低壓配電房電源用SPD選型原則與方法

熊芳瑜

摘要：本文根據低壓配電房電源系統所遭受雷電應力侵害的情況，詳細分析了影響雷電應力波形的因素，提出了低壓配電房電源用SPD的選型必須堅持全面適用原則，綜合防雷原則和科學合理的原則，并為SPD選型提供切實可行的方法，以指導工程實踐。

關鍵詞：低壓配電房;SPD;選型;原則;方法

Abstract： This article analyzes the factors affecting the lightning stress waveform in detail according to the situation of lightning stress suffered by the low-voltage distribution room power system， and proposes that the selection of SPD for low-voltage distribution room power must adhere to the comprehensive application principle and comprehensive lightning protection principle and scientific and reasonable principle， to provide practical methods for SPD selection and guide engineering practice.

Key words： low-voltage distribution room;SPD;selection;principle;method

0? 引言

低壓配電房電源用SPD的選型主要根據《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010的有關規定來進行的，其核心思想是依據被保護對象遭受雷電應力的具體情況，檢測、分析、歸納出雷電應力的主要技術參數，然后按照被保護對象的耐受能力，選擇適用的SPD對其所遭受的雷電應力進行限制，使被保護對象得以保護，減少不必要的損失。然而，從目前的實際應用情況來看，設計、施工、檢測單位通常為了省事，并沒有對被保護對象所遭受的雷電應力狀況進行調查、監測和分析，而是按照國家標準的通用原則外的標準來選擇SPD的參數，這種方法往往會造成被保護對象得不到有效的保護，出現保護功能先天不足的狀況，雷擊事故時有發生。為了解決這些存在的先天不足問題，作者認為，在進行SPD的參數選擇時，應該堅持全面適用、綜合防雷、科學合理的選型原則。

1? 在進行SPD參數選型前，應堅持全面適用的原則

全面分析被保護對象所遭受雷電應力的性能參數，在進行SPD參數選擇前，必須弄清楚兩個問題：一是被保護對象的性能;二是被保護對象所處的雷電電磁環境。進而分析出被保護對象遭受雷擊的通道和雷電應力的波形。侵入低壓配電房的雷電應力波形的不同決定了SPD選型時其性能參數選擇的差異，也決定了被保護對象保護的連續性，因此，應堅持全面適用的原則，具體分析侵入低壓配電房的雷電應力波形，那么，影響雷電應力波形的因素有哪些呢？

在進行SPD選型時，主要考慮的性能參數有通流容量、電壓保護水平、最大可持續運行電壓等等。這些參數與雷電應力的波形有極大關系，而入侵的雷電應力波形的波頭時間、波尾時間、幅值等決定了雷電應力波形的特征和屬性。因此，我們必須搞清楚不同的因素對雷電應力波形特征和屬性的影響，進而弄清楚反映雷電入侵波形所反映出來的主要性能參數，從而決定SPD的選型參數，以達到對被保護對象的連續保護的目的。

1.1 雷擊類型對侵入低壓配電房雷電應力波形的影響

雷電可以有多種方式在進入低壓配電房的電源線路上產生過電壓行波（雷電應力波形）。過電壓行波的波頭時間主要與雷電流波形和過電壓行波的傳播距離相關，而其波尾時間主要與過電壓行波的傳播距離、雷擊類型和避雷器的配置相關。不同的雷擊類型對侵入低壓配電房雷電應力波形的主要影響如下：

①當雷擊位置距離低壓配電房較近，線路發生繞擊閃絡時，輸電線路高壓側避雷器作用時間較短，入侵波過電壓幅值較小，形成的雷電應力波的類型是短波頭短波尾入侵波。

②當雷擊位置距離低壓配電房較近，發生繞擊未閃絡時，輸電線路高壓側避雷器作用時間較長，入侵波過電壓幅值較大，形成的雷電應力波的類型是短波頭長波尾入侵波。

③當雷擊點距離低壓配電房較遠，輸電線路發生繞擊未閃絡時，輸電線路高壓側避雷器作用時間長，過電壓波形幅值相對較大，容易形成的雷電應力波形為長波頭長波尾入侵波。

④當雷擊點距離低壓配電房較遠，輸電線路發生繞擊閃絡時，輸電線路高壓側避雷器作用時間短，過電壓波形幅值相對較小，易形成的雷電應力波形為長波頭短波尾入侵波。

顯然，不同的雷擊類型形成不同波形的雷電入侵波，波形不同所反映的雷電應力的性能參數是不同的，這對SPD參數的選擇影響是很大的。

1.2 架空線路對進入低壓配電房的雷電過電壓波的影響

雷電流在理想線路上傳播時，其能量不會發生損耗，波形不會發生畸變。但在現實中，雷電流并非在理想線路上傳播。在現實中，雷電流在線路上傳播時，會發生能量損耗，波形亦會發生變化。如圖1所示，當雷電流波在現實線路上傳播時，R和G的存在使得部分能量轉化為熱量而消耗掉，導致雷電流衰減;L、C的存在使得部分能量用于建立電磁場，而存儲于電磁場中，這不但導致雷電流波衰減，而且由于電磁場的建立與頻率有關，故而容易造成雷電流波形的畸變。一般情況下，雷電流高頻分量損耗較快，而低頻分量損失較慢，故波形有逐漸變緩的趨勢。

根據對圖1的分析，我們可知，架空電力線路的分布參數對雷電波的傳輸具有很大的影響：一是雷電波在電力線路傳播的過程中，由于電場能量和磁場能量的存儲和耗散必將導致雷電波的衰減;二是對于一般的電力線路，磁場能量耗散快于電場能量的耗散，導致電場能量不斷向磁場能量轉換，造成雷電波在傳輸過程中不斷發生負反射，其波頭不斷被削平，波尾逐漸被拉長;三是由于集膚效應，導線電阻隨著頻率的增加而增加，雷電波頭較陡的行波沿線傳播時衰減較顯著。因此，我們在確定進入低壓配電房的雷電波參數時，應當充分考慮電力線路分布參數的影響。

1.3 低壓變配電房內設備對雷電過電壓行波傳播的影響

低壓配電房內有許多設備，對雷電過壓行波會產生不同的影響，其中變壓器出線端布置的電壓互感器和變壓器保護用的避雷器對雷電過電壓行波的傳播造成影響，但兩者的影響程度是不同的。對于電壓互感器，可以將其等效為電容，其容抗的計算公式為：

由于雷電過壓行波和高頻成分較為豐富，其電壓互感器的等效阻抗達到幾十千歐，遠大于母線和電力線路的波阻抗，因此，可以認為電壓互感器對雷電過電壓的傳播有一定影響，但效果不顯著。

避雷器是變配電房內雷電過電壓保護的主要設備，現今最常用的ZnO避雷器具有較好的非線性伏-安特性。低壓變配電房內的避雷器對雷電過壓行波過電壓具有顯著的抑制作用，是良好的雷電流的能量釋放通道;同時，避雷器還通過“閘頂”的方式抑制雷電過壓，其不改變波頭上升斜率，但改變波頭和波尾的時間。通過這種方式，雷電過壓的波峰被削平，形成一個變化緩慢的電壓波形。

2? 在進行SPD參數選型時，應堅持綜合防雷的原則

SPD的安裝和使用是對被保護對象實施綜合防雷防護的關鍵措施之一。

如圖2所示，綜合防雷措施的主要內容包括：外部防雷措施（接閃器、引下線、接地裝置）和內部防雷措施（屏蔽、接地、等電位連接和SPD使用）。為了確保SPD的保護性能得到最佳發揮，在進行SPD參數選型時，必須按照綜合防雷的原則，做好如下幾個方面的技術工作：

①為了確保SPD的安全使用，發揮其最佳保護效能，必須做好外部防雷措施和內部防雷的其他措施。具體來講，就是要做好接閃器、引下線、接地裝置、屏蔽、等電位連接等防雷措施以后，再考慮如何安裝SPD，才能確保被保護對象得到了綜合防雷保護。

②為了有效保護被保護設施、設備免遭雷電應力的侵害，必須按照綜合防雷的原則，慎重選擇設計、安裝SPD的位置和SPD的類型。SPD安裝位置的選擇必須一方面完全堵塞雷電應力侵入設施/設備的通道，另一方面應根據侵入雷電應力的強度的衰減程度劃分不同的防雷區確定SPD的安裝位置。而SPD的類型的選擇應依照侵入電應力不同，來選取符合Ⅰ類、Ⅱ類或Ⅲ類試驗要求的SPD;考慮包含于雷電電涌中的電應力因素是正確選擇SPD的關鍵;Ⅱ類或Ⅲ類試驗的SPD也適用于靠近被保護設備安裝。

③正確選擇各級電力線路上所安裝的SPD的級數。確保SPD的安裝級數的根本目的就是確保雷電應力經過SPD的損耗和衰減后，傳送至被保護設備的殘壓小于設備的絕緣耐受電壓。確定SPD安裝級數的方法有很多，主要包括：1）根據防雷區的劃分來確定SPD的安裝級數和安裝位置。2）采用風險分析的方法來確定SPD的安裝級數。風險分析分兩種類型：基本分析是用來確定安裝SPD的必要性;第二種類型的分析用來確定設備入口處或緊靠設備處SPD的能量耐受值。是否使用SPD的決定取決于很大范圍的參數，例如，環境、設備和設施、經濟和服務中斷、安全、保護成本等參數，這些參數應由用戶確定;如果已確定使用SPD，則應根據被保護對象的暴露水平來確定SPD的安裝位置和級數。3）通過分析SPD之間、SPD與被保護設備之間的能量配合狀況來確定SPD設計安裝級數。4）SPD安裝級數的選擇還應充分考慮經濟合理性，如果SPD安裝后的保護成本小于因電涌造成設備損壞的成本，則應該從綜合防雷的角度，建議使用多級SPD進行保護。

3? 在進行SPD參數選型時，應堅持科學有效的原則

SPD參數的選擇，應充分考慮其保護性能的科學有效性。SPD安裝在被保護線路上時，要達到其保護效果，應對SPD性能參數的選擇、SPD的安裝方式和輔助器件的特性等高度重視，保證SPD的實際運行是科學有效的。

3.1 正確選擇SPD的關鍵性能參數：Uc、UT、In、Iimp、Imax、Up

①SPD的最大持續運行電壓Uc值應滿足以下要求：Uc應該比系統中可能產生的最大持續工作電壓Ucs要高，即Uc>Ucs;對于IT系統，Uc應該足夠高使其能耐受首次故障狀態。

②SPD的暫時過電壓的UT值應該高于由于低電壓系統出現故障在被保護裝置上預期出現的暫時過電壓（TOV），即UT>UTov（Lv）。

③正確選取In、Iimp、Imax值。

In與保護水平Up有關，Imax和Iimp則由安裝點需要耐受的能量來決定;選擇SPD的能量耐受（根據試驗類別選擇，Iimp、Imax）必須基于風險分析，它比較了雷電電涌發生的概率、被保護設備的價格和可接受的事故率;當使用多個SPD時，還需完成配合分析。

當采用SPD來限制雷電電涌時，在被保護設施起點處每種所需保護模式的In應滿足：In≥5KA（8/20μS）。

當按照“3+NPE”方式安裝SPD時，在被保護設施起始點處連接在N-PE之間的SPD的In值應滿足：在三相系統中，In≥20kA（8/20μS）;在單相系統中，In≥10kA（8/20μS）。

在有可能發生直擊雷的雷電保護系統中安裝SPD時，應評估雷電沖擊電流。對于這個評估，應該考慮安裝在SPD上游的部件，例如：熔斷器、電線截面等。在沒辦法進行評估的場合，每種保護模式的Iimp值不得小于12.5kA。

當SPD按照“3+NPE”方式安裝時，連接在N-PE之間的SPD的Iimp計算應該與GB50057一致。如果不能估計電流值時，Iimp應滿足：在三相系統中不小于50kA，在單相系統中不小于25kA。

④正確選擇SPD的Up值。在進行SPD的電壓保護水平值選擇時，應充分考慮被保護設備的電涌耐受（或關鍵設備的沖擊抗擾度）和系統的標稱電壓。電壓保護水平值越低，其保護性能就越好。然而，Up值的選擇還受到Uc、UT值選取的限制，還受SPD的劣化和與其他SPD之間配合的制約，同時也和SPD的放電電壓有關。為了實現SPD的最佳過壓保護，SPD的連接導線應盡可能短;為了減少振蕩現象對SPD保護距離的影響，當SPD被用來保護特定設備或當SPD裝在主配電盤上而不能為某些設備提供足夠保護時，SPD應盡可能地靠近被保護設備。

⑤在選擇SPD的性能參數時，還要充分考慮SPD之間以及SPD與被保護設備之間的能量配合問題。

3.2 正確選擇SPD的安裝方式

要達到正確選擇SPD安裝方式，必須充分考慮以下問題：

①低壓配電線路的接地形式的不同決定了SPD的不同安裝模式（保護模式）。根據《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010附錄J的規定。SPD在TT系統、TN系統和IT系統中的安裝存在差別。但從其保護模式來看，不外乎分為如下兩種：一是在每條相線和總接地端子之間或保護導線之間，在中性線和總接地端子之間或保護導線之間，以連接線較短為優先原則的保護模式;二是在每條相線和中性線之間，在中性線和總接地端子或保護導線之間，以連接線較短為優先原則的保護模式。

②必須充分考慮振蕩現象對SPD保護距離的影響。振蕩現象會引起被保護設備失效，當SPD和被保護設備之間的距離太長，設備端產生的振蕩電壓值普遍高至兩倍的Up，在某些情況下，甚至超過這個水平。因此，當SPD被用來保護特定設備或當SPD裝在主配電盤上而不能為某些設備提供足夠的保護時，SPD應盡可能地靠近被保護設備。

③應認真分析SPD兩端連接導線長度的影響，選擇正確的SPD安裝方式。當SPD兩端的連接導線較長時，將使SPD的保護性能下降。傳遞至設備的殘壓為SPD殘壓和沿導線感應電壓降之和，因此，若SPD兩端連線過長，可能需要選擇一個有更低電壓保護水平的SPD來提供有效的保護，所以，在選擇SPD的安裝方式時，SPD的兩端連接導線應盡可能短，以實現最佳的過壓保護。

④設備所處在的防雷區保護區域的不同，SPD的安裝方式也是不同的。這是要充分分析SPD的安裝位置及SPD的試驗類型。防雷區的劃分是根據各區雷擊電磁場強度衰減的程度來進行分區的，一般來說，在LPZO與LPZ1分界處應選擇I級試驗的SPD進行安裝，后續防雷區之間可選擇Ⅱ級試驗或Ⅲ級試驗的SPD進行安裝，Ⅱ級、Ⅲ級試驗的SPD也適用于靠近被保護設備安裝。

⑤附加保護的必要。在一些特殊情況下，可能需要在盡可能靠近被保護的設備處增加附加的保護器件：一是存在很敏感的設備（電子設備，計算機）;二是位于入口處的SPD和被保護設備之間的距離過長;三是由雷電沖擊和內部干擾源引起的建筑物內部的電磁場。

3.3 密切關注SPD的輔助器件的特性要求

①后備保護裝置設置應科學有效。后備保護裝置應具有熱保護、短路保護和間接接觸保護功能。后備保護裝置設置的位置應充分考慮兩個方面的因素：后備保護裝置裝在SPD回路中還是主要線路上，一是取決于其與主線路過電流保護器的配合;二是取決于是否需要持續保護還是持續供電兩者之間的平衡。

②雷擊事件計數器的功能應盡量齊全。該計數器應能檢測出電涌次數，并給出電涌的幅值和波形信息，用于判斷SPD安裝位置的嚴酷程度或是否需要更換;同時，一些較為復雜的計數器應能給出一些統計數據，例如雷電電涌發生的頻率、時間和日期及所含的能量等。

③SPD狀態指示器應科學有效，能夠判斷出SPD是在工作狀態還是已經失效。當SPD失效時，狀態指示器還可提供電的、可視的或聽得見的報警。

綜上所述，在進行低壓配電房電源用SPD選型時，首先必須堅持全面適用的原則，弄清被保護設備的性能及其所處的電磁環境狀況;其次必須堅持綜合防雷原則，全面堵塞危害被保護設備的雷電應力通道，確保被保護設備的通道安全;再次必須堅持科學有效的原則，就是對所采用的SPD的性能參數、安裝方式等進行合理選擇，在兼顧效益的前提下，確保其對被保護設備的科學有效的保護。

參考文獻：

[1]張敬華.低壓電房改造工程電纜溝積水問題及處理措施淺析[J].價值工程，2018，37（31）：41-43.

[2]李誠理.配電房干式變壓器噪聲分析及減振降噪處理[J].機電信息，2020（02）：70-71.

[3]趙洪山，趙慧.配電房溫度的模型預測優化控制方法[J/OL].電機與控制學報：1-8[2020-03-12].