低壓配電系統中多級SPD的能量配合的探討

王江

【摘 要】低壓配電系統中，常采用多級SPD釋放電涌能量，以保護用電設

備因雷電過電壓、操作過電壓及暫態過電壓而絕緣損壞。本文基于行波理論分析各級SPD的關系，對各種能量配合方案進行分析，對工程實際具有重要指導意義。

【關鍵詞】浪涌保護器；能量配合；行波理論；退耦器

Discussion on Energy Coordination of Multilevel SPD in Low Voltage Power Distribution System

WANG Jiang

（Guiyang Architectural Design Institute Co.， Ltd.， Guiyang 550081， China）

【Abstract】In low-voltage power distribution system， often adopts multi-stage SPD release surge energy， to protect the Insulation of equipment damage from lightning， switching over-voltage and temporary over-voltage. Based on traveling wave theory， the paper analyzes the relationship between multi-stage SPD， and the analysis of various kinds of energy cooperation schemes， which has important guiding significance for engineering practice.

【Key words】Surge Protective Device；Energy cooperation；Traveling wave theory；Decoupling device

0 引言

在建筑物的防雷系統中，防雷電電涌入侵是整個防雷工程的重要組成部分，GB50057-2010對各類防雷建筑物的低壓配電線路裝設電涌保護器（SPD）進行規定，并給出各級SPD之間的安裝要求[1]，GB/T18802.12-2006規定多級SPD之間的配合原則[2]，然而，規范中未給出多級SPD級間配合可操作的方法。本文通各種配合方案進行分析，提出對多級SPD的選型與安裝優選方案。

1 電涌保護器的配合目的

配電線路SPD能量配合的目的，是利用SPD的泄流和限壓作用，把出現在配電線路上的任何地點的任何波形和幅度的過電流安全引入大地，把電壓限制在絕緣所能承受的范圍內[3]，對所有的浪涌過電壓、過電流，多級SPD保護系統中任何一個SPD所耗散的能量不超出其耐受能力，就實現了級間能量的配合。

2 多級電涌保護器的級間配合

2.1 基于靜態伏安特性的配合

根據行波理論，電流波或電壓波在線路中傳播速度為：

式中：L0表示導線以大地為回路的每米電感值

C0表示導線每米對地的電容值

在低壓配電系統的多級防護中，第一級采用電壓開關型SPD（如放電間隙）泄放大的雷電流，第二級采用限壓型SPD（如金屬氧化物非線性電阻器MOV，以下用MOV表示壓敏電阻），將電壓限制在較低的范圍之內，這是一種較常用的多級保護模式，如圖1所示。

由于MOV的響應時間較快，一般為25ns左右[4]，而放電間隙的響應時間約為100ns[4]，為了保證第一級保護比第二級保護先動作，以泄放大的電涌電流，應該保證的是在電涌到達MOV之前讓放電間隙動作。如雷電波沿著電力電纜侵入，首先到達放電間隙，由于放電間隙有響應時延，雷電波繼續向前行進，以交聯聚乙烯電力電纜為例，雷電波傳播速度為v=1.75×108m/s，那么，在上下級SPD響應的時間差T=（100-25）ns內向前行進的距離S可以計算出來。s=vt=1.75×108×75=13.13m

即上下級保護器件之間的距離大于13.13m，就能夠保證前級先動作，考慮器件實際響應誤差，取15m，從而達到SPD之間的配合。如果前后兩級保護均為MOV，響應時間均為25ns，但考慮到前后級MOV的引線長度的不同，啟動電壓的不同以及響應時間上的分散性等情況，響應時間的差值假定為30ns，那么，為了保證前級先動作，則兩級保護間的距離應為：

s=vt=1.75×108×30=5.25m

由上計算可知，電壓開關型SPD與限壓型SPD之間的線路長度不小于13.13m，限壓型之間的線路長度不小于5.25m，達到SPD之間的配合。

3.2 利用線路分布阻抗或退耦元件的配合

當SPD間沒有足夠距離時，如為電纜線路，可采用增加電纜長度實現配合，也可以利用退耦器來達到級間配合的目的，退耦元件一般采用有足夠耐電涌能力的電感或電阻元件，電阻元件常用于信息系統（不作討論）。

電感作為退耦元件，須考慮電流波形，即di/dt。

圖2是兩級SPD利用退耦器相配合的例子。圖中SPD1和SPD2都是限壓型電涌保護器，也可以是SPD1采用電壓開關型，SPD2采用限壓型。若SPD1、SPD2的導通電壓分別是Un1和Un2，則所選用的元件應當滿足Un2

（1）入侵沖擊波的波形，主要是電流波前的升速——di/dt；

（2）非線性元件SPD1和SPD2的導通電壓Un1和Un2的相對大小；

（3）隔離阻抗Zn的性質是電阻Rs還是電感Ls，以及它們的大小。

由于通常情況下，入侵電流一開始的上升速度相當快，條件

Ls（di/dt）+Uu2≥Un1（2）

常常是能夠滿足的，于是第一級先導通。若第一級導通時的限制電壓為Ures，則以后隨著入侵沖擊電流的升速的下降，當條件

Ures≥Ls（di/dt）+Un2（3）

得到滿足時，第二級才導通。第二級導通后，將輸出端的電壓，抑制在一個較低的水平上。

當第一級為電壓開關型SPD、第二級為限壓型SPD時，退耦器電感值可用下式校驗：

Ls≥（4）

其中：Uf—氣體間隙的陡波最大擊穿電壓，kV；

U2—取限壓型SPD殘壓或電網額定相電壓峰值，kV；

di/dt—雷電流陡度，一般可取0.1kA/μs；

Ls—退耦器電感值，μH。

由式（8）可見，電感與雷電流陡度有關，電流陡度越小電感值越大。實際線路上電流陡度變化很大，所以退耦器電感不是一個確定的值。

3.3 采用觸發型SPD

觸發型SPD的采用電子觸發電路實現后續SPD通過電涌電流不超過其耐受能力，無須驗證級間能量配合。

4 電涌保護器之間的配合方案

4.1 配合方案Ⅰ

所有的SPD均采用相同的殘壓Ures，并都具有連續不斷的伏安特性。各級SPD和被保護設備的配合正常時由它們的線路阻抗來完成，如圖3所示。

4.2 配合方案Ⅱ

各級SPD的殘壓是遞增的，從第一級SPD到最后一級SPD逐級升高，且各級都有連續不斷的伏安特性的元件（限壓型SPD），殘壓逐級上高可以更好的保證上一級SPD先于后級動作[5]，但是最后一級殘壓不應大于設備絕緣耐受電壓，如圖4所示：

4.3 配合方案Ⅲ

第一級SPD為電壓開關型（如放電間隙，氣體放電管），其后的SPD為限壓型（如壓敏電阻），此方案中，第一級SPD主要泄防電涌電流，后續SPD為限電涌電壓，具備理想的保護效果，應用較普遍[6]示：

4.4 配合方案Ⅳ

將兩級SPD組合在一個裝置內形成一個四端SPD，在裝置內部兩級SPD之間用串接阻抗或濾波器進行配合，如圖6所示。

該配合起到了向下級傳遞最小能量的作用，使輸出到下一級SPD或設備的剩余威脅最小。

另外，SPD與被保護設備間的配合，主要是與被保護設備的特性和抗沖擊性進行配合。

5 結束語

（1）能量配合的目的是使SPD電壓保護水平小于被保護設備絕緣耐沖擊電壓要求，滿足低壓設備絕緣配合要求。

（2）通長情況下，電壓開關型SPD與限壓型SPD之間距離大于15m時，限壓型SPD之間距離大于6m時，可實現上下級能量配合。

（3）上下級SPD之間距離不滿足距離要求時，可采用增設退藕電感實現配合，其電感量由第一級SPD擊穿電壓、后一級SPD殘壓與電涌電流波決定。

（4）給出低壓配電系統中常見的幾種SPD能量配合方案，方案Ⅲ保護效果更為理想，對于（下轉第9頁）（上接第6頁）采用何種方案，根據工程實際及仿真試驗加以驗證。

【參考文獻】

[1]《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010.北京.中國計劃出版社，2010.

[2]《低壓配電系統的電涌保護器（SPD）第12部分：選擇和使用導則》GB/T18802.12-2006，北京.中國標準出版社，2006.

[3]姜輝，劉全楨，劉寶全，高鑫，畢曉蕾，高劍.低壓配電系統電涌保護器能量配合研究.電磁避雷器[J].2013（3）：137-143.

[4]林世祺，鄭鍵雄，羅志勇，謝寶永.建筑物低壓配電系統電涌保護器能量配合分析.價值工程[J].2015（21）：144-146.

[5]吳勁夫.電涌保護器幾件能量配合設計，煤炭技術[J].2012，31（9）：41-43.

[6]梅衛群，江燕如.《建筑防雷工程與設計》北京.氣象出版社.2008.endprint