凈水廠SPD 的選擇

楊睿，陳三元

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

隨著社會生產要求的提高，越來越多的精密電氣元件投入到生產使用中，但雷電引起的過電壓、操作過電壓等會對各類電氣元件造成致命的影響，由此，用于限制瞬態過電壓和分泄電涌電流的器件——電涌保護器(surge protective device，SPD)也逐漸被廣泛的使用。在設計過程中，設計人員卻經常忽視了對SPD 的正確選擇，出現SPD 的濫用，或者多級SPD 之間配合不當等問題。

1 電涌保護器選擇原則

電涌保護器的選擇，與被保護設備所在的建筑物防雷類別，室外引入建筑物的管線數量，線纜是否采用屏蔽層以及線纜的敷設方式等息息相關。而電涌保護器設置級數，應綜合考慮保護距離、連接導線的長度、被保護設備耐沖擊電壓額定值等因素，與系統配電級數沒有嚴格的對應關系。

2 電涌保護器選擇案例

某凈水廠包括變配電間(與送水泵房合建)、絮凝沉淀池、反沖洗泵房及濾池、加藥間、脫水車間和綜合樓等單體建(構)筑物。接地型式采用TN-S 系統，采用放射式配電，水廠配電系統簡圖如圖1 所示，水廠設兩臺PLC，一臺位于反沖洗泵房控制室內，另一臺設在脫水車間配電室內與配電柜并列安裝。

2.1 I 級試驗電涌保護器的選擇

依據《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）并參考《城鎮排水系統電氣與自動化工程技術規程》（CJJ120-2008），水廠內各單體建(構)筑物防雷分類均為二類或三類防雷建(構)筑物。

根據規范要求，案例中水廠配電系統，SPD1～SPD6 均應選擇I 級試驗電涌保護器（電壓開關型），并通過計算，確定SPD 的放電電流及電壓保護水平。

電源總配電箱電涌保護器每一保護模式的沖擊電流值，當電源線路無屏蔽層時按式（1）確定：

圖1 某凈水廠配電系統簡圖

式中：I 為雷電流，kA,其中二類防雷建筑物取150kA,三類防雷建筑物取100kA；n 為地下和架空引入的外來金屬管道和線路的總數；m 為需要確定的那一回線路內導體芯線的總根數。

經過計算，沖擊電流值列于表1 中，其中UW為耐沖擊電壓額定值，按《建筑物防雷設計規范》表6.4.4 選取。

通常放電電流越大，電壓保護水平越高，殘壓也越大，價格也相對越貴。在選擇I 級試驗浪涌保護器的過程中，需要綜合考慮經濟性、安全性，選取合適的型號參數。根據表1 的計算值，由于加藥間進線處的Iimp為15kA，選擇Iimp為12.5kA 的電涌保護器不能滿足沖擊電流的要求，應選擇25kA 或更大的沖擊電流。在實際設計過程中，部分設計人員也考慮對于加藥間等采用兩路電源進線，以保證供電的可靠性，同時，也降低了沖擊電流值，案例中當加藥間回路n 取2 時，計算沖擊電流值為7.5kA，選用Iimp為12.5kA 的電涌保護器能夠滿足規范要求。

表1 水廠各建筑物總配電柜(箱)SPD 每一保護模式沖擊電流

2.2 多級電涌保護器的配合

《建筑物防雷設計規范》第6.4.5 條及《建筑物電子信息系統防雷技術規范》(GB50343-2012)第5.4.3 條規定了LPZ2 區和更高的區安裝電涌保護器須滿足的要求，但規范中又未明確規定是否必須設置二級或更高級的電涌保護器，因此對于后續防雷保護區內電涌保護器的設置，也未能引起電氣設計人員的重視，甚至不設計電涌保護器。

根據《建筑物電子信息系統防雷技術規范》5.4.3.8 條規定，電涌保護器的連接導線總長度不宜大于0.5m。按滿足規范的最不利情況考慮，取進線處電涌保護器連接導線總長度為0.5m，電涌保護器兩端引線的感應壓降△U=Ldi/dt 為3.75kV（雷電流按50kA，10/350μs，線路按L0=1.5μH/m），計及I 級電涌保護器的殘壓按1.3kV，兩者之和約為5kV，超過I 類設備耐沖擊額定電壓值，足以對PLC 等造成致命傷害。因此，對PLC 等電子設備應該設置電涌保護器。

案例中反沖洗泵房PLC 單獨設置在控制室內，PLC 到配電柜的距離大于10m，不需要另外設置退耦裝置，脫水車間PLC 與進線開關柜并列放置在同一個房間內，上下兩級SPD之間的距離小于10m，因此，按照規范要求，在兩級電涌保護器之間應該加裝退耦裝置。由于退耦裝置是串聯在電源線路上，線路電流需滿足退耦裝置的額定電流要求，而退耦裝置額定電流一般不大于100A，這樣對線路電流的限制也制約了退耦裝置的使用。案例中PLC 裝置的線路電流不大，加裝退耦裝置，能夠符合規范的要求。如果不設置退耦裝置，為了保證上下級電涌保護器的距離要求，可以人為的將脫水車間低壓配電柜與PLC 柜分開布置，或者僅增加配電柜至PLC的電源電纜長度，保證兩級SPD 距離不小于10m。當電涌保護器具有能量自動配合功能時，電涌保護器之間的線路長度可不受限制，兩級SPD 之間能量的自動配合，取決于各SPD生產廠家的生產能力和試驗結果，只能參考各個SPD 廠家給出的推薦配合組合。一般II 和III 級試驗電涌保護器，其標稱放電電流不小于5kA 和3kA。

各類監測儀表作為水廠內不可缺少的重要組成部分，與生產的自動化以及生產活動的正常運行聯系緊密，而這些精密的儀表，對過電壓的耐受能力很低，在廠區各儀表箱的電源進線端子處，一定要并聯電涌保護器，對儀表等特殊需要保護的設備進行第三級保護。電涌保護器的選擇需要根據電源類型的不同（AC、DC）按照廠家提供的參數進行正確的選擇。另外，對于絮凝沉淀池中露天設置的現場配電控制箱，也需要設置相應級別的SPD，防止配電控制箱內電氣設備因雷擊涌流沖擊造成損壞。

3 結語

規范地選擇SPD 對系統設備的安全有著重要的意義，本文通過一個凈水廠配電設計說明SPD 的選擇，希望引起設計人員對SPD 選擇的注意，根據實際情況在同一個工程中盡量選擇同一個設備廠家的產品，并符合規范要求，發揮SPD 應有的作用。