電源SPD在惡劣雷擊環境中的應用效果

李軍正 陸力源 陸炳權 呂先金

(1.臺州市氣象局，浙江椒江318000;2.臺州市椒江區氣象局，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和信息系統中，對雷電過電壓、電氣系統操作過電壓、雷擊電磁脈沖方面進行防護。

防雷工作實踐中發現，大部分的設備雷電災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在電子信息系統防雷改造工程中是最有效、最方便的措施。處在惡劣雷擊環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境如圖1所示:東面為靈江水系、西南面到西北面被山體環抱，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。防雷規范中明確指出江湖邊上、山坡下、土山頂部、山谷風口、特別潮濕處，以及山頂上或曠野處的孤立建(構)筑物都是最易遭受雷擊的區域，而收費站這樣的特殊地理環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測定位系統監測數據顯示:2011年收費站周圍5 km范圍內地閃共有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如圖2所示。

據介紹，收費站從2006年7月起的短短1年多的時間里，在其周邊區域就多次發生強閃電落地現象，并且經常造成配電房的電源跳閘、收費設備損壞、工作人員膽戰心驚的情況，嚴重影響收費工作的開展。

2 項目設計方案

2.1 增設直擊雷防護設施

如圖1所示，兩塊廣告牌的高度與辦公樓屋脊高度相當，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域在雷雨季節經常發生云地閃現象，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立柱上設置主動式提前預放電接閃桿。

2.2 內部防雷措施改造

此項目屬于改造工程，因此業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施均不考慮改造。

2.2.1 第一級電源SPD

由于配電房經常因雷擊而跳閘，因此在配電房的低壓側配電屏上安裝通流容量較大的SPD，其模式為4P(如圖3)，單個模塊的技術參數為:最大持續運行電壓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波形的產品，其模式為4P(如圖4)，單個模塊的參數為:最大持續運行電壓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(設在中心機房內)

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)。機房內有1套UPS供電設備、1個小型的金屬設備機柜、1個視頻監控臺，其中金屬設備機柜中放置視頻監控設備和收費系統設備。

由于UPS除了向機房內的弱電設備供電外，同時還向收費亭內的弱電設備供電，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)，單個模塊的參數為:最大持續運行電壓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層框架結構，中心機房位于二層，在機房的內立柱主筋中引出接地端子，并對機房內的設備金屬柜、金屬視頻監控臺、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的參數選定過程和依據

設計方案中對電源線路SPD的選取是按照GB 50057—94《建筑物防雷設計規范》(2000年版)、GB 50343—2004《建筑物電子信息系統防雷技術規范》的要求，并綜合考慮了現場實際環境因素。

1)電源總配電箱處SPD沖擊電流值Iimp的確定。

根據GB 50057—94《建筑物防雷設計規范》(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，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要小于相應位置設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供電系統中，SPD最大持續運行電壓Uc最小值應符合表2要求。

由于我國的380/220 V的供電系統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供電系統中，相線對地線的最高持續故障電壓可能達到標稱電壓220 V的1.55倍，因此應根據具體情況提高SPD的Uc值。

4)電源SPD兩端引線的截面積大小應按照不小于表3的要求進行施工。

表2 SPD最大持續運行電壓U C最小值規定

表3 SPD連接銅導線最小截面積

4 SPD在雷擊事件中的實際應用效果

本工程于2007年12月18日進行現場勘測，12月25日雙方同意設計方案并簽署合作協議，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備事故報告。事后確認這次雷擊造成設備損壞的位置均是信號端口。

雷擊事故發生在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查人員一同趕往現場。

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

針對雷擊位置問題，分析認為應該是提前預放電接閃桿發揮作用。現場用剩磁測試儀在安裝有提前預放電接閃桿下的廣告牌鋼構立柱上檢測出的剩磁數據為0.65 mT。

2)據機房負責人介紹，這次雷擊事故發生后，配電房和辦公樓內的電源均未出現跳閘現象，經檢查SPD也未損壞。但是中心機房內的控制收費系統的一臺服務器和一些輔助小設備受損、兩個收費崗亭內的終端設備受損，致使收費站一段時間內停止收費工作。由于所有受損設備均被廠方拿回去修理，現場無法看到具體受損情況。

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

另外，據收費站負責人介紹:就在“7·10雷擊事故”的前幾天還發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，本工程中設置的電源SPD在雷擊電磁脈沖防護方面發揮了重要作用，確保了被保護設備的安全運行。

5 結語

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境中經受住嚴峻考驗，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，在減少雷電災害和財產經濟損失方面是具有重要作用的。

為了使電源SPD在工程中發揮更好的作用，在設計和施工時應注意以下幾方面。

1)SPD的持續運行電壓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。考慮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備的絕緣耐沖擊過電壓UW值，這樣才有可能確保被保護設備不被損壞。

3)由于GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》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按下列兩個公式計算。

式中:I為雷電流(kA)，根據一、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;

m為每一線路內導體芯線的總根數;

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)當在線路上安裝多級SPD進行保護時，電壓開關型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。當不滿足條件時，應加裝退耦裝置，這樣才能保證當暫態過電涌襲來時，SPD按照先后順序導通工作。

6)SPD一定要選擇質量可靠、穩定的產品，最好是經多年使用并證實了的。這一點，對于在高雷擊風險區域的防雷工程中就顯得尤為重要，否則就會功虧一簣。

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

［2］ 四川省建設廳.GB 50343—2004建筑物電子信息系統防雷技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2004.

［3］ 機械工業聯合會.GB 50057—2010建筑物防雷設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2011.

［4］ 楊紹胤，楊慶.電涌保護器的應用［J］.電氣應用，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計中的選用［J］.現代建筑電氣，2010(6):38－41.