低壓配電系統(tǒng)浪涌保護(hù)器（SPD）設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及方法

曾峰

摘 要：防雷設(shè)計(jì)的強(qiáng)制性條文規(guī)定，建筑物應(yīng)設(shè)置防直擊雷的外部防雷裝置，并采取一定的防閃電電涌侵入措施。而安裝浪涌保護(hù)器（Surge Protection Device，簡稱SPD）是防止閃電電涌侵入的主要措施之一。結(jié)合浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及存在問題，提出了較為完善的低壓配電系統(tǒng)浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)方法，以期為相關(guān)單位提供參考。

關(guān)鍵詞：防雷裝置；浪涌保護(hù)器；電磁干擾；電子信息系統(tǒng)

中圖分類號：TM862 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.111

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，電子信息系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于建筑物內(nèi)部。但是這些系統(tǒng)普遍具有絕緣強(qiáng)度低、過電壓和電流耐受能力差、對雷擊所引發(fā)的電磁干擾敏感等特點(diǎn)。某些電子設(shè)備一旦遭受閃電電涌的侵害，則會失去效用，嚴(yán)重時將永久損壞，進(jìn)而導(dǎo)致電子信息系統(tǒng)癱瘓。浪涌保護(hù)器是電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可缺少的裝置之一，能保護(hù)相關(guān)設(shè)備或系統(tǒng)不被破壞，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。但因我國防雷工程的設(shè)計(jì)和施工水平參差不齊，導(dǎo)致一些不規(guī)范的浪涌保護(hù)器被安裝于建筑中。因此，本文對現(xiàn)行模式化的浪涌保護(hù)器設(shè)計(jì)存在的問題進(jìn)行了分析和研究，并提出了較為完善的低壓配電系統(tǒng)浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)方法，以期進(jìn)一步保障建筑物電子信息系統(tǒng)的安全。

1 浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

目前，浪涌保護(hù)器設(shè)計(jì)的主要依據(jù)為《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB 50343—1994）。該標(biāo)準(zhǔn)適用于電子信息系統(tǒng)防雷的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收和管理，明確規(guī)定了電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級的分級標(biāo)準(zhǔn)和浪涌保護(hù)器的設(shè)置位置、型號。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

建筑物防雷裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)與建筑物主體設(shè)計(jì)同步，且浪涌保護(hù)器應(yīng)作為安全電器安裝于電氣系統(tǒng)中。在設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)GB 50343—1994確定建筑物電子信息系統(tǒng)的防雷等級。

本文以某民用建筑為例，該建筑物電子信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)等級為D級。表1為該建筑中浪涌保護(hù)器的安裝位置及其標(biāo)準(zhǔn)放電電流。

1.3 存在問題

雖然上述模板化的浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)方法簡單易行，但卻未考慮到建筑物的特點(diǎn)、所處雷電環(huán)境、浪涌保護(hù)器的能量配合及其參數(shù)，難以真正實(shí)現(xiàn)科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)目標(biāo)。因此，最終生成的施工圖存在以下問題：①確定沖擊電流（放電電流）的方法僅考慮了建筑物的特性，未有效分析雷電環(huán)境。②浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)僅注重了沖擊電流的選取，忽略了最大持續(xù)工作

電壓、電壓保護(hù)值等重要參數(shù)。③在浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)中，雖然設(shè)定了第I級和第Ⅱ級浪涌保護(hù)器的放電電流均≥50 kA，但未考慮兩級間的距離和配合方法。④未考慮浪涌保護(hù)器的有效保護(hù)距離。如果浪涌保護(hù)器與設(shè)備的距離過遠(yuǎn)，則雷擊電流可能通過回路產(chǎn)生振蕩，形成反射雷擊電流，進(jìn)而導(dǎo)致浪涌保護(hù)器兩端的過電壓超過電壓保護(hù)范圍。

2 浪涌保護(hù)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

2.1 參考依據(jù)

在設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057—2010）、《雷電防護(hù)》（IEC62305）和《低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器（SPD）第12部分：選擇和使用導(dǎo)則》（GB/T 18802.12—2006）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)要求，并運(yùn)用最先進(jìn)的技術(shù)完善現(xiàn)有浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)方法。

2.2 設(shè)計(jì)步驟

浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括浪涌保護(hù)器配電箱的位置、浪涌保護(hù)器的主要參數(shù)。

2.2.1 雷電環(huán)境分析

設(shè)計(jì)人員應(yīng)分析建筑物所在位置的閃電定位資料，計(jì)算該區(qū)域的年平均落雷密度和雷電流峰值。在上述所舉的例子中，2000—2010年建筑物附近3 km×3 km范圍內(nèi)的年平均落雷密度為1.06次/km2，雷電流峰值為267.2 kA。

2.2.2 建筑特性分析

浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)必須在全面了解建筑物特性的基礎(chǔ)上，與建筑物的整體設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。建筑物的特性包括建筑規(guī)模（長、寬、高），供電制式，入戶線路的敷設(shè)方式、規(guī)格、型號，配電箱的位置，重要設(shè)備的位置、數(shù)量，配電系統(tǒng)中設(shè)備絕緣的耐沖擊電壓。

2.2.3 第I級浪涌保護(hù)器的基本參數(shù)

在本文所舉的例子中，應(yīng)安裝開關(guān)型浪涌保護(hù)器，其沖擊電流Iimp由雷電流峰值和入戶線路的情況決定，最大持續(xù)運(yùn)行電壓UC由配電系統(tǒng)的供電制式?jīng)Q定，電壓保護(hù)水平Up由被保護(hù)設(shè)備的最大耐受電壓決定。

沖擊電流Iimp為浪涌保護(hù)器能承受的最大電流。如果入戶的線纜為無屏蔽線纜，則：

Iimp=0.5I/nm. （1）

式（1）中：I為雷電流幅值，為保障浪涌保護(hù)器能泄放項(xiàng)目所在位置所有可能通過的雷電流，此處應(yīng)選取年雷電流峰值；n為入戶線纜數(shù)；m為芯線數(shù)量。

屏蔽電纜可通過以下公式計(jì)算：

Iimp=0.5IRs/n（mRs+Rc）. （2）

式（2）中：Rs為屏蔽層單位長度的電阻；Rc為芯線單位長度電阻。

最大持續(xù)運(yùn)行電壓UC為可能持續(xù)施加于浪涌保護(hù)器的最大均方根電壓或直流電壓，且等于浪涌保護(hù)器的額定電壓。在計(jì)算UC時，要保證其能滿足回路中電源電壓不平衡和不穩(wěn)定的實(shí)際需求。在TN系統(tǒng)中，UC應(yīng)大于1.1倍的系統(tǒng)供電相電壓，即>242 V。

電壓保護(hù)水平Up為后續(xù)保護(hù)的限制電壓。因此，應(yīng)考慮有效的電壓保護(hù)水平，即在保證浪涌保護(hù)器連接線長度<0.5 m的前提下，留有20%的余量，其計(jì)算公式為：

Up/f=1.2Up. （3）

因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中應(yīng)保證：

Up/f

2.2.4 浪涌保護(hù)器配電箱的位置

從原則上講，浪涌保護(hù)器的配電箱應(yīng)設(shè)置于兩防雷分區(qū)的交界處，且對于所有由外引入的電氣線路，均應(yīng)在低壓總配電箱處安裝第I級浪涌保護(hù)器。

2.2.5 有效保護(hù)距離

有效保護(hù)距離是浪涌保護(hù)器與設(shè)備間線路的最長距離，在此段距離內(nèi)，浪涌保護(hù)器能有效保護(hù)設(shè)備。因此，保護(hù)距離應(yīng)取因震蕩現(xiàn)象而形成的保護(hù)距離或因感應(yīng)現(xiàn)象而形成的保護(hù)距離中的較小值。

對于因振蕩現(xiàn)象而形成的保護(hù)距離Lpo，當(dāng)線路長度>10 m或UP>UW/2時：

LPO=[UW-UP]/K（m）. （5）

式（5）中：K=25（V/m）。

因感應(yīng)現(xiàn)象而形成的保護(hù)距離Lpi的計(jì)算公式為：

LPi=[UW-UP]/H. （6）

式（6）中：H=30 000×KS1×KS2×KS3；KS1為與建筑物內(nèi)的屏蔽在LPS或LPZ0/1臨界處產(chǎn)生的屏蔽效應(yīng)有關(guān)的因子，KS1=0.12ω（ω為柵格空間屏蔽的尺寸）；KS2為與建筑物內(nèi)的屏蔽在LPZ1/2臨界處產(chǎn)生的屏蔽效應(yīng)有關(guān)的因子，計(jì)算方法同KS1；KS3為隨內(nèi)部線路而變化的系數(shù)。

如果被保護(hù)設(shè)備在第I級浪涌保護(hù)器的保護(hù)范圍內(nèi)，則第I級浪涌保護(hù)器可起到保護(hù)設(shè)備的作用；如果被保護(hù)設(shè)備在第I級浪涌保護(hù)器的保護(hù)范圍外，則應(yīng)考慮安裝第II級和第III級浪涌保護(hù)器。在上述所舉的例子中，可安裝限壓型浪涌保護(hù)器，雖然其對雷電流的泄放能力低于第I級浪涌保護(hù)器，但可持續(xù)工作電壓和電壓保護(hù)水平的確定方法可參照按第I級浪涌保護(hù)器的基本參數(shù)。

2.2.6 能量配合

為了保證多級浪涌保護(hù)器間的有效配合，實(shí)現(xiàn)逐級泄放雷電流的目標(biāo)，開關(guān)型浪涌保護(hù)器與限壓型浪涌保護(hù)器的距離應(yīng)>15 m，限壓級浪涌保護(hù)器之間的距離應(yīng)>5 m。如果無法滿足上述要求，則應(yīng)增設(shè)集中電感作為等效電阻。

此外，在確定了浪涌保護(hù)器配電箱的安裝位置、電壓保護(hù)水平滿足系統(tǒng)要求的情況下，如果沒有其他特殊規(guī)定，則要從浪涌保護(hù)器的正常狀態(tài)、故障狀態(tài)兩方面考慮其是否會對其他設(shè)備造成影響。在浪涌保護(hù)器正常運(yùn)行的情況下，應(yīng)確保最大持續(xù)工作電流IC不會引發(fā)任何設(shè)備故障，即IC應(yīng)小于與之配合的剩余電流保護(hù)器額定剩余動作電流的1/3；在浪涌保護(hù)器故障的情況下，為了不影響其他設(shè)備的運(yùn)行，應(yīng)加設(shè)必要的脫離裝置。

設(shè)計(jì)好的浪涌保護(hù)器的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足系統(tǒng)的要求后，則可出圖、制作。雖然浪涌保護(hù)器可加入電氣系統(tǒng)的圖紙中，但應(yīng)明確其參數(shù)要求，并附上建筑物供電系統(tǒng)下的浪涌保護(hù)器安裝示意圖。

3 結(jié)束語

綜上所述，配電系統(tǒng)中的設(shè)備常遭到雷電過電壓和雷擊電磁脈沖的破壞，因此，盡快解決建筑物電子信息系統(tǒng)的雷電災(zāi)害防護(hù)問題十分重要。隨著相關(guān)法律法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)、安裝日漸規(guī)范化，已成為建筑物防雷工程中不可或缺的重要組成部分之一。本文分析了浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀、存在問題，并在此基礎(chǔ)上，綜合考慮了浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)要求，完善了設(shè)計(jì)方法，以期提升建筑物電子信息系統(tǒng)的防雷減災(zāi)效果。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕