智能建筑物供配電系統中電涌保護器的配置

王 艷

（中國能源建設集團天津電力設計院有限公司，天津300400）

水電站

智能建筑物供配電系統中電涌保護器的配置

王 艷

（中國能源建設集團天津電力設計院有限公司，天津300400）

電涌是由雷電、電源切換及大型設備開、關操作導致的瞬態過電壓，可造成敏感電氣設備的一次性損壞和提前老化。通過對低壓配電系統接地方式的介紹及電涌對電子系統設備的潛在危害性分析，在智能建筑物供電電源系統設計中應結合相應接地系統對電涌保護器進行配置。

電涌；電涌保護器（SPD）；接地方式；防雷接地；統一接地體

1 低壓配電系統的接地方式

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

TN系統電源端有一點直接接地，電氣裝置的外露可導電部分通過保護中性導體或保護導體連接到此接地點。根據中性導體和保護導體的組合情況，TN系統又分為TN-S、TN-C、TN-C-S方式［3］：

1.1 TN-S系統

整個系統中保護導體與中性導體是分開的［3］，即是一個三相四線加一個PE線的接地系統，如圖1。

圖1 TN-S系統

1.2 TN-C系統

整個系統中保護導體與中性導體是合一的，PEN線是嚴禁斷開的，如圖2。

圖2 TN-C系統

1.3 TN-C-S系統

TN-C系統和TN-S系統兩個接地系統組成，在整個系統中PE線與N線是部分合用的，分界面在N線與PE線的連接點。保護PE線與中性N線分開后就不能再合二為一，如圖3。

圖3 TN-C-S系統

2 智能建筑物供配電系統的電涌來源

電涌又被稱為瞬態過電壓，是電路中出現的一種瞬間（一般為百萬分之一秒）的電流、電壓波動。

智能建筑物弱電系統的電涌一般來自系統外部和內部，主要來源有以下幾個方面：

2.1 雷電電涌

雷電擊中電力線路或通信數據線路，放電回路瞬間通過線路流過巨大的雷電流，并以光速向線路兩端涌去，在線路上產生很高的直擊雷過電壓，直接破壞相連的敏感電氣設備。

雷電沒有直接擊中電力線路或通信數據線路，但導線上產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，出現很高的感應過電壓，侵入建筑物內部，危害敏感電氣設備。

2.2 操作電涌

電力公司的大型公用輸電網開關的關合操作，會在線路上產生操作過電壓，破壞與之相連接的重要電氣設備。

系統內部的電涌，80%以上均產生于建筑物內部的電氣設備。如電焊機、空氣壓縮機、空調、電梯、泵、復印機等電感性負荷的頻繁啟停。

3 電涌的主要危害

3.1 對電子系統產生危害

建筑物防雷設計規范把由敏感電子組合部件構成的系統定名為電子系統。根據統計數據，近年來由雷電造成的電子系統損壞呈上升趨勢。電子系統對雷擊電磁脈沖敏感度高，反應速度快，耐瞬態過電壓、過電流能力很低，且設備昂貴，當電流、電壓超出其承受的范圍后，會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 對電子系統中信號線、信號接口產生危害

隨著現場總線、網絡交換機、通信交換機的大量應用，電涌可能通過引下線、側擊雷及地電位環路等復雜方式繞過上級保護裝置，通過通信線路對通信接口包括以太網接口、現場總線接口、同軸電纜接口、程控交換機接口、通訊接口及通訊設備造成損壞。

3.3 對電氣系統產生危害

電氣系統是由低壓供電組合部件構成的系統，也稱低壓配電系統或低壓配電線路［1］。電氣系統中的斷路器、負荷開關、熔斷器等電氣設備的選擇主要考慮短路時的過電壓和過電流值，而電涌產生的過電壓和過電流遠大于設備的額定耐受值，從而造成電氣設備誤動作及損壞等后果。

在智能建筑物內，要求保護接地的設備非常多，有強電設備、弱電設備及一些正常情況下不帶電的導電設備與構件，必須采用等電位連接、保護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，當電涌電流流入時，電位突升，通過接地系統對電氣設備造成危害。

3.4 對UPS不間斷電源產生危害

大型計算中心、網絡中心、大型通信樞紐、銀行、通信、導航、雷達、監控系統等重要場所均設置有UPS不間斷電源，UPS能為電子系統內的敏感設備提供高質量，持續可靠的供電電源，保障了電子系統的持續安全運行，當UPS受到電涌損壞時可能導致電子系統癱瘓，嚴重時可能引發安全事故。

4 電涌保護器的配置

4.1 智能建筑物電子及電氣系統防雷設計的必要性

雷害對象不僅僅是建筑物本身，還包括了建筑物內大量的電氣、電子系統設備，這些設備由于靈敏度高，耐壓值低，很容易受到感應雷電所形成電磁脈沖的干擾。所以，電涌是電氣工程設計中不可忽視的重要因素，因此在國家防雷規范中，加進了電涌保護器（Surge Protective device，以下簡稱SPD）的選型，利用SPD的非線性特性限制瞬時過電壓和分走電涌電流達到保護電氣、 電子系統設備的目的［1］。GB50057—2010《建筑物防雷設計規范》詳細規定了電氣、電子系統選用SPD的要求。

建筑物內部所安裝的電氣設備和微電子設備越來越多，越來越昂貴。除了設備本身的價值外，其重要性、不可間斷性及運行所產生的價值無疑更重要、更昂貴，電子及電氣系統防雷設計也更加重要。

建筑物電子及電氣系統防雷是一個系統工程，必須綜合考慮：①要防護直擊雷；②要防閃電電磁脈沖。綜合防雷設計就是將外部防雷裝置和內部防雷裝置作為整體統一考慮。

4.2 電涌保護器配置原則

（1）在建筑物的進線入口處即主配電盤上安裝電涌保護裝置，作為第1級保護，在分配電盤及配電箱上安裝電涌保護裝置，作為第2級保護。同一線路上游和下游的SPD應做好能量上的配合。

（2）電子及電氣系統前加裝電涌保護裝置，選擇SPD時應考慮其類型、功能、性能參數、信號傳輸方式、接地要求、安全性等因素。

（3）電子系統中信號線、信號接口前應加裝電涌保護裝置，對于大型的、重要的電子系統的信號線路，應設置智能型SPD及其監控系統。

（4）在UPS不間斷電源前應加裝電涌保護裝置。

4.3 加裝防電涌保護裝置的技術要求

（1）被保護設備額定沖擊耐受電壓應等于或大于電涌保護器的有效電壓保護水平。

（2）防電涌保護裝置（SPD）應盡量靠近被保護的設備，連接線盡量短，SPD級聯安裝時，通過選擇SPD的通流量、響應時間、安裝位置來實現SPD之間和SPD與被保護設備之間的配合。

（3）對于大型重要的電氣、電子系統，應設置智能型SPD及其監控系統。

（4）加裝SPD后應確保原系統工作正常。

4.4 供電電源系統的SPD設計

按電氣、電子系統的重要性、使用性能和價值確定防護等級，劃分為A、B、C、D級。供電電源系統的SPD應根據電氣、電子系統的防護等級采用不同的防護措施：

（1）A級應采用4級SPD進行保護，最后一級應采用多級集成SPD；

（2）B級應采用3級SPD進行保護，最后一級應采用多級集成SPD；

（3）C級應采用2級SPD進行保護；

（4）D級應采用1～2級SPD進行保護。

供電電源系統各級SPD選用取決于SPD之間、SPD與被保護設備之間的能量配合，各級限壓型SPD之間的線路長度不小于5m，開關型與限壓型之間的線路長度不小于10m，否則應在其間加退耦器件。智能建筑物安裝很多重要的電氣、電子設備，應當在電源進線處（TN-S系統或TN-C-S系統）和電子設備供電處根據設備耐過壓的能力裝設多級SPD。

圖4～圖5為TN-C-S、TN-S兩種接地系統電源電涌保護器SPD安裝圖。

圖4 TN-C-S系統電涌保護方式

圖5 TN-S系統電涌保護方式

“1級SPD”設置在總配電柜開關下口，通流容量要求：8/20μs 100kA，對經由大廈電源進入的電涌進行抑制。“2級SPD”設置在分配電柜開關下口，通流容量要求：8/20μs 40kA。 “3級SPD”加裝在重要設備配電系統或工作電源前，通流容量要求：8/20μs 5～20kA，一般在有消防控制中心、設備監控室、程控交換室、安保監控室等樓層的配電盤或進入監控室的配電柜上安裝。

5 結語

（1）當智能建筑物低壓配電系統采用TN系統時，應采用TN-S或TN-C-S系統的接地方式，電子信息系統配電線路必須采用TN-S系統的接地方式，并且共用一個總接地裝置。

（2）電源SPD的選用要嚴格按BG50057-2010《建筑物防雷設計規范》要求進行防雷設計，避免雷擊及雷電過電壓防護不當造成線路電涌損失，同時建筑物必須將外部防雷裝置和內部防雷裝置統一考慮，最終將電涌對電氣、電子設備的破壞降到最低，最大限度地避免由此帶來的損失。

［1］GB50057—2010，建筑物防雷設計規范［S］.

［2］DB/T29-58—2010，雷電電磁脈沖建筑防護標準［S］.

［3］GB 14050—2008，系統接地的型式及安全技術要求［S］.

［4］欽林學.供電系統中電涌保護器的設置和選用［J］.煤炭技術，2007（12）.

［5］葉蜚譽，史有德，沈立棠.建筑物電源電涌保護設計若干問題［J］.電氣工程應用，2003（1）.

［6］史子龍.電涌保護器在低壓配電系統中的應用［J］.中國石油和化工標準與質量，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，高級工程師，主要從事電氣設計及管理工作，（Tel）13920765667。