電涌保護器在水泥工程低壓配電系統中的應用研究

張煜

1　引言

雷電災害是世界最嚴重的十大自然災害之一，水泥工程建筑物內有電氣裝置、信號裝置時，一般都會設置綜合的防雷系統，即采用外部防雷和內部防雷相結合的方法。外部防雷由接閃器、防雷引下線、接地裝置等組成，內部防雷由等電位連接、電磁屏蔽、合理布線等組成。二十一世紀以來，水泥工程建筑物內安裝的電子信息設備、計算機設備等低壓電氣設備越來越多，需要電涌保護器（Surge Protection Device）進行過電壓保護。如果電涌保護器SPD設計安裝不合理，不僅不能對設備起到保護作用，而且很可能會影響系統的正常供電。因此對電涌保護器進行研究、設計與選型，并確定一種經濟有效的水泥工程低壓配電系統的防雷保護方案，使其充分發揮功能是非常必要的。

2　電涌保護器分類

電涌保護器按照用途可以分為電源系統SPD，信號系統SPD和天饋系統SPD；按照電涌保護器使用的非線性元件可以分為電壓開關型SPD、限壓型SPD和組合型SPD。

3　電涌保護器的主要參數

3.1　I級試驗

電氣系統中采用I級實驗的電涌保護器要用標稱放電電流In、1.2/50μs沖擊電壓和10/350μs最大沖擊電流試驗。

3.2　II級試驗

電氣系統中采用II級實驗的電涌保護器要用標稱放電電流In、1.2/50μs沖擊電壓和8/20μs電流波最大放電電流Imax做試驗。

3.3　III級試驗

電氣系統中采用III級實驗的電涌保護器要用組合波做試驗。組合波定義為由2Ω組合波發生器產生1.2/50μs開路電壓Uoc和8/20μs短路電流Isc。

3.4　沖擊電流Iimp

由電流峰值、電荷量和比能量W/R三個參數定義的電流，用于流過電涌保護器的I類實驗。典型波形為10/350μs。

GB 50057-2010《建筑物防雷設計規范》規定：低壓電源線路引入的總配電箱、配電柜處裝設I級試驗的電涌保護器，配電變壓器設在本建筑物內或附設于外墻處，并在低壓側配電屏的母線上安裝I級試驗的電涌保護器。電涌保護器保護模式下的每一次沖擊電流值，當電源線路無屏蔽層時可按照式（1）計算，當有屏蔽層時可按照式（2）計算。式中的雷電流取值為100kA（第三類防雷建筑物）、150kA（第二類防雷建筑物）、200kA（第一類防雷建筑物）。

式中：

n——地下及架空引入的外來金屬管道和線路的總數

m——每一線路內導體芯線的總根數

RS——屏蔽層每公里的電阻

RC——芯線每公里的電阻

GB 50057-2010《建筑物防雷設計規范》中規定，當無法確定沖擊電流值時，沖擊電流應≥12.5kA。

3.5　標稱放電電流In

流過電涌保護器，具有8/20μs波形的電流峰值，用于SPD的II類試驗及I類、II類試驗的預處理試驗。

3.6　最大放電電流I max

流過電涌保護器，具有8/20μs波形的電流峰值，其值按II類動作負載試驗的程序確定。

3.7　殘壓Ures

放電電流流過電涌保護器時，在其端子間的電壓峰值。

3.8　最大持續運行電壓UC

可持續加于電氣系統電涌保護器保護模式的最大均方根電壓或直流電壓；可持續加于電子系統電涌保護器端子上，且不致引起電涌保護器傳輸特性降低的最大均方根電壓或直流電壓。

UC應根據SPD所在低壓配電柜形式和供電質量來選擇，選低了容易出現誤操作，反之可能帶來殘壓或電壓保護水平偏高，使保護功能受到影響。可以根據GB 50057-2010《建筑物防雷設計規范》附錄J選擇。

3.9　電壓保護水平UP

電壓保護水平表征的是SPD限制瞬態電涌電壓的能力。低壓配電系統中，UP值必須小于被保護設備絕緣耐沖擊電壓的額定值。建筑物內低壓配電系統中設備絕緣耐沖擊電壓額定值如表1所示，表1數值取自GB 50057-2010《建筑物防雷設計規范》。

4　水泥工程中電涌保護器的選擇及注意事項

首先，根據GB 50057-2010《建筑物防雷設計規范》和GB 50343-2-12《建筑物電子信息系統防雷技術規范》的規定，當采用TN系統供電時，從建筑物總配電柜（箱）開始引出的配電線路必須采用TN-S系統的接地形式。

其次，建議在各電力室的進線柜、中控樓的總進線柜、水泵房的總進線柜等，即從LPZ0進入LPZ1區，其進線端設置I類電涌保護器，沖擊電流≮12.5kA。

表1　建筑物內低壓配電系統中設備絕緣耐沖擊電壓額定值

圖1　不同的供電系統

最后，建議在各個電力室或車間的照明配電箱、中控樓內的分配電箱內、計算機柜等處設置II類電涌保護器，標稱放電電流≮20kA。

5　電涌保護器安裝注意事項

（1）電涌保護器應安裝在電纜的進線側。

（2）電涌保護器的連接線應盡可能短，SPD接線總長度應該＜0.5m。

（3）電涌保護器的連接線應采用多股銅絞線，對于I類的電涌保護器，其接地線的最小截面應≮16mm2，對于II類電涌保護器，其接地線的最小截面應≮4mm2。

（4）電涌保護器應串接過電流保護器作為SPD的后備保護。對于過電流保護器采用熔斷器還是斷路器，國家規范中并沒有統一的要求。斷路器采用電磁線圈作為脫口器，增大了SPD連接線上的電感和電抗，從而增加了被保護設備承受的過電壓，這有可能會造成SPD在關鍵時刻無法起到保護作用，因此建議采用熔斷器。

6　不同接地系統

不同的供電系統，選擇SPD也有所區別，如圖1所示。對于入戶處安裝的第一級SPD，一般采用L-PE的保護模式。必須注意的是，TT系統中安裝的SPD，當其安裝在RCD前方時，必須采用3P+N的模式。

7　結語

隨著國標和IEC的要求，SPD開始大量地進入水泥工業的電氣設計中。了解SPD各個參數的意義以及相關技術規范的要求、合理使用SPD，才能充分發揮SPD對于系統的保護作用，才能實現其對低壓設備的防雷保護。需要注意的是，應按照規范將SPD與接地系統、等電位連接等有效地構成一個整體，這樣才能達到預期的防雷保護效果。

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