陳三元

（中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

隨著社會生產(chǎn)要求的提高，越來越多的精密電氣元件投入到生產(chǎn)使用中，但雷電引起的過電壓、操作過電壓等會對各類電氣元件造成致命的影響，由此，用于限制瞬態(tài)過電壓和分泄電涌電流的器件——電涌保護(hù)器(surge protective device，SPD)也逐漸被廣泛的使用。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員卻經(jīng)常忽視了對SPD 的正確選擇，出現(xiàn)SPD 的濫用，或者多級SPD 之間配合不當(dāng)?shù)葐栴}。

1 電涌保護(hù)器選擇原則

電涌保護(hù)器的選擇，與被保護(hù)設(shè)備所在的建筑物防雷類別，室外引入建筑物的管線數(shù)量，線纜是否采用屏蔽層以及線纜的敷設(shè)方式等息息相關(guān)。而電涌保護(hù)器設(shè)置級數(shù)，應(yīng)綜合考慮保護(hù)距離、連接導(dǎo)線的長度、被保護(hù)設(shè)備耐沖擊電壓額定值等因素，與系統(tǒng)配電級數(shù)沒有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。

2 電涌保護(hù)器選擇案例

某凈水廠包括變配電間(與送水泵房合建)、絮凝沉淀池、反沖洗泵房及濾池、加藥間、脫水車間和綜合樓等單體建(構(gòu))筑物。接地型式采用TN-S 系統(tǒng)，采用放射式配電，水廠配電系統(tǒng)簡圖如圖1 所示，水廠設(shè)兩臺PLC，一臺位于反沖洗泵房控制室內(nèi)，另一臺設(shè)在脫水車間配電室內(nèi)與配電柜并列安裝。

2.1 I 級試驗(yàn)電涌保護(hù)器的選擇

依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-2010）并參考《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動化工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ120-2008），水廠內(nèi)各單體建(構(gòu))筑物防雷分類均為二類或三類防雷建(構(gòu))筑物。

根據(jù)規(guī)范要求，案例中水廠配電系統(tǒng)，SPD1～SPD6 均應(yīng)選擇I 級試驗(yàn)電涌保護(hù)器（電壓開關(guān)型），并通過計(jì)算，確定SPD 的放電電流及電壓保護(hù)水平。

電源總配電箱電涌保護(hù)器每一保護(hù)模式的沖擊電流值，當(dāng)電源線路無屏蔽層時按式（1）確定：

圖1 某凈水廠配電系統(tǒng)簡圖

式中：I 為雷電流，kA,其中二類防雷建筑物取150kA,三類防雷建筑物取100kA；n 為地下和架空引入的外來金屬管道和線路的總數(shù)；m 為需要確定的那一回線路內(nèi)導(dǎo)體芯線的總根數(shù)。

經(jīng)過計(jì)算，沖擊電流值列于表1 中，其中UW為耐沖擊電壓額定值，按《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》表6.4.4 選取。

通常放電電流越大，電壓保護(hù)水平越高，殘壓也越大，價格也相對越貴。在選擇I 級試驗(yàn)浪涌保護(hù)器的過程中，需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、安全性，選取合適的型號參數(shù)。根據(jù)表1 的計(jì)算值，由于加藥間進(jìn)線處的Iimp為15kA，選擇Iimp為12.5kA 的電涌保護(hù)器不能滿足沖擊電流的要求，應(yīng)選擇25kA 或更大的沖擊電流。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，部分設(shè)計(jì)人員也考慮對于加藥間等采用兩路電源進(jìn)線，以保證供電的可靠性，同時，也降低了沖擊電流值，案例中當(dāng)加藥間回路n 取2 時，計(jì)算沖擊電流值為7.5kA，選用Iimp為12.5kA 的電涌保護(hù)器能夠滿足規(guī)范要求。

表1 水廠各建筑物總配電柜(箱)SPD 每一保護(hù)模式?jīng)_擊電流

2.2 多級電涌保護(hù)器的配合

《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.4.5 條及《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》(GB50343-2012)第5.4.3 條規(guī)定了LPZ2 區(qū)和更高的區(qū)安裝電涌保護(hù)器須滿足的要求，但規(guī)范中又未明確規(guī)定是否必須設(shè)置二級或更高級的電涌保護(hù)器，因此對于后續(xù)防雷保護(hù)區(qū)內(nèi)電涌保護(hù)器的設(shè)置，也未能引起電氣設(shè)計(jì)人員的重視，甚至不設(shè)計(jì)電涌保護(hù)器。

根據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》5.4.3.8 條規(guī)定，電涌保護(hù)器的連接導(dǎo)線總長度不宜大于0.5m。按滿足規(guī)范的最不利情況考慮，取進(jìn)線處電涌保護(hù)器連接導(dǎo)線總長度為0.5m，電涌保護(hù)器兩端引線的感應(yīng)壓降△U=Ldi/dt 為3.75kV（雷電流按50kA，10/350μs，線路按L0=1.5μH/m），計(jì)及I 級電涌保護(hù)器的殘壓按1.3kV，兩者之和約為5kV，超過I 類設(shè)備耐沖擊額定電壓值，足以對PLC 等造成致命傷害。因此，對PLC 等電子設(shè)備應(yīng)該設(shè)置電涌保護(hù)器。

案例中反沖洗泵房PLC 單獨(dú)設(shè)置在控制室內(nèi)，PLC 到配電柜的距離大于10m，不需要另外設(shè)置退耦裝置，脫水車間PLC 與進(jìn)線開關(guān)柜并列放置在同一個房間內(nèi)，上下兩級SPD之間的距離小于10m，因此，按照規(guī)范要求，在兩級電涌保護(hù)器之間應(yīng)該加裝退耦裝置。由于退耦裝置是串聯(lián)在電源線路上，線路電流需滿足退耦裝置的額定電流要求，而退耦裝置額定電流一般不大于100A，這樣對線路電流的限制也制約了退耦裝置的使用。案例中PLC 裝置的線路電流不大，加裝退耦裝置，能夠符合規(guī)范的要求。如果不設(shè)置退耦裝置，為了保證上下級電涌保護(hù)器的距離要求，可以人為的將脫水車間低壓配電柜與PLC 柜分開布置，或者僅增加配電柜至PLC的電源電纜長度，保證兩級SPD 距離不小于10m。當(dāng)電涌保護(hù)器具有能量自動配合功能時，電涌保護(hù)器之間的線路長度可不受限制，兩級SPD 之間能量的自動配合，取決于各SPD生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)能力和試驗(yàn)結(jié)果，只能參考各個SPD 廠家給出的推薦配合組合。一般II 和III 級試驗(yàn)電涌保護(hù)器，其標(biāo)稱放電電流不小于5kA 和3kA。

各類監(jiān)測儀表作為水廠內(nèi)不可缺少的重要組成部分，與生產(chǎn)的自動化以及生產(chǎn)活動的正常運(yùn)行聯(lián)系緊密，而這些精密的儀表，對過電壓的耐受能力很低，在廠區(qū)各儀表箱的電源進(jìn)線端子處，一定要并聯(lián)電涌保護(hù)器，對儀表等特殊需要保護(hù)的設(shè)備進(jìn)行第三級保護(hù)。電涌保護(hù)器的選擇需要根據(jù)電源類型的不同（AC、DC）按照廠家提供的參數(shù)進(jìn)行正確的選擇。另外，對于絮凝沉淀池中露天設(shè)置的現(xiàn)場配電控制箱，也需要設(shè)置相應(yīng)級別的SPD，防止配電控制箱內(nèi)電氣設(shè)備因雷擊涌流沖擊造成損壞。

3 結(jié)語

規(guī)范地選擇SPD 對系統(tǒng)設(shè)備的安全有著重要的意義，本文通過一個凈水廠配電設(shè)計(jì)說明SPD 的選擇，希望引起設(shè)計(jì)人員對SPD 選擇的注意，根據(jù)實(shí)際情況在同一個工程中盡量選擇同一個設(shè)備廠家的產(chǎn)品，并符合規(guī)范要求，發(fā)揮SPD 應(yīng)有的作用。