李宗哲, 胡娟平, 程曉飛

(1.西安航嘉電子有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710075;2.陜西省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710018)

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淺談電源電涌保護(hù)器

李宗哲1, 胡娟平2, 程曉飛2

(1.西安航嘉電子有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710075;2.陜西省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710018)

介紹了電涌保護(hù)器(SPD)分類及工作原理,分析比較了用作電源SPD保護(hù)電器的熔斷器、斷路器的優(yōu)缺點。電源SPD一般無需后備保護(hù)電器,但為了SPD失效后更換方便,最好串聯(lián)斷路器當(dāng)作保護(hù)電器,進(jìn)一步保證低壓配電設(shè)備能夠更加安全、可靠地運行。

電源; 電涌保護(hù)器; 保護(hù)電器; 熔斷器; 斷路器; 后備保護(hù)器

0 引 言

電涌保護(hù)器(Surge Protective Device,SPD)是限制雷電反擊、侵入波、雷電感應(yīng)和操作過電壓而產(chǎn)生的瞬時過電壓和泄放電涌電流的器件,至少包含一個非線性元件,為雷電防護(hù)裝置體系中的重要組成部分[1]。

SPD具有泄流和限壓兩個作用。泄流就是把入侵的雷電流分流入地,讓雷電的大部分能量泄入大地,使雷電電磁脈沖無法達(dá)到或極少部分到達(dá)電子設(shè)備。限壓就是在雷電過電壓通過電源線入戶時,在SPD兩端保持一定的電壓(殘壓),而該殘壓又是電子設(shè)備所能接受的。泄流和限壓兩個作用可同時獲得,即在分流過程中達(dá)到限壓,使電子設(shè)備得到保護(hù)[2]。

應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)的電源SPD適用于對感應(yīng)雷和雷擊電磁感應(yīng)或其他瞬態(tài)過電壓造成的電涌進(jìn)行保護(hù)。本文所描述低壓配電系統(tǒng)是指海拔不超過2 000 m、額定頻率至30 kHz、交流額定電壓不超過1 000 V(有效值)、直流電壓不超過1 500 V的系統(tǒng)或者相關(guān)設(shè)備。

1 SPD分類及工作原理

電源SPD主要分開關(guān)型電源SPD和限壓型電源SPD。一般開關(guān)型電源SPD主要部件是放電間隙或氣體放電管,沒有電涌時具有高阻抗,當(dāng)對電涌電壓響應(yīng)時能突變成低阻抗。限壓型電源SPD最常用的主要部件是金屬氧化物壓敏電阻(MOV),沒有電涌時為高阻抗,隨著電涌電流和電壓的增加,阻抗持續(xù)減小。

電源SPD的最大放電電流Imax是SPD不被損壞而能承受的最大放電電流,當(dāng)超過該值或長時間工作于感應(yīng)過電壓狀態(tài),大于SPD所設(shè)計的最大吸收能量和放電電流時,SPD遭受沖擊后可能會失效。電源SPD的失效模式有開路模式(開路或高阻抗)和短路模式(短路或低阻抗)。在開路模式下,被保護(hù)系統(tǒng)不再受保護(hù),失效的SPD對系統(tǒng)幾乎沒有影響。為保證下一個電涌到來前及時更換失效的SPD,需要SPD失效后能明確指示SPD的狀態(tài)。在短路模式下,短路電流流過失效的SPD使能量過度釋放,可能引起火災(zāi)。為防止SPD失效后造成系統(tǒng)短路和保證系統(tǒng)供電的連續(xù)性,需要在SPD和系統(tǒng)線路之間串聯(lián)保護(hù)電器,以便當(dāng)SPD出現(xiàn)短路失效時,將SPD從系統(tǒng)中脫離,避免供電受干擾或中斷。

限壓型電源SPD的短路故障產(chǎn)生原因主要是電涌電流通過MOV產(chǎn)生的熱擊穿或電涌電流在MOV表面產(chǎn)生的放電而造成兩極間金屬性短路,其工頻短路電流值因系統(tǒng)容量不同而不同(幾百至幾千安培)。SPD短路故障的另一類表現(xiàn),即因失效的 MOV并未完全短路且有一定阻抗,流過MOV的故障電流使其發(fā)熱燃燒,在沒有完全開路前故障電流為幾百毫安至幾安培。

電源SPD的保護(hù)電器主要有熔斷器、斷路器、后備保護(hù)器(Special Circuit Breaker,SCB)等。當(dāng)SPD放電電流小于SPD的標(biāo)稱放電電流In時,保護(hù)電器不能動作;當(dāng)放電電流大于In或者Imax而造成SPD失效時,保護(hù)電器才動作。另外,主回路系統(tǒng)電壓異常,出現(xiàn)暫態(tài)過電壓,造成SPD動作,使SPD上有工頻或者直流電流流過,或者SPD遭受沖擊而造成SPD劣化,SPD的Uc值變低,SPD上有泄漏電流流過。如果有持續(xù)的電流流過SPD,就會造成SPD發(fā)熱。如果SPD內(nèi)部的熱保護(hù)機構(gòu)失效,就需要靠保護(hù)電器脫扣動作來避免SPD起火燃燒。這就需要在工頻電流5 A以下能夠可靠脫扣的SCB開關(guān)。設(shè)計的SCB開關(guān)在工頻電流3 A、4 A脫扣,在一定電涌電流下不脫扣。

電源SPD內(nèi)部一般有脫離機構(gòu),SPD與主回路連接的接點在SPD內(nèi)部采用低溫焊錫焊接。低溫焊錫是低熔點易熔金屬,一般熔點在120 ℃或140 ℃左右,當(dāng)SPD的MOV上有電流流過而造成MOV本體溫度達(dá)到低溫焊錫的熔點120 ℃或140 ℃左右時,SPD內(nèi)部脫扣機構(gòu)動作,將SPD內(nèi)部MOV的極片與主回路斷開,從而避免SPD的溫度進(jìn)一步上升。電源SPD殼體一般有阻燃劑,以避免SPD起火而引發(fā)火災(zāi)。

當(dāng)選用的SPD產(chǎn)品上有50 mA直流電流流過時,40 s低溫焊點完全脫開,如圖1所示。

圖1 SPD內(nèi)部低溫焊點過熱脫扣后圖片

一般正規(guī)廠家生產(chǎn)的電源SPD起火燃燒的可能性較小。由于SPD內(nèi)部過熱脫扣保護(hù)用的低溫焊錫價格較高,有些廠家為了降低成本,用普通焊錫來代替,這樣就失去了過熱保護(hù)功能;還有的廠家過熱脫扣機構(gòu)不合理,容易卡死,導(dǎo)致脫不開,再加上殼體采用低成本的不帶阻燃材料,易造成SPD起火燃燒。

SCB也稱為SPD專用外置脫離器,價格比斷路器和熔斷器高很多,是熔斷器和斷路器價格的10倍左右,使用成本高。從外形看,SCB與斷路器基本相同,參量控制脫扣機構(gòu),通過電流實現(xiàn)選擇性分?jǐn)?沖擊電流不脫扣,工頻電流4 A脫扣,避免SPD起火。

熔斷器、斷路器、SCB后備保護(hù)器在沖擊電流下殘壓值如表1所示。

電源SPD的保護(hù)電器最理想狀態(tài)是雷電流通過時不斷開,保持有效狀態(tài);當(dāng)SPD劣化或電源出現(xiàn)異常時,SPD上有工頻泄漏電流流過,達(dá)到起火邊界值工頻電流5 A前速斷脫扣。

SCB能在工頻電流3 A或2 A時速斷脫扣,但在雷電流時不脫扣。如果SCB能可靠動作,才能起到SPD保護(hù)電器的作用。

SCB產(chǎn)品價格很高,在實際應(yīng)用還不太多,主要應(yīng)用在設(shè)計院特殊項目的設(shè)計中。目前,廣泛用作SPD保護(hù)電器的還是小型斷路器和熔斷器。

表1 熔斷器、斷路器、SCB在沖擊電流下殘壓值 V

2 電源SPD的保護(hù)電器

2.1 斷路器

開關(guān)型電源SPD由于其損壞方式為開路,一般無需后備保護(hù)電器,但為了SPD失效后更換方便,還是串聯(lián)斷路器當(dāng)作保護(hù)電器。

斷路器用作保護(hù)電器,安裝、操作方便,SPD失效時切斷電源更換SPD比較方便,而且SPD失效對地短路后,易發(fā)現(xiàn)斷路器脫扣。斷路器狀態(tài)通過斷路器的電氣附件狀態(tài)指示接點的開關(guān)量信號來采集、上傳、監(jiān)測,也可以通過控制模塊遙控斷路器的分勵脫扣電氣附件來實現(xiàn)遙控斷路器的脫扣,實現(xiàn)電源防雷的智能化。無論主回路是否有電,都不影響斷路器狀態(tài)的采集和脫扣的遙控。如果采集控制回路電源不是從SPD連接的主回路取電,則主回路線路的雷擊或操作過電壓造成的電涌就不會影響采集和控制回路。

根據(jù)Q/GDW 413—2010《電力系統(tǒng)二次設(shè)備SPD防雷技術(shù)規(guī)范》[3]表A.1,交流斷路器耐沖擊電流的能力如表2所示。 用于電源SPD后備保護(hù)電器的斷路器的選配原則是在SPD標(biāo)稱放電電流In下不脫扣或損壞,當(dāng)SPD短路失效時迅速斷開,選用C脫扣曲線,斷路器的分?jǐn)嗄芰Ρ仨毚笥诎惭b處的最大短路電流。一般情況下,當(dāng)SPD的In為40 kA時,斷路器的額定電流不小于32 A;當(dāng)SPD的In為20 kA時,斷路器的額定電流不小于20 A。

斷路器用作SPD的保護(hù)電器的缺點是殘壓高,存在一定的保護(hù)盲區(qū),成本比熔斷器略高;優(yōu)點是更換SPD方便,故障斷開后可手動操作復(fù)位,無需更換元件,具有過載和短路保護(hù)功能,方便實現(xiàn)遙控監(jiān)測。

表2 交流斷路器耐沖擊電流的能力

斷路器的額定電流/A充電電壓/kV沖擊電流/kA沖擊試驗結(jié)果2017．029．37未跳閘17．530．35斷路器損壞3218．031．34未跳閘18．532．32斷路器損壞5024．041．78未跳閘24．542．57斷路器損壞6328．046．91未跳閘28．547．30斷路器損壞

2.2 熔斷器

熔斷器用作保護(hù)電器時,需要采用延時斷開的熔斷體。熔斷器更換時需要主回路斷電,或者帶電操作。熔斷器的通斷狀態(tài)不能直觀顯示,需要主回路線路帶電,才能使熔斷器的通斷指示回路工作。另外,主回路電涌電流流過熔斷器和SPD時,有可能損壞熔斷器的指示燈,造成誤判。熔斷器用作保護(hù)電器時,無法實現(xiàn)遙控斷開、采集、聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。

熔斷器的過電流工作曲線受環(huán)境溫度影響大,對過電流的斷開沒有斷路器可靠。座裝的熔斷器在受到8/20 μs雷電過電壓沖擊時,會使SPD無法正常工作;焊接的熔斷器當(dāng)SPD劣化后,不能在小于5 s的時間內(nèi)斷開,易發(fā)生短路和火災(zāi)危險[4]。

熔斷器用作保護(hù)電器的優(yōu)點是殘壓低,限流特性好,分?jǐn)嗄芰Ω?相對尺寸較小,價格較低;缺點是故障熔斷后必須更換熔斷體,無法實現(xiàn)遙控監(jiān)測,保護(hù)功能單一,存在保護(hù)盲區(qū),在持續(xù)的小泄漏電流下無法熔斷。

根據(jù)GB/T 18802.12—2014《低壓電涌保護(hù)器(SPD) 第1部分:低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器性能要求和試驗方法》[5]附錄P,單次電涌下熔斷器的耐受性,用I2t進(jìn)行波形計算,并且與熔斷器生產(chǎn)廠商提供的弧前值I2t(1 ms)比較,來推測熔斷器單次電涌耐受能力。

對于32 A的gG型圓管式熔斷器,典型弧前值為1 300 A2·s。具有24 000 A2·s弧前值的100 A gG型圓管式熔斷器,能夠耐受8/20 μs波單次沖擊電流計算值為

根據(jù)GB/T 18802.12—2014表P.1,gG型圓管式熔斷器單次8/20 μs波電涌耐受能力計算值及試驗值如表3所示。

表3 gG型圓管式熔斷器單次8/20 μs波電涌耐受能力計算值及試驗值

典型額定電流/A弧前值I2t/(A2·s)計算值/kA試驗值/kA258007．653213009．6763750023．117801450032．2251002400041．4301254000053．440

SPD配置熔斷器或斷路器的整定值如表4所示[6-7]。

表4 SPD配置熔斷器或斷路器的整定值

保護(hù)級別放電電流(8/20μs)/kAInImax整定電流/A斷路器熔斷器一級80/60/4080以上50100/80/40二級40/2050～803240/32三級2025～4020～1632四級1015～201020

3 結(jié) 語

目前,SPD成為保護(hù)電子信息設(shè)備安全的重要環(huán)節(jié)。本文主要介紹了電源SPD的保護(hù)電器,以便在以后的設(shè)計、施工、維護(hù)、使用中更加便捷有利,進(jìn)一步保證低壓配電設(shè)備能夠更加安全、可靠地運行。

[1] 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范:GB 50057—2010[S].

[2] 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范:GB 50343—2012[S].

[3] 電力系統(tǒng)二次設(shè)備SPD防雷技術(shù)規(guī)范:Q/GDW 413—2010[S].

[4] 低壓電涌保護(hù)器(SPD) 第1部分:低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器性能要求和試驗方法:GB 18802.1—2011[S].

[5] 低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器(SPD) 第12部分:選擇和使用導(dǎo)則:GB/T 18802.12—2014[S].

[6] 電工術(shù)語 避雷器、低壓電涌保護(hù)器及元件:GB/T 2900.12—2008[S].

[7] 劉興順.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

Discusssion on Source Surge Protective Device

LI Zongzhe1, HU Juanping2, CHENG Xiaofei2

(1.Xi’an HangJia Electronics Co., Ltd., Xi’an 710075, China;2.Shaanxi Architectural Design & Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710018, China)

This paper introduced the classification and working principle of surge protective device(SPD),and analyzed the advantages and disadvantages of fuse and circuit breaker which were as the protective appliances of power SPD.The power SPD generally doesn’t required the backup protective appliances,but the circuit breaker is best as the protective appliance in order to change the disabled power SPD.It further ensures the low voltage power distribution equipments have the safe and reliable operation.

power; surge protective device(SPD); protective appliance; fuse; circuit breaker; special circuit breaker(SCB)

李宗哲(1969—),男,工程師,從事電涌保護(hù)器方面的工作。

TU 856

B

1674-8417(2016)11-0025-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.11.007

2016-10-08

胡娟平(1986—),女,工程師,從事建筑電氣與智能化設(shè)計工作。

程曉飛(1988—),男,工程師,從事建筑電氣與智能化設(shè)計工作。