加油站電涌保護器（SPD）的選型策略研究

季芬琴 廖曉婷 陳州川

（福建省泉州市氣象局,福建 泉州 362000）

一般情況下，未做屏蔽的架空線路的感應電壓可以達到10～20 kV。若3 km以外出現雷擊，一般的信號線路能產生1 kV的感應過電壓，當雷擊入地雷電流達到5 kA時，位于雷擊附近5～10 m無屏蔽的線路能感應到5～7.5 kV的過電壓，即便信號傳輸線采用的是光纜線路，光纜中心或者是外層的金屬體（如加強筋）上也能感應到雷電電涌。

為有效避開雷電過電壓或雷電電磁脈沖沿著金屬線路入侵后損壞設備，需要安裝電涌保護器（SPD）以保障設備的安全運行[1]。SPD是雷電防護的重要設備之一，通過低壓線路將入侵的雷電流泄放到大地，巨大的雷電能量可以通過SPD泄放至大地。設備安裝SPD保護，能預防和減少由雷電引起的過電壓、過電流帶來的損害，還可以抑制系統運行過程中產生的操作過電壓。值得注意的是，SPD的選型會直接影響到其保護效果。因此，在加油站設計過程中應結合實際情況選擇合適類型的SPD，以保障電力系統安全穩定運行。

1 電涌保護器的基本原理

根據國際電工委員會（IEC）對電涌保護器的概述，電涌保護器“是在特定條件下，用于保護電氣系統和設備免受各種過電壓和沖擊電流的損害，例如雷電和開關電涌”。由此可知，該裝置主要用于限制瞬態過電壓和泄放電涌電流，它至少具備一個非線性元件。在被保護的設備端安裝了電涌保護器后，電涌電流就會經過電涌保護器后被泄放，并對電涌電壓進行限制進而來保護設備。電涌保護器的作用均由非線性元件（開關元件或非線性電阻）來實現的。當設備電路處于正常工作狀態時，非線性元件呈現高阻狀態，不影響被保護電路開展工作；但瞬態電涌到達時，非線性元件就會迅速轉變到低阻抗的狀態，電涌電流成為旁路，并且把要進行保護的設備兩端的電壓限制在較低水平；當雷電電流能量釋放后，該非線性元件又自動、快速恢復到高阻狀態。如果電涌保護器啟動和恢復過程可以正常運行，那么被保護的設備就不會遭到操作電涌和雷電電涌的破壞，從而保障電路的正常運行。

2 電涌保護器的類型

2.1 電壓限制型SPD

電壓限制型SPD由各種非線性電阻元件構成，這些元件有連續的伏安特性，當電流開始連續增大，電阻就出現連續的減小。其中，常用的元件為金屬氧化物非線性電阻（MOV），也叫作壓敏電阻。MOV元件包含ZnO等多種金屬氧化物，呈圓片或者方片狀。正常情況不受電涌影響時，MOV為小電流密度區，電涌通過時處于飽和區，有鉗位作用。

2.2 電壓開關型SPD

電壓開關型SPD的構造中，其核心保護元件主要是各種開關型器件，開關型器件也是非線性元件，但其伏安特性表現為不連續，與電壓限制型SPD不一致，電壓低時通常處于開路狀態，一旦電壓升至一定程度時，兩個電極間的電阻就會迅速下降，轉化為低阻狀態。

2.3 組合型SPD

在IEC和國家標準中，組合型SPD是電壓開關型和電壓限制型元件的結合，兩個元件通常以串聯或并聯的方式存在，而且這兩種方式的工作原理類似。組合型SPD也表現出非線性的特性，但其伏安特性與電壓開關型SPD一樣，也為不連續。組合型SPD表現出和電壓、電流的相關性，有時發揮其電壓開關型的特性，有時又表現出電壓限制型的特性。

2.4 三種結構類型SPD的優缺點比較

三種類型SPD的優缺點如表1所示。由表1可知，響應時間方面，電壓限制型SPD最短，響應時間小于25 ns，組合型SPD響應時間最長；動作平穩性方面，表現為電壓限制型SPD＞組合型SPD＞電壓開關型SPD，其中，電壓限制型SPD無動作分散性，而電壓開關型SPD和組合型SPD均表現出動作分散性大；續流方面，電壓限制型SPD的續流極小，組合型SPD的續流較小，而電壓開關型SPD的續流很大，但能自熄；泄漏電流方面，電壓開關型和組合型這兩種SPD基本無泄漏電流，而電壓限制型SPD存在泄漏電流的現象；電壓保護水平方面，電壓限制型SPD的電壓保護水平偏低，電壓開關型SPD和組合型SPD的電壓保護水平相對較高，但可觸發降低；老化方面，電壓限制型SPD的性能會老化，但可采取相應措施延緩老化進程，而電壓開關型SPD和組合型SPD不存在性能老化現象。

表1 三種SPD的優缺點比較

3 雷電災害風險評估

在設計加油站之前，應進行雷電災害風險評估，評估內容包括雷擊線路導致的對活體傷害的概率、雷擊線路導致實體損害的概率、雷擊線路導致內部系統失效的概率、雷擊線路鄰近區域導致內部系統失效的概率等，從而確定SPD的選型參數。

3.1 建筑物及入戶設施的截收面積計算

（1）電力線路截收雷電面積AL(P)

AL(P)=6Hc×[Lc3(Ha+Hb)]

（2）電力線路周圍地面截收雷電的面積Ai(P)

Ai(P)=1000×Lc

（3）通信線路截收雷電的面積AL(T)

AL(T)=0.8×[Lc-3(Ha+Hb)]

（4）通信線路附近地面的截收雷電面積Ai(T)

Ai(T)=Lc×50

3.2 風險計算

（1）雷擊入戶線路后引發危險火花導致的火災實體損害風險RV

RV=NL×PV×LV=[NL(P)+NL(T)+NDa]×PV×r×h×rf×Lf

（2）雷電擊中建筑物附近后引發的內部系統失效風險RM

RM=NM×PM×LM=NM×PM×Lo

（3）雷擊入戶線路造成的危險火花引起火災導致的實體損害風險RV

RV=NL×PV×LV=[NL(P)+NL(T)+NDa]×PV×r×h×rf×Lf

（4）雷擊入戶線路造成內部系統失效風險RW

RW=NW×PW×LW=[NL(P)+NL(T)+NDa]×PW×Lo

（5）雷擊入戶線路附近造成內部系統失效風險RZ

RZ=Ni×PZ×LZ=[NI(P)+NI(T)-NL(P)-NL(T)]×PZ×Lo

3.3 風險評估與控制

將計算結果與可承受風險的典型值比較進行評估。若加油站建筑物公共設施損失的可承受風險的典型值小于10-3，則在可承受范圍內，但需要采取相應的措施降低雷擊造成損壞的風險。由于加油站周圍地理環境復雜，大部分的電源線為架空引入，沿線路入侵的雷電流值NIP很大，可將架空的線路進行金屬鎧裝敷設或護套電纜穿鋼管后直接埋地，長度要超過15 m；將電纜與架空線的連接處安裝戶外型I級浪涌保護器，然后將電涌保護器、電纜金屬外皮、鋼管和絕緣子鐵腳、金具等儀器設備形成共同接地，確保浪涌保護器的電壓保護水平≤2.5 kV，每一保護模式需要選沖擊電流大于或等于計算值。如果沒有戶外型浪涌保護器，應選用戶內型電涌保護器，該電涌保護器的使用溫度要符合安裝環境的溫度，裝設在防護等級為IP54的箱內。

4 電涌保護器試驗類別的選擇

依據侵入電應力的不同，在入口處的SPD試驗按Ⅰ級、Ⅱ級或Ⅲ級進行。根據建筑物防雷分類，加油加氣站由于屬于具有0區、1區、2區爆炸危險區域的建筑物，按照《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—2010）的規定，被劃分為第二類防雷建筑物。《建筑物防雷設計規范》規定，當電氣接地裝置與防雷接地裝置共用接地或連接時，其中在低壓電源線路引入的總配電箱、配電柜處安裝Ⅰ級電涌保護器[2]。因此，加油加氣站可以對低壓電源線路引入的總配電箱、配電柜位置上安裝Ⅰ級電涌保護器進行防雷保護。

5 電涌保護器Uc、UT和In/Iimp/Imax/Uoc的選擇

（1）在加油站低壓配電系統中，SPD的Uc要比系統中可能產生的最大持續工作電壓高，其中，Ucs=k·U，即Uc＞Ucs，且Uc至少為1.1 U，UT=Uc≥UTOV.LVmax。

（2）根據試驗級別選擇SPD的能量，必須在風險分析的基礎上，并依據Iimp、Imax或Uoc來選擇合適的電涌保護器。

6 前后級電涌保護器之間的能量配合

為了預防雷電電磁脈沖入侵，或者是雷電天氣下雷電過電壓干擾或永久性破壞電子系統設備，首先于低壓配電系統位置上、電源線路處均要安裝多級的SPD進行防護，目的是分級泄流產生的雷電流，如果僅是作單級防護，可能會出現較大的雷擊電流加大設備損壞概率，甚至造成高殘壓。當然，即使安裝了多級SPD，但防護配合不科學，也不能有效發揮多級SPD的作用，依然會發生整個供電系統SPD失常的現象，甚至還會出現其中的SPD被擊毀，造成被保護設備的嚴重損壞[3]。

6.1 防雷區的劃分

根據《建筑物防雷設計規范》，按磁場強度有無衰減，可將雷電防護區劃分為LPZ0A、LPZ0B、LPZ1、LPZ2～n后續防雷區。0區的LPZ0A、LPZ0B雷電電磁強度均沒有衰減。1區的雷電電磁場可能得到衰減，衰減程度多少取決于屏蔽措施。加油站供配電系統SPD安裝在0區進入1區的線路上。

6.2 供電系統接地形式

我國供電系統接地形式主要包括TN系統、TT系統、IT系統。其中，TN系統接地形式有TN-C系統、TN-C-S系統、TN-S系統。根據《汽車加油加氣加氫站技術標準》（GB 50156—2021），汽車加油加氣加氫站380/220 V供配電系統宜采用TN-S系統，當外供電源為380 V時，可采用TN-C-S系統。

6.3 電涌保護器的安裝

6.3.1 級間配合問題

當進入電涌電流為i時，首先要考慮有多少流入SPD1、有多少流入SPD2，其次考慮兩個SPD是否能耐受這些電應力。

兩個SPD典型線路圖如圖1所示，其中，Eq表示正常工作的被保護設備，O/c表示開路（設備從供電系統斷開），i表示侵入的電涌。從圖1可以看出，當設備被斷開，無電流流過設備，總電應力被兩個SPD承擔，此時應考慮SPD端子和負載間存在電涌源的情況。SPD的優良配合，既能保護后面的設備，也能保證SPD不被損壞。根據美國電氣與電子工程師協會（IEEE）相關標準，敏感設備作雷電過電壓防護時，要結合設備的實際情況設計好各種SPD的防護位置，通常必須達到兩級或兩級以上才能達到防雷要求。

圖1 兩個SPD的典型應用電路圖

6.3.2 配電電涌保護器配置

室內SPD的配置，SPD前、后級的參數對SPD的保護效果影響較大。第一級SPD一般是用來泄放雷電大電流，大部分沖擊電流和能量都是通過第一級SPD泄放，第一級SPD通流容量大于第二級SPD。第二級SPD是用于鉗位設備兩端的雷電過電壓，使SPD在設備可耐受電壓之內。

6.3.3 安裝第二級配電涌保護器要求

第一級SPD保護電壓等級與設備所能承受的過壓相比是很高的。如果第一級SPD與被保護設備間的距離過大，設備不能很好地被保護，還會因為振蕩，在被保護設備端產生高電壓，從而損壞被保護設備。SPD不是安裝越多級效果越好，是否需要加第二級或第三級SPD應滿足下列條件：一是第I級的SPD有效電壓保護水平相比被保護設備的耐過壓額定值要低；二是第I級SPD與被保護設備之間的線路長度小于10 m時；三是在建筑物內部不存在雷擊放電或內部干擾源產生的電磁場干擾時；四是第二級SPD無法滿足上述3個條件時，應安裝第三級SPD。

6.3.4 電涌保護器的級間配合

在對SPD防護模塊進行設計時，一方面，要考慮大功率及高電壓的輸入；另一方面，要降防護模塊的泄漏電壓，兩者綜合考慮才能減少保護設備和元器件損壞率。解決這個問題的方法就會，采用多級SPD級聯結的方法，依次降低每一級的電壓，然后形成一個電壓梯度下降狀況，即前級SPD抑制高電壓，中間級SPD抑制電壓次之，到最后一級SPD時電壓降至被保護器件可以承受的電壓范圍內，這樣一來就能對電磁脈沖作相應的防護。

由于耐受高電壓的前級SPD在防護過程中響應時間較長，耐受低電壓的后一級SPD響應速度快，存在耐壓和響應時間之間的矛盾。因SPD的電涌保護非線性器件各自都有不同的特點，為了讓響應速度快、但特征能量小的器件通過的雷電流能量不超過自身最大承受能量[4]，需要做能量配合，即要將剩余的大能量交換到反應慢卻可承受更大能量的器件上。氣體放電管（GDT）和瞬態抑制二極管（TVS）組合防護電路示意圖如圖2所示，設計中采用的GDT通流量容量大、電容較小、絕緣電阻高，但缺點是反應速度慢、殘壓高；TVS的響應速度較快、殘壓不高，但其耐受電壓偏低，如果直接連接GDT和TVS，受雷電電磁脈沖的作用，可能直接損壞TVS，失去雷電防護作用，所以要在GDT與TVS之間增加一個退耦器，用于加速GDT開啟，達到防電磁脈沖入侵的目的。電磁脈沖通過GDT和TVS的組合防護電路后，其電壓可從10 kV降至80 V以內，進而很好地抑制雷電電磁脈沖，但因中間存在的退耦器件會縮短TVS的響應時間，在鉗位響應電壓之間出現尖峰過沖[5]。器件之間組合匹配后，不但能提高雷電保護器的輸入電壓，而且還能減小輸出防護器殘壓。

圖2 GDT和TVS組合防護電路示意圖

6.3.5 信號線路SPD安裝級數

A級防護系統宜采用2級或3級，B級防護系統宜采用2級，C、D級防護系統宜采用1級或2級。在LPZ0A區或LPZ0B區與LPZ1區交界處應選用Iimp值為0.5～2.5 kA（10/350 μs）的SPD或0.25～5 kA（8/20 μs）的SPD；在LPZ2區與LPZ3區交界處應選用Iimp值為0.5～1.0 kA（1.2/50 μs）的SPD或0.25～0.5 kA（8/20 μs）的SPD。

7 結論

科學合理地選用和安裝SPD，是確保被保護設備不受雷電電涌侵入損壞的雷電防護手段之一，然而，選用SPD并進行安裝，都對技術要求很高，若是選擇的電涌保護器不合理或是安裝不規范，不僅難以起到自身具備的保護作用，相反還會帶來很大的破壞性[6]。因此，在設計SPD時，要考慮SPD上下級之間的能量配合，保證設備遭受雷擊瞬間每級的SPD能及時啟動。SPD選型是個技術性很強的工程，要依據大量、繁雜的觀測數據資料，還要參考設計方提供出的建筑物原始數據、建筑物屬性以及開展雷擊風險評估方法需要的有關參數，同時也要考慮現場情況傳遞的信息和實際時局。本文通過對加油站項目雷擊線路導致的對活體傷害的概率、雷擊線路導致實體損害的概率、雷擊線路導致內部系統失效的概率、雷擊線路鄰近區域導致內部系統失效的概率等進行評估分析。以此為基礎，對風險評估結論進行比較和分析，得出相關的結論，從而確定SPD的選型參數，電涌保護器試驗類別的選擇、電涌保護器前后級間的能量配合、安裝級數等，并提出了氣象災害防范措施。在實際應用中，要根據每個加油站的實際情況，分析項目所在地環境，以及被保護設備承受過電壓的能力，確定合理的能量配合，科學選擇合適的SPD防護。為加油站科學防雷提供了參考依據，同時節省了經濟投入，并有針對性地提出設計指導意見，用于降低雷擊損壞風險。