低壓電源中電涌保護(hù)器后備過(guò)電流保護(hù)器的選擇分析*

殷春生,　羅國(guó)華,　朱延愛,　裘文君

(杭州市富陽(yáng)區(qū)氣象局, 浙江 杭州　311400)

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低壓電源中電涌保護(hù)器后備過(guò)電流保護(hù)器的選擇分析*

殷春生,羅國(guó)華,朱延愛,裘文君

(杭州市富陽(yáng)區(qū)氣象局, 浙江 杭州311400)

在防雷設(shè)計(jì)中,不僅要關(guān)注電涌保護(hù)器的安全性能,通常還要為其配置后備過(guò)電流保護(hù)器。介紹了低壓電源系統(tǒng)存在的電壓異常情況,在考慮電涌保護(hù)器安全性能的基礎(chǔ)上,從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求、試驗(yàn)情況及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)方面分析了后備過(guò)電流保護(hù)器的選擇,并給出過(guò)電流保護(hù)器選擇的合理建議,可為電氣設(shè)計(jì)人員提供參考。

低壓電源; 電涌保護(hù)器; 過(guò)電流保護(hù)器; 小型斷路器; 失效模式

0　引　言

低壓電源系統(tǒng)中的電涌保護(hù)器(Surge Protective Device,SPD)在工作期間,需要承受電源系統(tǒng)上的各種電壓,并有可能導(dǎo)致危險(xiǎn)。限壓型SPD失效模式主要以短路為主,通常在防雷設(shè)計(jì)中均會(huì)為其配置后備過(guò)電流保護(hù)器[1-4]。因后備過(guò)電流保護(hù)器所在位置的特殊性,所以選擇的后備過(guò)電流保護(hù)器應(yīng)具備兩種功能:可以承受所在位置的電涌電流,不會(huì)因電涌電流的沖擊而引起頻繁斷開;在SPD失效時(shí)應(yīng)及時(shí)從供電線路斷開,避免由于SPD短路引起主回路萬(wàn)能式斷路器斷開而導(dǎo)致的設(shè)備斷電情況出現(xiàn)。過(guò)電流保護(hù)器的這兩種功能互相矛盾,因通常情況下過(guò)電流保護(hù)器在短路情況下分?jǐn)嗨俣仍娇?其額定電流越小,同時(shí)額定電流越小,過(guò)電流保護(hù)器的電涌承受能力越低。因此,為電涌保護(hù)器選擇合適的后備過(guò)電流保護(hù)器是目前防雷行業(yè)的一個(gè)難題。

1　低壓電源系統(tǒng)存在的電壓異常情況

SPD長(zhǎng)期安裝在電源線路上,除了需要抑制小概率事件的雷擊過(guò)電壓之外,長(zhǎng)期承受低壓電源系統(tǒng)的工作電壓。當(dāng)?shù)蛪弘娫聪到y(tǒng)中的送、配電設(shè)備發(fā)生故障或用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),電源系統(tǒng)的工作電壓會(huì)發(fā)生波動(dòng)。金屬氧化物圧敏電阻(MOV)器件是一種電圧敏感電器,工作電壓的變化會(huì)引起產(chǎn)品性能的變化,甚至引發(fā)安全性事故。

1.1中高壓電源系統(tǒng)故障導(dǎo)致的過(guò)電壓

對(duì)于低壓電源系統(tǒng),常見的電源系統(tǒng)故障是供電系統(tǒng)最末一級(jí)10 kV/0.38 kV變圧器內(nèi)部發(fā)生高壓接地故障,如圖1所示。

圖1　10 kV/0.38 kV電源系統(tǒng)故障情況

在小接地電阻的供電系統(tǒng)中,由于上一級(jí)變壓器采用小接地電阻的接地方案,會(huì)通過(guò)故障變壓器大地與上級(jí)變壓器的小電阻接地裝置輸電線路形成很大的故障電流。該故障電流在流過(guò)最末一級(jí)變壓器的接地線時(shí),會(huì)因?yàn)榻拥仉娮璧拇嬖谝鹱儔浩魍鈮与娢坏拇蠓?。由于低壓電源系統(tǒng)的各相線電壓以外殼電位為基準(zhǔn),導(dǎo)致整個(gè)三相電源系統(tǒng)對(duì)地電位大幅升高。故障會(huì)引起連接在低壓電源系統(tǒng)中所有設(shè)備的相線與地線之間的電壓大幅增加,而相線對(duì)中性線之間的電壓仍保持正常。連接在低壓電源系統(tǒng)相線和地線之間的SPD受到嚴(yán)重的影響。

1.2低壓電源系統(tǒng)故障導(dǎo)致的過(guò)電壓

低壓電源系統(tǒng)常見的另外一種故障是中性線缺失(見圖1)。連接到用戶設(shè)備的電源線路從末端變壓器接出,在故障情況下中性線端子從連接處脫落,造成電源系統(tǒng)無(wú)中性線,連接在相線和中性線之間的設(shè)備得到的電壓不一樣,完全由電源系統(tǒng)連接設(shè)備的阻抗決定。

2　SPD后備過(guò)電流保護(hù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

GB 18802.12—2014(IEC 61643.12)《低壓電涌保護(hù)器(SPD) 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》[5]第6.2.4.3條規(guī)定:“當(dāng)SPD和過(guò)電流保護(hù)器或剩余電流動(dòng)作保護(hù)器(RCD)配合時(shí),在標(biāo)稱放電電流In下,建議過(guò)電流保護(hù)器或RCD應(yīng)不動(dòng)作。然而,當(dāng)電流比In大時(shí),過(guò)電流保護(hù)器動(dòng)作是可以的。對(duì)于可復(fù)位過(guò)電流保護(hù)器,如斷路器,不應(yīng)被這種電涌損壞”。在上述條款的“注1”中寫明,“在能遭受大電流的地方,如果In大于過(guò)電流保護(hù)器所在的位置的實(shí)際耐受能力,過(guò)電流保護(hù)器件動(dòng)作電流可比In低,在這種情況下SPD標(biāo)稱放電電流的選擇取決于電涌性能?！?/p>

GB 50689—2012《通信局(站)防雷與接地工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]第9.2.6條規(guī)定:“在電源SPD的引接線上,應(yīng)串接斷路器或熔斷器。斷路器或熔斷器的標(biāo)稱電流不宜大于前級(jí)供電線路斷路器或熔斷器的1/1.6倍。當(dāng)設(shè)備交流供電回路電流小于10 A時(shí),且已在回路中加斷路器,可不在防雷器前另加斷路器或熔斷器?！?/p>

GB 16895.22—2004(IEC 60364-5-53:2001)《建筑物電氣裝置 第5-53部分:電氣設(shè)備的選擇和安裝 隔離、開關(guān)和控制設(shè)備 第534節(jié):過(guò)電壓保護(hù)電器》[7]第534.2.4條規(guī)定:“防止電涌保護(hù)器短路的保護(hù)是采用過(guò)電流保護(hù)器F2,應(yīng)當(dāng)根據(jù)電涌保護(hù)器產(chǎn)品手冊(cè)中推薦的過(guò)電流保護(hù)器的最大額定值選擇。如果過(guò)電流保護(hù)器F1的額定值小于或等于推薦用的過(guò)電流保護(hù)器F2的最大額定值時(shí),則可省去F2”。同時(shí),附錄A中的TN系統(tǒng)SPD安裝圖示中給出了電源裝置的過(guò)電流保護(hù)器及防雷器的過(guò)電流保護(hù)器的各自安裝位置。

GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]、GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》[9]沒有對(duì)過(guò)電流保護(hù)器的要求進(jìn)行明確的文字描述,僅在GB 50343—2012中提出“電涌保護(hù)器應(yīng)有過(guò)電流保護(hù)裝置和劣化顯示功能”,但在所有SPD安裝圖示中SPD支路上均有后備過(guò)電流保護(hù)器的示意。

3　對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解

GB 18802.12—2014第6.2.4.3條給出了過(guò)電流保護(hù)器的電涌耐受能力和分?jǐn)嗄芰煞N功能矛盾時(shí)的選擇傾向。對(duì)于處于同一個(gè)雷電分區(qū)的設(shè)備(配電拒),按照標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)的SPD通流容量一致,與之配套的后備過(guò)電流保護(hù)器的額定值通常也相同,但這些處于同一雷電分區(qū)配電箱的開關(guān)容量常會(huì)有差異,即有些斷路器額定值較大,有些則較小。所以應(yīng)先根據(jù)配電柜所在雷電分區(qū)來(lái)確定SPD的通流容量,然后再選擇后備過(guò)電流保護(hù)器的額定值,若主斷路器的額定值等于或小于正常情況SPD應(yīng)配置過(guò)電流保護(hù)器的額定值時(shí),可適當(dāng)降低過(guò)電流保護(hù)器的額定值,以使其與主斷路器的額定值匹配。

對(duì)于SPD后備過(guò)電流保護(hù)器與供電系統(tǒng)主開關(guān)額定容量的關(guān)系,GB 50689—2012第9.2.5條中進(jìn)行了明確,要求“斷路器或熔斷器的標(biāo)稱電流不宜大于前級(jí)供電線路斷路器或熔斷器的1/1.6倍”。

當(dāng)按照GB 18802.12—2014及GB 50689—2012,為SPD配置的后備過(guò)電流保護(hù)器的額定值小于或等于SPD所在供電線路的斷路器額定值時(shí),GB 16895.22—2004規(guī)定SPD后備過(guò)電流保護(hù)器可以省略。因此,當(dāng)用戶考慮斷路器后方設(shè)備不能因防雷器的維護(hù)更換而斷電時(shí),則仍應(yīng)安裝后備過(guò)電流保護(hù)器,為SPD的維護(hù)提供方便。

4　后備過(guò)電流保護(hù)器的耐電涌性能

在實(shí)際工程實(shí)踐中,大多選擇小型斷路器(Miniature Circuit Breaker,MCB)作為后備過(guò)電流保護(hù)器。這是因MCB可復(fù)位,一旦在所處位置出現(xiàn)較大的電涌電流時(shí)可即時(shí)分?jǐn)?但仍可人工復(fù)位;MCB作為后備過(guò)電流保護(hù)器,可在被保護(hù)設(shè)備不斷電的情況下只斷開SPD支路開關(guān)而對(duì)SPD進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。因此,本文只對(duì)MCB的試驗(yàn)情況進(jìn)行介紹。

通過(guò)對(duì)多個(gè)品牌常用規(guī)格的MCB進(jìn)行過(guò)雷電流沖擊試驗(yàn),總結(jié)出以下規(guī)律:

(1) MCB耐電涌特性不穩(wěn)定。同品牌、同規(guī)格、同批次的C特性32 A MCB,其電涌耐受能力不同,如一個(gè)可以耐波形8/20 μs、幅值為20 kA的雷電流沖擊10次(間隔1 min),而不會(huì)分?jǐn)?但另一個(gè)可能只耐受2次同量級(jí)的沖擊就會(huì)分?jǐn)唷?/p>

(2) 不同品牌的MCB耐電涌特性有較大差異。通過(guò)對(duì)多個(gè)品牌MCB進(jìn)行沖擊電流試驗(yàn),得出不同品牌MCB雖然規(guī)格都相同,但試驗(yàn)結(jié)果各不相同。某品牌C特性2P MCB的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,試驗(yàn)方法按照GB 18802.1—2014《低壓電涌保護(hù)器(SPD) 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》[10]第7.6.4條的要求進(jìn)行。

表1某品牌C特性2P MCB的試驗(yàn)結(jié)果

MCB額定電流/A通過(guò)的8/20μs試驗(yàn)電流量級(jí)/kA試驗(yàn)次數(shù)/次1010151610152515153225l563251510035l5

(3) MCB極數(shù)越多,流通量越高。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),極數(shù)越多,MCB通流量越高,主要因多極MCB分?jǐn)鄷r(shí)需更強(qiáng)的電動(dòng)斥力使動(dòng)觸頭、靜觸頭斷開。

綜上所述,在選用任何一種新品牌、新規(guī)格的MCB時(shí),應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行沖擊電流試驗(yàn),以了解其電涌耐受能力。

5　MCB特性的選擇

GB 10963.1—2005《電氣附件 家用及類似場(chǎng)所用過(guò)電流保護(hù)斷路器 第1部分:用于交流的斷路器》[11]中,根據(jù)斷路器的瞬時(shí)脫扣電流分為B型、C型和D型。GB 10963.1—2005中斷路器的瞬時(shí)脫扣電流范圍如表2所示。

由表2可知,應(yīng)根據(jù)被保護(hù)負(fù)載短路電流的不同選擇不同特性的斷路器。通常,B型斷路器一般用于短路電流較小的負(fù)載,如白熾燈、電加熱器等電阻性負(fù)載及住宅線路的保護(hù);D型斷路器一般用于需要較大的驅(qū)動(dòng)電流、保護(hù)特性不靈敏的設(shè)備,如電動(dòng)機(jī)、變壓器、電磁閥等,用于避開起動(dòng)時(shí)瞬間大電流,避免產(chǎn)生誤動(dòng)作;通用的負(fù)載一般采用C型斷路器,如建筑照明、動(dòng)力配電系統(tǒng)的線路保護(hù)等。

表2　GB 10963.1—2005中斷路器的瞬時(shí)脫扣電流范圍

注:對(duì)待定場(chǎng)合,也可使用至50In。

從經(jīng)濟(jì)的角度看,C型斷路器是大批量生產(chǎn)的,較經(jīng)濟(jì),而B型、D型斷路器只用于一些特殊的場(chǎng)所。

6　結(jié)　語(yǔ)

(1) 應(yīng)為SPD配置過(guò)電流保護(hù)器,一是作為SPD短路失效的后備保護(hù),二是為SPD的維護(hù)和在線監(jiān)測(cè)提供方便,維護(hù)或更換SPD時(shí)只需斷開后備斷路器,不必?cái)嚅_主回路斷路器,避免被保護(hù)設(shè)備由于SPD維護(hù)而中斷運(yùn)行。

(2) 為避免在實(shí)際應(yīng)用中MCB出現(xiàn)因雷電流耐受水平太低而頻繁跳閘的情況,在選用任何一種新品牌、新規(guī)格的MCB時(shí),應(yīng)與SPD配套進(jìn)行雷電流試驗(yàn),了解其耐電涌特性,從而做出合理選擇。

(3) 一般情況下選擇MCB時(shí),100 kA的SPD應(yīng)選擇C特性100 A MCB作為后備過(guò)電流保護(hù)器;60 kA的SPD應(yīng)選擇C特性63 A MCB;40 kA的SPD應(yīng)選擇C特性32 A MCB。當(dāng)選擇熔斷器時(shí),沖擊放電電流20kA的SPD應(yīng)選擇250 A的熔斷器;沖擊放電電流15 kA的SPD應(yīng)選擇200 A的熔斷器;最大放電電流40 kA的SPD應(yīng)選擇125 A的熔斷器;最大放電電流25 kA的SPD應(yīng)選擇80 A的熔斷器。

教師專業(yè)發(fā)展的國(guó)際研究表明，教師專業(yè)發(fā)展不是從理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐應(yīng)用的線性過(guò)程，而是一個(gè)在實(shí)踐體驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行反思的漸進(jìn)過(guò)程[6]。體育教育專業(yè)的學(xué)生通過(guò)課堂內(nèi)容整體化的學(xué)習(xí)，只能得到間接經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法將知識(shí)與技能內(nèi)化。通過(guò)到中小學(xué)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，接觸到實(shí)際的教學(xué)對(duì)象與特定的教學(xué)情景，才能有效地對(duì)知識(shí)進(jìn)行“輸出”，進(jìn)而達(dá)成理論知識(shí)與教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合的目的。階段性的教學(xué)實(shí)習(xí)方式提供職前體育教師充裕的教學(xué)反思時(shí)間，在返回大學(xué)繼續(xù)學(xué)習(xí)時(shí)將更有針對(duì)性，以彌補(bǔ)和克服上一階段教育實(shí)習(xí)的不足，形成“理論-實(shí)踐-理論”的良性循環(huán)，真正實(shí)現(xiàn)了從教育理論走向教育實(shí)踐、由教育實(shí)踐檢驗(yàn)教育理論的研究目標(biāo)。

(4) MCB的電涌性能及分?jǐn)嗄芰γ軙r(shí),應(yīng)優(yōu)先選擇MCB額定電流。

(5) 由于MCB的耐電涌特性,在雷雨季節(jié)時(shí)應(yīng)對(duì)SPD及配套的過(guò)電流保護(hù)器加強(qiáng)巡檢,及時(shí)對(duì)由于雷電流沖擊而分?jǐn)嗟腗CB進(jìn)行復(fù)位,確保下次雷擊時(shí)被保護(hù)設(shè)備的安全。

[1]黃麗雄,王宏民.電涌保護(hù)器后備保護(hù)裝置的選用原則[J].現(xiàn)代建筑電氣,2015,6(10):30-34.

[2]姚軍.微型斷路器的選擇使用[J].電世界,2000(3):4-6.

[3]尚克粉,門殿良,尚現(xiàn)有.微型斷路器的選擇與使用[J].電氣時(shí)代.2004(12):119-120.

[4]吳振華,蔡振新.低壓配電系統(tǒng)用SPD后備保護(hù)的選擇與應(yīng)用[J].電氣工程應(yīng)用,2007(2):.

[5]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—2014[S].

[7]建筑物電氣裝置 第5-53部分:電氣設(shè)備的選擇和安裝 隔離、開關(guān)和控制設(shè)備 第534節(jié):過(guò)電壓保護(hù)電器:GB 16895.22—2004[S].

[8]建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50057—2010[S].

[9]建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范:GB 50343—2012[S].

[10]低壓電涌保護(hù)器(SPD) 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:GB 18802.1—2011[S].

[11]電氣附件 家用及類似場(chǎng)所用過(guò)電流保護(hù)斷路器 第1部分:用于交流的斷路器:GB 10963.1—2005[S].

Analysis About Selection of Backup Overcurrent Protective Device of Surge Protective Device in Low Voltage Power Supply System

YIN Chunsheng,LUO Guohua,ZHU Yan’ai,QIU Wenjun

(Fuyang Meteorological Service, Hangzhou 311400, China)

We not only pay close attention to the safety performance of surge protective device(SPD) in lighting protection design,but also collocate the backup overcurrent protective device.This paper introduced the existing low voltage differences in low voltage power supply system.Based on considering the safety performance of SPD,the selections of backup overcurrent protective device were analyzed in aspects of relevant standard stipulations,testing situations and engineering practical experiences.The reasonable selection suggestions of backup overcurrent protective device are provided.It could provide references for electrical designers.

low voltage power supply; surge protective device(SPD); overcurrent protection device; miniature circuit breaker(MCB); failure mode; safety performance

殷春生(1986—),男,工程師,從事雷電防護(hù)工作。

杭州市氣象局科技計(jì)劃項(xiàng)目(QX201133)

TU 856

B

1674-8417(2016)06-0051-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.06.013

2015-10-28

羅國(guó)華(1982—),男,從事雷電防護(hù)工作。

朱延愛(1987—),女,從事雷電防護(hù)工作。