電源SPD在惡劣雷擊環(huán)境中的應(yīng)用效果

李軍正 陸力源 陸炳權(quán) 呂先金

(1.臺州市氣象局，浙江椒江318000;2.臺州市椒江區(qū)氣象局，浙江 椒江318000)

0 引言

電涌保護器(Surge Protective Device)簡稱SPD，是用于限制瞬時過電壓和分泄電涌電流進行保護設(shè)備的器件，同時也是等電位連接中的重要器件，其作用是將不能直接參加等電位連接的帶電體使用SPD與接地裝置連接。主要用在低壓配電系統(tǒng)和信息系統(tǒng)中，對雷電過電壓、電氣系統(tǒng)操作過電壓、雷擊電磁脈沖方面進行防護。

防雷工作實踐中發(fā)現(xiàn)，大部分的設(shè)備雷電災(zāi)害事故是由雷擊電磁脈沖(含閃電電涌和輻射電磁場)侵入形成雷電暫態(tài)過電壓造成的，而且呈逐年上升的趨勢。對此，常用的防護措施是屏蔽、等電位和安裝SPD，其中等電位和安裝SPD在電子信息系統(tǒng)防雷改造工程中是最有效、最方便的措施。處在惡劣雷擊環(huán)境中的臨海市青嶺收費站的防雷改造工程就是一個典型的實例。

1 項目基本概況

104國道臨海青嶺收費站所處的環(huán)境如圖1所示:東面為靈江水系、西南面到西北面被山體環(huán)抱，小山頂上還矗立著高壓輸電線路、通訊基站等多個高大鐵塔。防雷規(guī)范中明確指出江湖邊上、山坡下、土山頂部、山谷風(fēng)口、特別潮濕處，以及山頂上或曠野處的孤立建(構(gòu))筑物都是最易遭受雷擊的區(qū)域，而收費站這樣的特殊地理環(huán)境無疑使之大大增加了雷擊概率。臨海青嶺收費站所在地，2011年全年共有21個雷暴日，但收費站GPS定位與浙江省雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示:2011年收費站周圍5 km范圍內(nèi)地閃共有670個，最大正負地閃強度分別為64.6和－128.9 kA，其地域地閃分布狀態(tài)如圖2所示。

據(jù)介紹，收費站從2006年7月起的短短1年多的時間里，在其周邊區(qū)域就多次發(fā)生強閃電落地現(xiàn)象，并且經(jīng)常造成配電房的電源跳閘、收費設(shè)備損壞、工作人員膽戰(zhàn)心驚的情況，嚴重影響收費工作的開展。

2 項目設(shè)計方案

2.1 增設(shè)直擊雷防護設(shè)施

如圖1所示，兩塊廣告牌的高度與辦公樓屋脊高度相當(dāng)，但超過收費棚高度，它們的直擊雷防護措施此前已通過驗收。考慮到收費站附近區(qū)域在雷雨季節(jié)經(jīng)常發(fā)生云地閃現(xiàn)象，為了盡量不讓雷電直接擊在收費棚和辦公樓屋頂，在收費棚南邊廣告牌的一根鋼構(gòu)立柱上設(shè)置主動式提前預(yù)放電接閃桿。

2.2 內(nèi)部防雷措施改造

此項目屬于改造工程，因此業(yè)主單位只同意對配電房、辦公樓的電源安裝SPD的改造方案，對其它方面的防雷設(shè)施均不考慮改造。

2.2.1 第一級電源SPD

由于配電房經(jīng)常因雷擊而跳閘，因此在配電房的低壓側(cè)配電屏上安裝通流容量較大的SPD，其模式為4P(如圖3)，單個模塊的技術(shù)參數(shù)為:最大持續(xù)運行電壓Uc=385 V，最大沖擊電流Iimp=25 kA，電壓保護水平Up＜4.0 kV。

圖3 第一級SPD安裝圖

2.2.2 第二級電源SPD

在辦公樓的每個樓層配電箱總進線處安裝一組SPD，作為第二級電源保護。SPD選用8/20μs波形的產(chǎn)品，其模式為4P(如圖4)，單個模塊的參數(shù)為:最大持續(xù)運行電壓Uc=385 V，最大放電電流Imax=60 kA，標稱放電電流In=30 kA，電壓保護水平 Up＜2.0 kV。

圖4 第二級SPD安裝圖

2.2.3 第三級電源SPD(設(shè)在中心機房內(nèi))

收費站的中心機房位于辦公樓二層西面房間(也就是靠近收費亭的位置)。機房內(nèi)有1套UPS供電設(shè)備、1個小型的金屬設(shè)備機柜、1個視頻監(jiān)控臺，其中金屬設(shè)備機柜中放置視頻監(jiān)控設(shè)備和收費系統(tǒng)設(shè)備。

由于UPS除了向機房內(nèi)的弱電設(shè)備供電外，同時還向收費亭內(nèi)的弱電設(shè)備供電，因此安裝在UPS前端的電源SPD通流容量不能過小。SPD仍然選用8/20μs波形的產(chǎn)品，其模式為2P(如圖5，最左邊的是有聲報警模塊)，單個模塊的參數(shù)為:最大持續(xù)運行電壓Uc=385 V，最大放電電流Imax=40 kA，標稱放電電流In=20 kA，電壓保護水平 Up＜1.5 kV。

圖5 第三級SPD安裝圖

2.3 等電位及接地

辦公樓為3層框架結(jié)構(gòu)，中心機房位于二層，在機房的內(nèi)立柱主筋中引出接地端子，并對機房內(nèi)的設(shè)備金屬柜、金屬視頻監(jiān)控臺、防靜電地板金屬支架等金屬物體，以及電源線路PE線采取等電位接地措施。

3 電源SPD的參數(shù)選定過程和依據(jù)

設(shè)計方案中對電源線路SPD的選取是按照GB 50057—94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(2000年版)、GB 50343—2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》的要求，并綜合考慮了現(xiàn)場實際環(huán)境因素。

1)電源總配電箱處SPD沖擊電流值Iimp的確定。

根據(jù)GB 50057—94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(2000年版)，確定收費站為二類防雷建筑，雷電流幅值為150 kA;無屏蔽層的電力線從室外架空進入配電房，配電方式為為TN－C系統(tǒng)，且無其它管線進入配電房，則每個SPD通過的電流為i=150/2/3=25 kA。

因此選用I級分類試驗的SPD時，其沖擊電流Iimp≥25 kA(10/350μs)。

2)SPD的電壓保護水平UP要小于相應(yīng)位置設(shè)備的絕緣耐沖擊過電壓額定值UW(表 1)。

表1 配電線路各種設(shè)備絕緣耐沖擊過電壓額定值U W

3)在民用建筑的380/220 V供電系統(tǒng)中，SPD最大持續(xù)運行電壓Uc最小值應(yīng)符合表2要求。

由于我國的380/220 V的供電系統(tǒng)存在著允許供電電壓偏差超過額定電壓的10%和諧波使電壓幅值加大的情況，以及在TT供電系統(tǒng)中，相線對地線的最高持續(xù)故障電壓可能達到標稱電壓220 V的1.55倍，因此應(yīng)根據(jù)具體情況提高SPD的Uc值。

4)電源SPD兩端引線的截面積大小應(yīng)按照不小于表3的要求進行施工。

表2 SPD最大持續(xù)運行電壓U C最小值規(guī)定

表3 SPD連接銅導(dǎo)線最小截面積

4 SPD在雷擊事件中的實際應(yīng)用效果

本工程于2007年12月18日進行現(xiàn)場勘測，12月25日雙方同意設(shè)計方案并簽署合作協(xié)議，2008年1月10日工程完工。在這長達4年多的時間里僅僅接到過一次雷擊損壞設(shè)備事故報告。事后確認這次雷擊造成設(shè)備損壞的位置均是信號端口。

雷擊事故發(fā)生在2010年7月10日15時左右，12日上午接到通知，13日上午與雷擊事故調(diào)查人員一同趕往現(xiàn)場。

1)據(jù)當(dāng)事人描述，雷擊時看到一個火球直接擊中收費棚處，產(chǎn)生強烈火光，雷聲極大;收費亭內(nèi)多名收費員有身體發(fā)麻的感覺，并受到嚴重驚嚇，幸好并無其他大礙。

針對雷擊位置問題，分析認為應(yīng)該是提前預(yù)放電接閃桿發(fā)揮作用。現(xiàn)場用剩磁測試儀在安裝有提前預(yù)放電接閃桿下的廣告牌鋼構(gòu)立柱上檢測出的剩磁數(shù)據(jù)為0.65 mT。

2)據(jù)機房負責(zé)人介紹，這次雷擊事故發(fā)生后，配電房和辦公樓內(nèi)的電源均未出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，經(jīng)檢查SPD也未損壞。但是中心機房內(nèi)的控制收費系統(tǒng)的一臺服務(wù)器和一些輔助小設(shè)備受損、兩個收費崗?fù)?nèi)的終端設(shè)備受損，致使收費站一段時間內(nèi)停止收費工作。由于所有受損設(shè)備均被廠方拿回去修理，現(xiàn)場無法看到具體受損情況。

為了確定受損設(shè)備的具體損壞位置，雷擊事故調(diào)查負責(zé)人現(xiàn)場與廠方技術(shù)人員通話確認，對方明確告知設(shè)備損壞的位置均為信號端口，電源端口完好無損!

另外，據(jù)收費站負責(zé)人介紹:就在“7·10雷擊事故”的前幾天還發(fā)生了雷擊山頂高壓輸電線路事故，造成位于如圖1所示的高壓輸電鐵塔處的高壓變壓器燒毀，但收費站只是配電房跳閘、辦公樓各個配電箱中的斷路器(含SPD前端的斷路器)斷開，設(shè)備和SPD均安然無恙。其實山頂上的高壓輸電鐵塔離收費站不到500 m的距離，出現(xiàn)這么嚴重的雷擊事件卻無任何損失，這在實施防雷工程之前是難以想象的事情!

由此可見，本工程中設(shè)置的電源SPD在雷擊電磁脈沖防護方面發(fā)揮了重要作用，確保了被保護設(shè)備的安全運行。

5 結(jié)語

臨海市青嶺收費站中安裝的電源SPD能夠在其惡劣的雷擊環(huán)境中經(jīng)受住嚴峻考驗，并安全運行至今，證明了正確配置安裝的SPD在承受雷擊風(fēng)險能力方面是非常突出的、在雷擊電磁脈沖防護方面是非常有效的，在減少雷電災(zāi)害和財產(chǎn)經(jīng)濟損失方面是具有重要作用的。

為了使電源SPD在工程中發(fā)揮更好的作用，在設(shè)計和施工時應(yīng)注意以下幾方面。

1)SPD的持續(xù)運行電壓UC值選擇過高會影響SPD的保護效果，而過低會降低SPD的使用壽命?？紤]我國供電線路的特點，建議其值以380～420 V之間為宜。

2)SPD的電壓保護水平Up值必須小于被保護設(shè)備的絕緣耐沖擊過電壓UW值，這樣才有可能確保被保護設(shè)備不被損壞。

3)由于GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》代替了GB 50057—94(2000年版)，因此今后在計算電源總配電箱處SPD的每一保護模式的沖擊電流應(yīng)按下列兩個公式計算。

式中:I為雷電流(kA)，根據(jù)一、二、三類防雷類別，分別取200，150和100 kA;

n為地下和架空引入的外來金屬管道和線路的總數(shù);

m為每一線路內(nèi)導(dǎo)體芯線的總根數(shù);

Rs為屏蔽層每公里的電阻(Ω/km);

Rc為芯線每公里的電阻(Ω/km)。

4)為了確保被保護設(shè)備兩端的殘壓Ur足夠低，盡量讓SPD兩端的引線做到短而粗，長度以不大于0.5 m為宜，線徑以不小于表3中的參考值為宜。

5)當(dāng)在線路上安裝多級SPD進行保護時，電壓開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間的線路長度不宜小于10 m，限壓型SPD之間的線路長度不宜小于5 m。當(dāng)不滿足條件時，應(yīng)加裝退耦裝置，這樣才能保證當(dāng)暫態(tài)過電涌襲來時，SPD按照先后順序?qū)üぷ鳌?/p>

6)SPD一定要選擇質(zhì)量可靠、穩(wěn)定的產(chǎn)品，最好是經(jīng)多年使用并證實了的。這一點，對于在高雷擊風(fēng)險區(qū)域的防雷工程中就顯得尤為重要，否則就會功虧一簣。

［1］ 機械工業(yè)部.GB 50057—94建筑物防雷設(shè)計規(guī)范(2000年版)［S］.北京:中國計劃出版社，2001.

［2］ 四川省建設(shè)廳.GB 50343—2004建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］ 機械工業(yè)聯(lián)合會.GB 50057—2010建筑物防雷設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2011.

［4］ 楊紹胤，楊慶.電涌保護器的應(yīng)用［J］.電氣應(yīng)用，2005，24(2):37－40.

［5］ 朱亮亮，傅勇平.電涌保護器在民用建筑電氣設(shè)計中的選用［J］.現(xiàn)代建筑電氣，2010(6):38－41.