淺談SPD在工業(yè)項目中的設計要點

沈艷

（金隆銅業(yè)有限公司，安徽 銅陵244000）

全球范圍內時不時會產生雷暴現象，多達2000～5000次。這些暴風雨伴隨有對人和設備構成嚴重危險的雷擊。雷擊大地的頻率是每秒30～100次。根據IEC62305-1雷電防護-第1部分給出了雷擊的特征值，可以看出：50%的雷擊電流峰值大于33kA，5%的雷擊電流峰值大于65kA。由此可見，雷電流的能量還是很高的。

雷電會損壞工業(yè)生產的電氣和電子系統(tǒng)，例如變壓器、電氣儀表和用電設備，對計算機和通信網絡產生干擾，在可編程邏輯控制系統(tǒng)運行時產生故障。對雷電造成的損壞進行修復的成本很高，甚至運營的損失可能遠遠超過被損壞設備本身的價值。因此，本文對浪涌保護器進行分析，并提出了較為完善的浪涌保護器的設計方法，從而保障工業(yè)生產的可靠穩(wěn)定。

1 雷電波的特性分析

通過對雷電現象的分析，可以定義雷電電流和雷電電壓波形的類型。

1.1 雷電電流波

IEC標準考慮了兩種電流波，分別時10/350μs波和8/20μs波。10/350μs波描述的時直接雷擊的電流波特征，8/20μs波描述的是間接雷擊的電流波特征，具體見圖1和圖2。

這兩種電流波用于定義浪涌保護器和設備的雷電流耐受能力試驗。電流波的峰值表示雷擊的強度。

圖1 10/350μs電流波

圖2 8/20μs電流波

1.2 雷電電壓波

通過一個1.2/50μs電壓波來描述雷擊產生的過電壓。具體見圖3。這種電壓波用來檢驗設備能否承受大氣所產生的過電壓。

圖3 1.2/50μs電壓波

2 雷電防護

工業(yè)項目的雷電防護系統(tǒng)必須從兩個角度加以防護：保護建筑物不受直接雷擊的影響和保護電氣裝置不受直接和間接雷擊的影響。

而保護電氣裝置不受雷擊影響的基本措施就是阻止干擾能量到達或侵入敏感設備，一般來說，有3種措施：

（1）首先就是捕獲雷電流，并使其通過最直接的路徑流入大地，從而避開敏感設備所在區(qū)域。這種雷電捕獲系統(tǒng)，一般包括：通過借閃系統(tǒng)捕獲雷電，再通過引下線將雷電流導入利用工業(yè)廠房的基礎鋼筋連接構成網狀接地體，從而導入大地。

（2）其次就是通過導體聯(lián)結來實現裝置的等電位連接。

（3）最后就是通過安裝SPD最大限度降低雷擊所產生的間接影響。

3 浪涌保護器（SPD）

3.1 浪涌保護器（SPD）的原理

SPD用于限制大氣產生的瞬態(tài)過電壓，并將雷電流導入大地，以便將過電壓的幅值限制到合理的數值，確保其不會給電氣裝置以及開關機控制設備帶來危險。

浪涌保護器（SPD）是電氣裝置保護系統(tǒng)的一部分，是最常用，也是最有效的過電壓保護方式。該設備可用于各級配電網絡，以可以并聯(lián)連接在其保護的負載的電源電路上。并聯(lián)連接的SPD有很大的阻抗。一旦系統(tǒng)中出現瞬態(tài)過電壓，該設備的阻抗減小，從而使電泳電流流經SPD，避開敏感設備。

3.2 浪涌保護器（SPD）的分類

浪涌保護器根據電流波和電壓波分成3類試驗SPD。

3.2.1 I類試驗SPD

I類試驗SPD的特征可用一個10/350μs電流波來描述。可以保護電氣裝置免受直接雷沖擊，釋放從接地導體返回到網絡導體中的雷電流。

3.2.2 II類試驗SPD

II類試驗SPD的特征可用一個8/20μs電流波來描述。是所有低壓電器裝置的著保護系統(tǒng)，其安裝在每個配電盤中，可阻止過電壓在電氣裝置內傳播，并保護負載。

3.2.3 III類試驗SPD

III類試驗SPD的特征可用電壓波（1.2/50μs）和電流波（8/20μs）的組合來描述。這些SPD的放電能量低，因此，必須作為II類試驗SPD的附加保護，并安裝在敏感負載附近。

3.3 浪涌保護器（SPD）的參數選擇

3.3.1 浪涌保護器（SPD）的通用參數

最大持續(xù)工作電壓Uc：該值根據額定電壓和系統(tǒng)的接地方式進行選擇。

標稱放電電流In：這是SPD能夠最少放電15次8/20μs電流波的最大電流值。一般來說，In越大，表示SPD的使用壽命越長。

電壓保護水平Up：這是SPD動作時端子間的最大電壓。當流經SPD的電流等于標稱放電電流In時，就會達到此電壓。如果出現雷擊，SPD端子間的電壓一般低于Up。

3.3.2 I類試驗SPD

I類試驗SPD需注意2個參數，分別時沖擊電流Iimp和自動熄滅續(xù)流Ifi。

沖擊電流Iimp：這是SPD能夠泄放1次10/350μs電流波的最大電流值。

自動熄滅續(xù)流Ifi：僅適用于火花間隙型SPD。該值必須始終大于安裝點的預期短路電流。

3.3.3 II類試驗SPD

II類試驗SPD需要關注的是最大放電電流。這是SP都能夠放電一次8/20電流波的最大電流值。

3.4 浪涌保護器（SPD）的保護分級

三種試驗SPD可以分級在多個SPD之間進行能量分配，一般的：

I類試驗SPD：當建筑物裝有雷電防護系統(tǒng)時，I類試驗SPD一般安裝在低壓配電裝置的進線端，其會吸收90%左右的能量。

II類試驗SPD需要關注的是最大放電電流Imax。這是SP都能夠放電一次8/20μs電流波的最大電流值。

III類試驗SPD：一般情況下根據需要安裝在終端配電箱，為緊靠負載的最敏感設備提供“精細”保護。

3.5 浪涌保護器（SPD）的設計原則

對《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057-2010各條文進行總結，浪涌保護器的設計原則應結合建筑物的防雷等級，從SPD的安裝位置和SPD的參數選擇兩個方面來進行設計。具體可見表1 第一類防雷建筑物的SPD選擇表和表2 第二、三類防雷建筑物的SPD選擇表。

3.6 浪涌保護器（SPD）的安裝

3.6.1 導體連接

為了減少被保護設備端子間的電壓保護水平Up，浪涌保護器（SPD）與負載的導體連線應盡可能短， 應注意浪涌保護器（SPD）與電網連接至接地端的導體連接總長度L≤0.5m，并且要避免形成過大環(huán)路以獲得最佳保護效果。因此，SPD最好直接安裝在配電箱帶電導體母排和PE線母排之間，使連接線長度為最小。

同時，為了避免耦合干擾，安裝時還需注意以下附加措施：

（1）接至浪涌保護器（SPD）保護端口的進線應盡可能遠離被保護的出線；

（2）接至浪涌保護器（SPD）保護端口的進線不應與接地導體敷設在一起；

3.6.1 導體材質及截面積

浪涌保護器（SPD）的上引連接線和接地線一般采用多股銅線，連接導體的最小截面積應能滿足以下兩個要求：

（1）在正常工作時，在最大電壓降的情況下流過雷電流；

（2）導體必須能夠在保護電氣最長切斷時間內承受短路電流。

根據工業(yè)與民用配電設計手冊（第四版），連接浪涌保護器的每相導體的最小截面總結見表3 連接浪涌保護器的導體的最小截面。

3.6.2 工業(yè)廠房浪涌保護器SPD配置參考表

本文結合工程實際，列出了工業(yè)廠房浪涌保護器SPD配置參考表，具體見表4。

表1 第一類防雷建筑物的SPD選擇表

表2 第二、三類防雷建筑物的SPD選擇表

表3 連接浪涌保護器的導體的最小截面

表4 工業(yè)廠房浪涌保護器SPD配置參考表

4 結語

防雷擊電磁脈沖已越來越被人們所重視，采用浪涌保護器（SPD）來保護配電系統(tǒng)已成為必然趨勢。合理的選擇SPD則是工業(yè)項目中一項重要的專題，不僅與建筑物的防雷類別、系統(tǒng)的接地方式、設備的絕緣耐沖擊電壓水平有關，而且與工業(yè)廠房的防雷等電位聯(lián)結、屏蔽、接地等各項措施密切相關。本文僅僅從工程實際出發(fā)，簡要介紹了SPD的分類、主要參數及選擇原則，供廣大電氣設計師參考。