智能建筑物供配電系統(tǒng)中電涌保護(hù)器的配置

王 艷

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)天津電力設(shè)計(jì)院有限公司，天津300400）

水電站

智能建筑物供配電系統(tǒng)中電涌保護(hù)器的配置

王 艷

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)天津電力設(shè)計(jì)院有限公司，天津300400）

電涌是由雷電、電源切換及大型設(shè)備開(kāi)、關(guān)操作導(dǎo)致的瞬態(tài)過(guò)電壓，可造成敏感電氣設(shè)備的一次性損壞和提前老化。通過(guò)對(duì)低壓配電系統(tǒng)接地方式的介紹及電涌對(duì)電子系統(tǒng)設(shè)備的潛在危害性分析，在智能建筑物供電電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合相應(yīng)接地系統(tǒng)對(duì)電涌保護(hù)器進(jìn)行配置。

電涌；電涌保護(hù)器（SPD）；接地方式；防雷接地；統(tǒng)一接地體

1 低壓配電系統(tǒng)的接地方式

低壓配電系統(tǒng)，電壓一般為380/220V，我國(guó)廣泛采用中性點(diǎn)直接接地的運(yùn)行方式，設(shè)置中性線N和保護(hù)線PE。TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、IT系統(tǒng)為常用的接地方式。電氣系統(tǒng)接地的主要作用是防止發(fā)生觸電事故，保證人身安全以及給雷電電流提供一個(gè)低阻抗通路，使雷電電流安全地流入大地而不造成危害。低壓配電系統(tǒng)接地在建筑物供配電設(shè)計(jì)中占有非常重要的地位，智能建筑物低壓配電系統(tǒng)宜采用TN-S系統(tǒng)。

TN系統(tǒng)電源端有一點(diǎn)直接接地，電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分通過(guò)保護(hù)中性導(dǎo)體或保護(hù)導(dǎo)體連接到此接地點(diǎn)。根據(jù)中性導(dǎo)體和保護(hù)導(dǎo)體的組合情況，TN系統(tǒng)又分為T(mén)N-S、TN-C、TN-C-S方式［3］：

1.1 TN-S系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)中保護(hù)導(dǎo)體與中性導(dǎo)體是分開(kāi)的［3］，即是一個(gè)三相四線加一個(gè)PE線的接地系統(tǒng)，如圖1。

圖1 TN-S系統(tǒng)

1.2 TN-C系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)中保護(hù)導(dǎo)體與中性導(dǎo)體是合一的，PEN線是嚴(yán)禁斷開(kāi)的，如圖2。

圖2 TN-C系統(tǒng)

1.3 TN-C-S系統(tǒng)

TN-C系統(tǒng)和TN-S系統(tǒng)兩個(gè)接地系統(tǒng)組成，在整個(gè)系統(tǒng)中PE線與N線是部分合用的，分界面在N線與PE線的連接點(diǎn)。保護(hù)PE線與中性N線分開(kāi)后就不能再合二為一，如圖3。

圖3 TN-C-S系統(tǒng)

2 智能建筑物供配電系統(tǒng)的電涌來(lái)源

電涌又被稱為瞬態(tài)過(guò)電壓，是電路中出現(xiàn)的一種瞬間（一般為百萬(wàn)分之一秒）的電流、電壓波動(dòng)。

智能建筑物弱電系統(tǒng)的電涌一般來(lái)自系統(tǒng)外部和內(nèi)部，主要來(lái)源有以下幾個(gè)方面：

2.1 雷電電涌

雷電擊中電力線路或通信數(shù)據(jù)線路，放電回路瞬間通過(guò)線路流過(guò)巨大的雷電流，并以光速向線路兩端涌去，在線路上產(chǎn)生很高的直擊雷過(guò)電壓，直接破壞相連的敏感電氣設(shè)備。

雷電沒(méi)有直接擊中電力線路或通信數(shù)據(jù)線路，但導(dǎo)線上產(chǎn)生了大量失去雷云電荷束縛的自由電荷，迅速向線路兩端涌去，出現(xiàn)很高的感應(yīng)過(guò)電壓，侵入建筑物內(nèi)部，危害敏感電氣設(shè)備。

2.2 操作電涌

電力公司的大型公用輸電網(wǎng)開(kāi)關(guān)的關(guān)合操作，會(huì)在線路上產(chǎn)生操作過(guò)電壓，破壞與之相連接的重要電氣設(shè)備。

系統(tǒng)內(nèi)部的電涌，80%以上均產(chǎn)生于建筑物內(nèi)部的電氣設(shè)備。如電焊機(jī)、空氣壓縮機(jī)、空調(diào)、電梯、泵、復(fù)印機(jī)等電感性負(fù)荷的頻繁啟停。

3 電涌的主要危害

3.1 對(duì)電子系統(tǒng)產(chǎn)生危害

建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范把由敏感電子組合部件構(gòu)成的系統(tǒng)定名為電子系統(tǒng)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，近年來(lái)由雷電造成的電子系統(tǒng)損壞呈上升趨勢(shì)。電子系統(tǒng)對(duì)雷擊電磁脈沖敏感度高，反應(yīng)速度快，耐瞬態(tài)過(guò)電壓、過(guò)電流能力很低，且設(shè)備昂貴，當(dāng)電流、電壓超出其承受的范圍后，會(huì)造成硬件和軟件的故障，損失大，甚至還可能造成人身傷害。

3.2 對(duì)電子系統(tǒng)中信號(hào)線、信號(hào)接口產(chǎn)生危害

隨著現(xiàn)場(chǎng)總線、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、通信交換機(jī)的大量應(yīng)用，電涌可能通過(guò)引下線、側(cè)擊雷及地電位環(huán)路等復(fù)雜方式繞過(guò)上級(jí)保護(hù)裝置，通過(guò)通信線路對(duì)通信接口包括以太網(wǎng)接口、現(xiàn)場(chǎng)總線接口、同軸電纜接口、程控交換機(jī)接口、通訊接口及通訊設(shè)備造成損壞。

3.3 對(duì)電氣系統(tǒng)產(chǎn)生危害

電氣系統(tǒng)是由低壓供電組合部件構(gòu)成的系統(tǒng)，也稱低壓配電系統(tǒng)或低壓配電線路［1］。電氣系統(tǒng)中的斷路器、負(fù)荷開(kāi)關(guān)、熔斷器等電氣設(shè)備的選擇主要考慮短路時(shí)的過(guò)電壓和過(guò)電流值，而電涌產(chǎn)生的過(guò)電壓和過(guò)電流遠(yuǎn)大于設(shè)備的額定耐受值，從而造成電氣設(shè)備誤動(dòng)作及損壞等后果。

在智能建筑物內(nèi)，要求保護(hù)接地的設(shè)備非常多，有強(qiáng)電設(shè)備、弱電設(shè)備及一些正常情況下不帶電的導(dǎo)電設(shè)備與構(gòu)件，必須采用等電位連接、保護(hù)接地及各種功能接地。在正常情況下，各接地極間電位差為零，當(dāng)電涌電流流入時(shí)，電位突升，通過(guò)接地系統(tǒng)對(duì)電氣設(shè)備造成危害。

3.4 對(duì)UPS不間斷電源產(chǎn)生危害

大型計(jì)算中心、網(wǎng)絡(luò)中心、大型通信樞紐、銀行、通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、監(jiān)控系統(tǒng)等重要場(chǎng)所均設(shè)置有UPS不間斷電源，UPS能為電子系統(tǒng)內(nèi)的敏感設(shè)備提供高質(zhì)量，持續(xù)可靠的供電電源，保障了電子系統(tǒng)的持續(xù)安全運(yùn)行，當(dāng)UPS受到電涌損壞時(shí)可能導(dǎo)致電子系統(tǒng)癱瘓，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)安全事故。

4 電涌保護(hù)器的配置

4.1 智能建筑物電子及電氣系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)的必要性

雷害對(duì)象不僅僅是建筑物本身，還包括了建筑物內(nèi)大量的電氣、電子系統(tǒng)設(shè)備，這些設(shè)備由于靈敏度高，耐壓值低，很容易受到感應(yīng)雷電所形成電磁脈沖的干擾。所以，電涌是電氣工程設(shè)計(jì)中不可忽視的重要因素，因此在國(guó)家防雷規(guī)范中，加進(jìn)了電涌保護(hù)器（Surge Protective device，以下簡(jiǎn)稱SPD）的選型，利用SPD的非線性特性限制瞬時(shí)過(guò)電壓和分走電涌電流達(dá)到保護(hù)電氣、 電子系統(tǒng)設(shè)備的目的［1］。GB50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》詳細(xì)規(guī)定了電氣、電子系統(tǒng)選用SPD的要求。

建筑物內(nèi)部所安裝的電氣設(shè)備和微電子設(shè)備越來(lái)越多，越來(lái)越昂貴。除了設(shè)備本身的價(jià)值外，其重要性、不可間斷性及運(yùn)行所產(chǎn)生的價(jià)值無(wú)疑更重要、更昂貴，電子及電氣系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)也更加重要。

建筑物電子及電氣系統(tǒng)防雷是一個(gè)系統(tǒng)工程，必須綜合考慮：①要防護(hù)直擊雷；②要防閃電電磁脈沖。綜合防雷設(shè)計(jì)就是將外部防雷裝置和內(nèi)部防雷裝置作為整體統(tǒng)一考慮。

4.2 電涌保護(hù)器配置原則

（1）在建筑物的進(jìn)線入口處即主配電盤(pán)上安裝電涌保護(hù)裝置，作為第1級(jí)保護(hù)，在分配電盤(pán)及配電箱上安裝電涌保護(hù)裝置，作為第2級(jí)保護(hù)。同一線路上游和下游的SPD應(yīng)做好能量上的配合。

（2）電子及電氣系統(tǒng)前加裝電涌保護(hù)裝置，選擇SPD時(shí)應(yīng)考慮其類(lèi)型、功能、性能參數(shù)、信號(hào)傳輸方式、接地要求、安全性等因素。

（3）電子系統(tǒng)中信號(hào)線、信號(hào)接口前應(yīng)加裝電涌保護(hù)裝置，對(duì)于大型的、重要的電子系統(tǒng)的信號(hào)線路，應(yīng)設(shè)置智能型SPD及其監(jiān)控系統(tǒng)。

（4）在UPS不間斷電源前應(yīng)加裝電涌保護(hù)裝置。

4.3 加裝防電涌保護(hù)裝置的技術(shù)要求

（1）被保護(hù)設(shè)備額定沖擊耐受電壓應(yīng)等于或大于電涌保護(hù)器的有效電壓保護(hù)水平。

（2）防電涌保護(hù)裝置（SPD）應(yīng)盡量靠近被保護(hù)的設(shè)備，連接線盡量短，SPD級(jí)聯(lián)安裝時(shí)，通過(guò)選擇SPD的通流量、響應(yīng)時(shí)間、安裝位置來(lái)實(shí)現(xiàn)SPD之間和SPD與被保護(hù)設(shè)備之間的配合。

（3）對(duì)于大型重要的電氣、電子系統(tǒng)，應(yīng)設(shè)置智能型SPD及其監(jiān)控系統(tǒng)。

（4）加裝SPD后應(yīng)確保原系統(tǒng)工作正常。

4.4 供電電源系統(tǒng)的SPD設(shè)計(jì)

按電氣、電子系統(tǒng)的重要性、使用性能和價(jià)值確定防護(hù)等級(jí)，劃分為A、B、C、D級(jí)。供電電源系統(tǒng)的SPD應(yīng)根據(jù)電氣、電子系統(tǒng)的防護(hù)等級(jí)采用不同的防護(hù)措施：

（1）A級(jí)應(yīng)采用4級(jí)SPD進(jìn)行保護(hù)，最后一級(jí)應(yīng)采用多級(jí)集成SPD；

（2）B級(jí)應(yīng)采用3級(jí)SPD進(jìn)行保護(hù)，最后一級(jí)應(yīng)采用多級(jí)集成SPD；

（3）C級(jí)應(yīng)采用2級(jí)SPD進(jìn)行保護(hù)；

（4）D級(jí)應(yīng)采用1～2級(jí)SPD進(jìn)行保護(hù)。

供電電源系統(tǒng)各級(jí)SPD選用取決于SPD之間、SPD與被保護(hù)設(shè)備之間的能量配合，各級(jí)限壓型SPD之間的線路長(zhǎng)度不小于5m，開(kāi)關(guān)型與限壓型之間的線路長(zhǎng)度不小于10m，否則應(yīng)在其間加退耦器件。智能建筑物安裝很多重要的電氣、電子設(shè)備，應(yīng)當(dāng)在電源進(jìn)線處（TN-S系統(tǒng)或TN-C-S系統(tǒng)）和電子設(shè)備供電處根據(jù)設(shè)備耐過(guò)壓的能力裝設(shè)多級(jí)SPD。

圖4～圖5為T(mén)N-C-S、TN-S兩種接地系統(tǒng)電源電涌保護(hù)器SPD安裝圖。

圖4 TN-C-S系統(tǒng)電涌保護(hù)方式

圖5 TN-S系統(tǒng)電涌保護(hù)方式

“1級(jí)SPD”設(shè)置在總配電柜開(kāi)關(guān)下口，通流容量要求：8/20μs 100kA，對(duì)經(jīng)由大廈電源進(jìn)入的電涌進(jìn)行抑制。“2級(jí)SPD”設(shè)置在分配電柜開(kāi)關(guān)下口，通流容量要求：8/20μs 40kA。 “3級(jí)SPD”加裝在重要設(shè)備配電系統(tǒng)或工作電源前，通流容量要求：8/20μs 5～20kA，一般在有消防控制中心、設(shè)備監(jiān)控室、程控交換室、安保監(jiān)控室等樓層的配電盤(pán)或進(jìn)入監(jiān)控室的配電柜上安裝。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)智能建筑物低壓配電系統(tǒng)采用TN系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)采用TN-S或TN-C-S系統(tǒng)的接地方式，電子信息系統(tǒng)配電線路必須采用TN-S系統(tǒng)的接地方式，并且共用一個(gè)總接地裝置。

（2）電源SPD的選用要嚴(yán)格按BG50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》要求進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)，避免雷擊及雷電過(guò)電壓防護(hù)不當(dāng)造成線路電涌損失，同時(shí)建筑物必須將外部防雷裝置和內(nèi)部防雷裝置統(tǒng)一考慮，最終將電涌對(duì)電氣、電子設(shè)備的破壞降到最低，最大限度地避免由此帶來(lái)的損失。

［1］GB50057—2010，建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］DB/T29-58—2010，雷電電磁脈沖建筑防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］GB 14050—2008，系統(tǒng)接地的型式及安全技術(shù)要求［S］.

［4］欽林學(xué).供電系統(tǒng)中電涌保護(hù)器的設(shè)置和選用［J］.煤炭技術(shù)，2007（12）.

［5］葉蜚譽(yù)，史有德，沈立棠.建筑物電源電涌保護(hù)設(shè)計(jì)若干問(wèn)題［J］.電氣工程應(yīng)用，2003（1）.

［6］史子龍.電涌保護(hù)器在低壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2011（12）.

The configuration of surge protection device of power supply system in intelligent buildings

WANG Yan
（Chinese Energy Construction Group Tianjin Electric Power Design Institute Co.Ltd,Tianjin 300400,China）

Surge is by lightning， power switching load and some other large equipment， leading to transient overvoltage，can cause sensitive electrical equipment of one-time damage， disorder and premature aging.In this paper， the grounding of the low-voltage distribution system type，as well as the introduction to the surge of expensive electrical equipment potential hazards of analysis，in electrical engineering design should be combined with the corresponding grounding system，of SPDs in intelligent building power supply system configuration.

surge；surge protection device （SPD）；grounding type；grounding for lightening；unified grounding body

TM7

B

1672-9900（2015）06-0086-04

2015-09-23

王 艷（1972-），女（漢族），陜西戶縣人，高級(jí)工程師，主要從事電氣設(shè)計(jì)及管理工作，（Tel）13920765667。