黃麗雄, 王宏民[.北京ABB低壓電器有限公司, 北京 0076； .ABB(中國)有限公司, 北京 0005]

電涌保護器后備保護裝置的選用原則

黃麗雄1, 王宏民2
[1.北京ABB低壓電器有限公司, 北京 100176； 2.ABB(中國)有限公司, 北京 100015]

低壓配電系統(tǒng)的防雷保護中廣泛地使用電涌保護器。電涌保護器在使用過程中有可能出現突然的短路故障,而此時電涌保護器內置脫離器無法快速斷開安裝點的短路電流,故必須安裝后備保護裝置以確保低壓配電系統(tǒng)安全、可靠的運行。依據國內外標準對于后備保護裝置的要求并結合實際試驗結果,給出后備保護裝置的選用原則,以供電涌保護器制造商和相關用戶參考。

電涌保護器； 短路故障； 后備保護裝置； 低壓配電系統(tǒng)

0 引 言

高敏感性、低抗擾度電子電氣設備的廣泛使用,對低壓配電系統(tǒng)的瞬態(tài)過電壓的防護提出了更高的要求,故電涌保護器(Surge Protective Device，SPD)的使用也日益廣泛。

SPD在使用過程中均可能出現短路故障。電壓開關型SPD在電涌電流流經后,會出現工頻續(xù)流,如果該續(xù)流電弧未能自行遮斷,將造成SPD短路失效。電壓限制型SPD在各種外加電應力及外界因素作用下,其性能和參數會發(fā)生變化,流經的泄漏電流逐漸增大,嚴重時出現擊穿現象,造成短路故障,如果故障不及時切除,SPD因過熱將導致起火甚至爆炸,直接影響配電系統(tǒng)的可靠運行。

由于存在上述的安全隱患,SPD前端必須安裝或配備相應的切除短路故障的保護裝置,即需要配置后備保護裝置,一般選用斷路器或熔斷器。

1 IEC和國家標準對SPD后備保護的要求

GB 18802.12—2014《低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器(SPD)》和IEC 61643-12:2008要求,SPD和過流保護器或者剩余電流動作保護器(Residual Current Protective Device,RCD)配合時,在標稱放電電流In下,建議過電流保護器或RCD應不動作。然而,當電流比In大時,則可以動作的;對于可復位過電流保護器,如斷路器,不應被這種電涌損壞。對于開關型SPD,除非其熄滅值為安裝點預期短路電流的續(xù)流時,否則不需要與上一級的SPD過電流保護器配合。同時,標準提供了一種基于I2t值進行后備保護的選取方法,但僅提供了熔斷器的一個配合表。

GB/T 21431—2008《建筑物防雷裝置檢測技術規(guī)范》要求,安裝在電路上的SPD,其前端應有后備保護裝置過電流保護器。如使用熔斷器,其值應與主電路上的熔斷電流值相配合,即應當根據SPD產品手冊中推薦的過電流保護器的最大額定值選擇。如果額定值大于或等于主電路中的過電流保護器時,則可省去。

GB 18802.1—2011和IEC 61643-1:2005要求,若制造商聲稱過電流保護裝置的最大額定值,那么過電流保護裝置需要隨SPD進行以下試驗。

(1) 動作負載試驗。對于I類試驗SPD的后備保護裝置,需要承受值為In或沖擊電流Ipeak(兩者取較大值)的15次8/20 μs正極性沖擊電流,以及0.1、0.25、0.5、0.75、1.0倍的Ipeak的10/350 μs沖擊波形各一次;對于Ⅱ類試驗需要承受值為In的15次8/20 μs正極性沖擊電流,以及0.1、0.25、0.5、0.75、1.0倍的Imax的8/20 μs沖擊波形各一次;對于Ⅲ類試驗需要承受值為In的15次8/20 μs正極性沖擊電流,以及0.1、0.25、0.5、0.75、1.0倍的Uoc的1.2/50 μs開路電壓正負各一次。在動作負載試驗中,各類SPD的后備保護裝置不應動作,試驗后應處于正常工作狀態(tài)。

(2) 短路耐受能力試驗。在試驗中SPD及其后備保護裝置需進行聲明的短路耐受能力試驗(試驗電流為Ip)和低短路電流試驗(試驗電流為最大過電流保護額定電流的5倍或300 A,兩者取較大值);對于電壓開關型SPD,其工頻續(xù)流值Ifi低于聲明的短路耐受能力時需進行補充試驗,試驗過程中后備保護裝置應能及時地切斷相應的短路電流,以保證SPD在試驗中不損壞或安全地失效。

(3) 由高(中) 壓系統(tǒng)故障引起的暫時過電壓(TOV)下的試驗。若制造商聲稱的為耐受模式,則試驗過程中后備保護裝置應不動作;若為故障模式,后備保護動作與否均可,但SPD應安全地失效。

現有標準中對SPD后備保護裝置的要求不盡相同,同時存在不完整的方面,而一些制造商后備保護推薦方案也不夠詳細。GB 18802.12—2014和GB 18802.1—2011中對于后備保護裝置的沖擊電流耐受的要求不同,GB 18802.12—2014中僅要求在In及以下沖擊電流下后備保護裝置不動作,而GB 18802.1—2011中要求在Imax或Ipeak沖擊下也應不動作。

在最新的IEC 61643-11:2011(代替IEC 61643-1:2005和GB 18802.1—2011)低壓配電系統(tǒng)用SPD產品標準中,Ⅰ類和Ⅱ類試驗SPD的動作負載試驗僅在In下進行,Ⅲ類試驗SPD僅在Uoc下進行,只是Ⅰ類試驗需要進行沖擊序列為0.1、0.25、0.5、0.75、1.0倍的Iimp的附加負載試驗。

綜上所述,SPD后備保護裝置的基本要求應是能承受相應的沖擊電流或者沖擊電壓而不動作,能及時地切除SPD出現短路故障時的故障電流。

2 試驗內容

2.1 斷路器沖擊電流耐受能力的試驗

2.1.1 試驗背景

SPD后備保護裝置一般是斷路器或者熔斷器。斷路器用于SPD的后備保護裝置時,具有可重復使用(即因故障斷開后不必更換器件)、遙控遙信、沖擊電流耐受能力強等優(yōu)點,但電涌電流流過時殘壓較高,而熔斷器的殘壓較低,故動作后必須進行更換,以免影響保護的可靠性。

熔斷器是通過熔斷一個或幾個成比例的特殊設計的熔體分斷過電流,并由此斷開其所接入電路的裝置 。其I2t特性應滿足以下要求:弧前I2t值不應小于規(guī)定的相應值,熔斷I2t值不應大于規(guī)定的相應值。因此,IEC 61643-12:2008中提出了基于I2t值進行熔斷器作為后備保護的選取方法。

斷路器能接通、承載和分斷正常電路條件下的電流,也能在規(guī)定的非正常條件下接通、承載一定時間和分斷電流。在斷路器的IEC標準和國家標準中均未對斷路器的I2t值做出要求。實際上,各個品牌斷路器的I2t值也有著較大的差異。斷路器能通過的I2t值也隨著外加預期短路電流值的不同而不同。同時,相較熔斷器,斷路器的動作機理更復雜,包括熱脫扣、磁脫扣和電動斥力。

為了研究斷路器選取以及其在沖擊電流下的動作機理,設計了測試斷路器沖擊電流耐受能力的試驗。

2.1.2 試驗方案

依據GB 18802.1—2011的動作負載試驗,設計了下面試驗方案,以測試不同品牌、不同脫扣特性斷路器的耐受沖擊電流能力,即SPD 的最大放電電流值Imax和標稱放電電流值In。

由于GB 18802.1—2011動作負載試驗中,比In大的沖擊僅有2次,故斷路器在施加2次相同沖擊電流情況下所能承受的最大電流峰值為其Imax值;同樣地,斷路器在施加15次相同沖擊電流情況下所能承受的最大電流峰值為其In值。試驗樣品:品牌A的B特性和C特性斷路器;品牌B的C特性斷路器和隔離開關。需要指出的是,試驗所選不同品牌的斷路器結構設計有較大的差異,尤其是動靜觸頭的設計,其I2t值也不相同,且同一個預期短路電流下相同電流等級的品牌A的I2t值比品牌B的低。另外,同品牌不同電流等級的不同特性產品動靜觸頭結構是一樣的,不同的是磁脫組件和熱脫組件。品牌B隔離開關的機構與品牌B斷路器的機構相同,僅僅取消了磁脫扣和熱脫扣,其沖擊電流下的動作僅靠電動斥力。

耐受電流值試驗程序如圖1所示。

圖1 耐受電流值測試程序圖

確定耐受最大放電電流值時,時間間隔按照GB 18802.1—2011動作負載試驗的要求進行;確定耐受標稱放電電流值時,時間間隔按照GB 18802.1—2011動作負載預處理試驗的要求進行。

2.1.3 試驗數據

試驗測得品牌A的B特性和C特性斷路器耐受的Imax和In值分別如圖2、圖3所示。

圖2 品牌A的耐受Imax值對比圖

圖3 品牌A的耐In值對比圖

品牌A和品牌B的C特性斷路器耐受的Imax和In值分別如圖4、圖5所示。

圖4 品牌A和品牌B的C特性斷路器耐受Imax值對比圖

圖5 品牌A和品牌B的C特性斷路器耐受In值對比圖

品牌B的C特性斷路器和隔離開關耐受的In值如圖6所示。

圖6 品牌B的C特性斷路器和隔離開關耐受的In值對比圖

2.1.4 試驗數據及結果

(1) 由圖2、圖3可知,不同特性的產品,在電流等級相同情況下耐受沖擊能力差異不大;同結構的斷路器額定電流增大,I2t值增大,其耐受沖擊電流值也有隨之增大的趨勢。

(2) 由圖4、圖5可知,不同設計結構的產品,在電流等級相同情況下耐受沖擊能力有較大差異;不同產品,I2t值大的其耐受沖擊能力值并不一定大。

(3) 由圖6可知,斷路器在沖擊電流下的動作不僅僅與動靜觸頭間的電動斥力有關。

2.2 斷路器低短路電流能力的試驗

2.2.1 試驗背景

GB 18802.1—2011要求,如果制造商聲稱過電流保護裝置的最大額定值,需要進行低短路電流的試驗,試驗電流為5倍的過流保護裝置的額定值,電流施加時間為5 s。

目前,絕大多數制造商聲稱的后備保護裝置為C特性斷路器。斷路器的標準要求C特性斷路器在5倍額定電流下0.1 s內不動作。實際上,絕大部分的C特性斷路器所聲稱的動作時間從1 s到20 s不等。在該試驗電流下,即使是實際的低短路電流情況下,如果后備保護斷路器不動作,則要求SPD本身能夠耐受相應的電流或者內置脫離器能夠斷開電流。但由于SPD的設計多種多樣,有的SPD內部不具備內置脫離器,或者內置脫離器的設計不足以斷開相應的電流。所以,從實際安全考慮,后備保護斷路器在短路情況下應該是越早動作越好。

2.2.2 試驗方案

(1) 測試5倍額定電流條件下,不同品牌、相同電流等級、相同脫扣特性斷路器的動作時間。

(2) 測試氣體放電管的電弧遮斷時間。

(3) 按GB 18802.1—2011中低短路電流能力的試驗,進行不同SPD和不同脫扣特性斷路器配合的試驗。

2.2.3 試驗數據

試驗1:測得品牌A和品牌B的B特性及C特性斷路器在5倍額定電流值情況下的動作時間,如表1所示。

表1 斷路器在5倍額定電流值下的動作時間

試驗2:測試氣體放電管的電弧遮斷時間均在半個周波內,即時間少于10 ms。

試驗3:具體樣品情況及試驗結果如表2所示。

表2 具體樣品情況及試驗結果

注:SPD的氧化鋅陶瓷體由同尺寸銅塊替代。

2.2.4 試驗數據/結果

(1) 在低短路電流試驗中,B特性和C特性斷路器均能夠滿足要求,但B特性能夠更快地斷開短路電流。

(2) 開關型SPD電弧遮斷時間與B型斷路器的磁脫扣時間相近。

3 結 語

依據IEC和國家標準針對SPD后備保護裝置的要求以及試驗數據/結果,得出結論如下:

(1) 由于斷路器在沖擊電流下的動作機理不僅僅是動靜觸頭的電動斥力,且其沖擊耐受能力與I2t值并不直接相關,故選擇斷路器作為后備保護裝置時不宜以I2t值作為唯一參考依據,而應以實際的試驗驗證為準。

(2) 由于不同設計結構的斷路器在相同脫扣特性及額定電流等級下的沖擊電流耐受能力具有較大的差異,故制造商聲稱的后備保護器型號不應籠統(tǒng)地給出斷路器的額定電流值和脫扣特性,而應該明確產品的品牌甚至給出具體型號。

(3) 由于C特性的約定瞬時脫離器不脫扣電流倍數比B特性的高,鑒于短路時應更快速地切斷故障電流,認為在能夠滿足沖擊耐受能力和分斷安裝點預期短路電流的前提下,B特性斷路器更適用于電壓限制性SPD的后備保護裝置。為了防止沖擊電流后電壓開關型SPD的續(xù)流引起的誤動作,B特性斷路器不建議用作此類SPD的后備保護裝置。

[1] GB 18802.1—2011 低壓電涌保護器(SPD) 低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器 性能要求和實驗方法 [S].

[2] 趙洋.電涌保護器(SPD)與后備保護斷路器的配合研究[D].上海:上海交通大學,2011.

[3] 劉進,劉金良,胡軍,等.ZnO壓敏電阻老化機理的研究進展[J].電工電能新技術,2010,29(3):63-67.

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[8] IEC 61643-11:2011 Low-voltage surge protective de-vices Surge protective devices connected to low-voltage power system Requirements and test methods[S].

[9] 李敏.SPD中后備保護器件選用問題的研究 [J].科技創(chuàng)新導報,2010(2):14-17.

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[11] 周茂祥,張吉林.低壓電器設計手冊[M].1992.

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Selection Principles of Backup Protection Device for Surge Protective Device

HUANG Lixiong1, WANG Hongmin2

[1.ABB Low Voltage Installation Materials Co., Ltd., Beijing 100176, China;2.ABB(China) Co., Ltd., Beijing 100015, China]

Surge protective device (SPD) is widely used in the lightning protection of the low voltage power distribution system.In the process of using SPD,the short circuit fault may occur.But at this time,SPD internal disconnector can’t quickly disconnect the short circuit current at the mounting point.Therefore,the installation of the backup protection device is necessary for ensuring the safe and reliable operation of the low voltage power distribution system.Based on the requirements of backup protection device in the domestic and international standards and integrating the actual testing results,the selection principles of backup protection device were given.It can provide references for the SPD manufacturers and relevant users.

surge protective device(SPD); short circuit fault; backup protection device; low voltage power distribution system

黃麗雄(1988—),男,工程師,從事電涌保護器的產品研發(fā)及項目管理。

TU 856

B

1674-8417(2015)10-0024-05

2015-09-23