SPD后備保護裝置選擇與應(yīng)用探討

熊小俊， 楊 媚

(中國建筑設(shè)計院有限公司， 北京 100044)

1 SPD的發(fā)展起源及現(xiàn)狀

SPD最早出現(xiàn)于19世紀(jì)末期，用于架空輸電線路，防止雷擊損壞設(shè)備絕緣而造成停電，故稱“Surge Protective Device(浪涌保護器)”。20世紀(jì)20年代，出現(xiàn)了鋁浪涌保護器，氧化膜浪涌保護器和丸式浪涌保護器;30年代出現(xiàn)了管式浪涌保護器;50年代出現(xiàn)了碳化硅防雷器;70年代由日本松下公司首先發(fā)明了以金屬氧化物陶瓷為主要部件的金屬氧化物浪涌保護器。SPD發(fā)展至今，在高壓輸電線路、微電子及民用建筑等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，SPD雖在保護電氣系統(tǒng)和重要的電氣電子設(shè)備免遭雷擊過電壓的損壞中起到了重要作用，但SPD也經(jīng)常因選擇使用不當(dāng)導(dǎo)致自身故障甚至引起火災(zāi)等事故發(fā)生。因此SPD后備保護的選擇使用不容忽視。

2 SPD工作原理及分類

SPD保護功能主要用于限制瞬態(tài)過電壓和分泄電涌電流。瞬態(tài)過電壓一般包括大氣過電壓和操作過電壓。當(dāng)雷電落在建筑物或者建筑物附近以及輸電線路或輸電線路附近，會侵入或感應(yīng)出數(shù)十千伏的瞬態(tài)過電壓，并沿著線路侵入配電回路而損壞電氣電子設(shè)備。為了保護電氣系統(tǒng)和重要的電氣電子設(shè)備免遭雷擊過電壓的損壞，配電系統(tǒng)和通信信號系統(tǒng)必須安裝電涌保護器。按照工作原理劃分，SPD可分為以下三類。

2.1 電壓開關(guān)型電涌保護器

無電涌出現(xiàn)時為高阻狀態(tài)，當(dāng)電涌電壓達到一定值時SPD突變?yōu)榈妥杩?。通常采用放電間隙、充氣放電管、硅可控整流器或三端雙向可控硅元件做電壓開關(guān)型電涌保護器的組件。具有不連續(xù)的電壓、電流特性。適用于LPZ0A區(qū)或LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)界面處的雷電流浪涌保護。

2.2 限壓型電涌保護器

無電涌出現(xiàn)時為高阻狀態(tài)，隨著電涌電流和電壓的增加，阻抗連續(xù)變小。通常采用壓敏電阻、抑制二極管作限壓型電涌保護器的組件，也稱“箝壓型”電涌保護器。具有連續(xù)的電壓、電流特性。因其響應(yīng)時間快、劣化情況易檢測、沒有續(xù)流、成本低，故常用于LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)及以上雷電防護區(qū)域內(nèi)的雷電電磁脈沖導(dǎo)致的過電壓或操作過電壓保護。

2.3 組合型電涌保護器

由電壓開關(guān)型元件和限壓型元件組合而成的電涌保護器，主要是利用開關(guān)器件的大放電電流，以及限壓元件的電壓限制特性，使得整體SPD參數(shù)更完美。其特性隨所加電壓的特性可以分為電壓開關(guān)型、限壓型或電壓開關(guān)型和限壓型皆有(測試波形不會改變器件特性)。

3 SPD后備保護設(shè)置的必要性

根據(jù)SPD工作原理及元器件自身特點， SPD內(nèi)部防雷芯片在正常使用情況下會受到多次雷電流沖擊、操作過電壓、高溫、高濕等影響，導(dǎo)致防雷芯片老化、劣化。通常流過限壓型(采用壓敏電阻)SPD的初始漏電流一般≤40μA，市場部分電涌保護器初始漏電流<5μA，但承受額定通流放電后，漏電流開始逐步增大，并且隨著放電次數(shù)的增加，漏電流持續(xù)增大，當(dāng)漏電流增加到一定值時(通常單閥片不應(yīng)超過1mA)，SPD開始升溫發(fā)熱，劣化速度變快，極易引起火災(zāi)。除此之外，在當(dāng)高能量電涌沖擊或線路工頻故障，SPD發(fā)生短路失效時，若無線路保護，不能將故障線路及時斷開，也將導(dǎo)致配電線路發(fā)生火災(zāi)，甚至SPD爆炸。綜上，切斷線路SPD內(nèi)部芯片的漏電流和線路工頻短路電流是設(shè)置SPD后備保護的主要原因。

4 SPD后備保護選擇要點

根據(jù)SPD漏電流及工頻短路故障電流的大小及產(chǎn)生原因，通常SPD后備保護采用內(nèi)部保護和外部保護兩種形式，并同時設(shè)置。

4.1 SPD的內(nèi)部保護

有效控制SPD內(nèi)部漏電流是SPD內(nèi)部保護的關(guān)鍵。市場有些產(chǎn)品初始漏電流很小，但使用后會有很大增幅，變化率很高。與之相反的是，市場上另一些電涌保護器初始漏電流比較大(5～30μA)，但經(jīng)受多次額定通流放電后，漏電流卻增幅很小，這是一項非常重要的指標(biāo)。漏電流變化率高的電涌保護器，安全性、可靠性及使用壽命都較低，漏電流變化率越低，電涌保護器使用的安全性和可靠性以及使用壽命越高。當(dāng)SPD內(nèi)部漏電流增大時，SPD內(nèi)部溫度升高至限值，內(nèi)部通過低溫焊錫或機械式金屬彈片等熱保護裝置脫扣(不同廠家產(chǎn)品內(nèi)部裝置有所不同)，迅速斷開與電源的連接，保障SPD安全。因此也不應(yīng)過分追求小的漏電流，而是應(yīng)該更關(guān)注SPD使用過程中漏電流的變化率，通常應(yīng)≤200%。

4.2 SPD的外部保護

當(dāng)過載的能量電涌沖擊或線路工頻故障(短路/ 暫時過電壓(TOV))時，由于續(xù)流的存在或氣體膨脹產(chǎn)生巨大壓力，脫扣點不能保證是溫度最高的熔穿點，造成SPD對地短路，持續(xù)的短路電流導(dǎo)致SPD發(fā)熱、起火。因此，當(dāng)SPD前加裝后備保護裝置后，在SPD發(fā)生短路失效時，后備保護裝置斷開，線路得到保護。

(1)電涌的耐受能力

SPD正常工作時，電涌電流不僅僅是流過SPD，也會流過線路上的其他所有設(shè)備，包括SPD后備保護裝置。為防止電涌電流正常流過時不發(fā)生后備保護設(shè)備的誤動作，導(dǎo)致SPD防雷失效，應(yīng)合理選擇后備保護設(shè)備的耐受能力。下文就以熔斷器為例進行分析(分析結(jié)果表明：相同額定電流的斷路器電涌耐受性能優(yōu)于熔斷器)。

熔斷器的耐受性主要取決于弧前值，即I2t，根據(jù)GB/T 18802.12-2014《低壓電涌保護器(SPD)第12部分：低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器選擇和使用導(dǎo)則》附錄P，弧前值計算公式為：

(1)

(2)

式中，Icrest為電涌單次沖擊電流(單位kA)，I2t單位為A2·s。

根據(jù)GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》要求，?、窦壴囼炿娪勘Ｗo器沖擊電流為12.5kA；Ⅱ級試驗電涌保護器In≥5 kA(Imax取In的兩倍計算)。

根據(jù)以上公式計算：對于10/350波形：I2t=256.3×12.52=40 047(A2·s)，對于8/20波形：I2t=14.01×102=1 401(A2·s)。由于受預(yù)處理和動作負(fù)載試驗影響，熔斷器的性能將降低，故實際使用時應(yīng)考慮0.5～0.9的降低系數(shù)。

參見表1，可以準(zhǔn)確選擇后備保護裝置整定電流。否則，流過后備保護器的雷擊沖擊電流的能量太低，不會使后備保護動作；雷擊沖擊電流的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后備保護的弧前積分值(即燃弧值，I2t)，則又會使后備保護會發(fā)生爆炸。除機械損壞的后果外，雷電流可能會以電弧形式繼續(xù)流過已爆炸的后備保護，并產(chǎn)生后續(xù)的影響。

單次沖擊耐受能力和通過全部預(yù)處理/動作負(fù)載試驗的耐受能力的比值的示例 表1

(2)工頻過電流的短路保護

當(dāng)SPD自身的短路耐受能力或短路分?jǐn)嗄芰Υ笥诎惭b處的預(yù)期短路電流時，則認(rèn)為SPD已具備保護功能，此時可無需安裝外置的后備保護器；但普通SPD一般無法滿足目前供電系統(tǒng)的預(yù)期短路電流。因此在SPD短路失效并無法有效分?jǐn)喽搪冯娏鲿r，SPD應(yīng)設(shè)置后備保護器并能分?jǐn)嘞鄳?yīng)的預(yù)期短路電流。

(3)與上級開關(guān)的保護配合

后備保護應(yīng)采用具有C型脫扣曲線的延時脫扣器，其額定電流根據(jù)SPD的最大放大電流Imax來選擇;或采用熔斷器，與上一級熔斷器實現(xiàn)選擇性配合(配合比為1/1.6)。當(dāng)上一級過電流保護器的額定值小于SPD引線回路里的過電流保護器的整定值時，SPD后備保護則不起作用，可省略或選擇小一級整定值。

4.3 不同類型后備保護裝置比較

現(xiàn)行市場SPD生產(chǎn)廠家采用的后備保護器元器件類型較多，紛繁復(fù)雜。常見類型有SPD專用后備保護裝置(SCB)、一體式熔斷器(FU)、塑殼斷路器(MCCB)，微斷(MCB)等。如何選擇后備保護器類型及主要參數(shù)一直沒有明確規(guī)定及準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，甚至不同產(chǎn)品技術(shù)人員有許多不一致觀點和宣傳，給設(shè)計人員造成不少困惑。表2為各產(chǎn)品類型作為后備保護使用的特點分析。

各產(chǎn)品類型作為后備保護使用的特點 表2

5 結(jié)束語