熊小俊， 楊 媚

(中國建筑設計院有限公司， 北京 100044)

1 SPD的發(fā)展起源及現(xiàn)狀

SPD最早出現(xiàn)于19世紀末期，用于架空輸電線路，防止雷擊損壞設備絕緣而造成停電，故稱“Surge Protective Device(浪涌保護器)”。20世紀20年代，出現(xiàn)了鋁浪涌保護器，氧化膜浪涌保護器和丸式浪涌保護器;30年代出現(xiàn)了管式浪涌保護器;50年代出現(xiàn)了碳化硅防雷器;70年代由日本松下公司首先發(fā)明了以金屬氧化物陶瓷為主要部件的金屬氧化物浪涌保護器。SPD發(fā)展至今，在高壓輸電線路、微電子及民用建筑等領域得到了廣泛的應用。然而，SPD雖在保護電氣系統(tǒng)和重要的電氣電子設備免遭雷擊過電壓的損壞中起到了重要作用，但SPD也經(jīng)常因選擇使用不當導致自身故障甚至引起火災等事故發(fā)生。因此SPD后備保護的選擇使用不容忽視。

2 SPD工作原理及分類

SPD保護功能主要用于限制瞬態(tài)過電壓和分泄電涌電流。瞬態(tài)過電壓一般包括大氣過電壓和操作過電壓。當雷電落在建筑物或者建筑物附近以及輸電線路或輸電線路附近，會侵入或感應出數(shù)十千伏的瞬態(tài)過電壓，并沿著線路侵入配電回路而損壞電氣電子設備。為了保護電氣系統(tǒng)和重要的電氣電子設備免遭雷擊過電壓的損壞，配電系統(tǒng)和通信信號系統(tǒng)必須安裝電涌保護器。按照工作原理劃分，SPD可分為以下三類。

2.1 電壓開關型電涌保護器

無電涌出現(xiàn)時為高阻狀態(tài)，當電涌電壓達到一定值時SPD突變?yōu)榈妥杩?。通常采用放電間隙、充氣放電管、硅可控整流器或三端雙向可控硅元件做電壓開關型電涌保護器的組件。具有不連續(xù)的電壓、電流特性。適用于LPZ0A區(qū)或LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)界面處的雷電流浪涌保護。

2.2 限壓型電涌保護器

無電涌出現(xiàn)時為高阻狀態(tài)，隨著電涌電流和電壓的增加，阻抗連續(xù)變小。通常采用壓敏電阻、抑制二極管作限壓型電涌保護器的組件，也稱“箝壓型”電涌保護器。具有連續(xù)的電壓、電流特性。因其響應時間快、劣化情況易檢測、沒有續(xù)流、成本低，故常用于LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)及以上雷電防護區(qū)域內(nèi)的雷電電磁脈沖導致的過電壓或操作過電壓保護。

2.3 組合型電涌保護器

由電壓開關型元件和限壓型元件組合而成的電涌保護器，主要是利用開關器件的大放電電流，以及限壓元件的電壓限制特性，使得整體SPD參數(shù)更完美。其特性隨所加電壓的特性可以分為電壓開關型、限壓型或電壓開關型和限壓型皆有(測試波形不會改變器件特性)。

3 SPD后備保護設置的必要性

根據(jù)SPD工作原理及元器件自身特點， SPD內(nèi)部防雷芯片在正常使用情況下會受到多次雷電流沖擊、操作過電壓、高溫、高濕等影響，導致防雷芯片老化、劣化。通常流過限壓型(采用壓敏電阻)SPD的初始漏電流一般≤40μA，市場部分電涌保護器初始漏電流<5μA，但承受額定通流放電后，漏電流開始逐步增大，并且隨著放電次數(shù)的增加，漏電流持續(xù)增大，當漏電流增加到一定值時(通常單閥片不應超過1mA)，SPD開始升溫發(fā)熱，劣化速度變快，極易引起火災。除此之外，在當高能量電涌沖擊或線路工頻故障，SPD發(fā)生短路失效時，若無線路保護，不能將故障線路及時斷開，也將導致配電線路發(fā)生火災，甚至SPD爆炸。綜上，切斷線路SPD內(nèi)部芯片的漏電流和線路工頻短路電流是設置SPD后備保護的主要原因。

4 SPD后備保護選擇要點

根據(jù)SPD漏電流及工頻短路故障電流的大小及產(chǎn)生原因，通常SPD后備保護采用內(nèi)部保護和外部保護兩種形式，并同時設置。

4.1 SPD的內(nèi)部保護

有效控制SPD內(nèi)部漏電流是SPD內(nèi)部保護的關鍵。市場有些產(chǎn)品初始漏電流很小，但使用后會有很大增幅，變化率很高。與之相反的是，市場上另一些電涌保護器初始漏電流比較大(5～30μA)，但經(jīng)受多次額定通流放電后，漏電流卻增幅很小，這是一項非常重要的指標。漏電流變化率高的電涌保護器，安全性、可靠性及使用壽命都較低，漏電流變化率越低，電涌保護器使用的安全性和可靠性以及使用壽命越高。當SPD內(nèi)部漏電流增大時，SPD內(nèi)部溫度升高至限值，內(nèi)部通過低溫焊錫或機械式金屬彈片等熱保護裝置脫扣(不同廠家產(chǎn)品內(nèi)部裝置有所不同)，迅速斷開與電源的連接，保障SPD安全。因此也不應過分追求小的漏電流，而是應該更關注SPD使用過程中漏電流的變化率，通常應≤200%。

4.2 SPD的外部保護

當過載的能量電涌沖擊或線路工頻故障(短路/ 暫時過電壓(TOV))時，由于續(xù)流的存在或氣體膨脹產(chǎn)生巨大壓力，脫扣點不能保證是溫度最高的熔穿點，造成SPD對地短路，持續(xù)的短路電流導致SPD發(fā)熱、起火。因此，當SPD前加裝后備保護裝置后，在SPD發(fā)生短路失效時，后備保護裝置斷開，線路得到保護。

(1)電涌的耐受能力

SPD正常工作時，電涌電流不僅僅是流過SPD，也會流過線路上的其他所有設備，包括SPD后備保護裝置。為防止電涌電流正常流過時不發(fā)生后備保護設備的誤動作，導致SPD防雷失效，應合理選擇后備保護設備的耐受能力。下文就以熔斷器為例進行分析(分析結果表明：相同額定電流的斷路器電涌耐受性能優(yōu)于熔斷器)。

熔斷器的耐受性主要取決于弧前值，即I2t，根據(jù)GB/T 18802.12-2014《低壓電涌保護器(SPD)第12部分：低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器選擇和使用導則》附錄P，弧前值計算公式為：

(1)

(2)

式中，Icrest為電涌單次沖擊電流(單位kA)，I2t單位為A2·s。

根據(jù)GB 50057-2010《建筑物防雷設計規(guī)范》要求，取Ⅰ級試驗電涌保護器沖擊電流為12.5kA；Ⅱ級試驗電涌保護器In≥5 kA(Imax取In的兩倍計算)。

根據(jù)以上公式計算：對于10/350波形：I2t=256.3×12.52=40 047(A2·s)，對于8/20波形：I2t=14.01×102=1 401(A2·s)。由于受預處理和動作負載試驗影響，熔斷器的性能將降低，故實際使用時應考慮0.5～0.9的降低系數(shù)。

參見表1，可以準確選擇后備保護裝置整定電流。否則，流過后備保護器的雷擊沖擊電流的能量太低，不會使后備保護動作；雷擊沖擊電流的能量遠遠高于后備保護的弧前積分值(即燃弧值，I2t)，則又會使后備保護會發(fā)生爆炸。除機械損壞的后果外，雷電流可能會以電弧形式繼續(xù)流過已爆炸的后備保護，并產(chǎn)生后續(xù)的影響。

單次沖擊耐受能力和通過全部預處理/動作負載試驗的耐受能力的比值的示例 表1

(2)工頻過電流的短路保護

當SPD自身的短路耐受能力或短路分斷能力大于安裝處的預期短路電流時，則認為SPD已具備保護功能，此時可無需安裝外置的后備保護器；但普通SPD一般無法滿足目前供電系統(tǒng)的預期短路電流。因此在SPD短路失效并無法有效分斷短路電流時，SPD應設置后備保護器并能分斷相應的預期短路電流。

(3)與上級開關的保護配合

后備保護應采用具有C型脫扣曲線的延時脫扣器，其額定電流根據(jù)SPD的最大放大電流Imax來選擇;或采用熔斷器，與上一級熔斷器實現(xiàn)選擇性配合(配合比為1/1.6)。當上一級過電流保護器的額定值小于SPD引線回路里的過電流保護器的整定值時，SPD后備保護則不起作用，可省略或選擇小一級整定值。

4.3 不同類型后備保護裝置比較

現(xiàn)行市場SPD生產(chǎn)廠家采用的后備保護器元器件類型較多，紛繁復雜。常見類型有SPD專用后備保護裝置(SCB)、一體式熔斷器(FU)、塑殼斷路器(MCCB)，微斷(MCB)等。如何選擇后備保護器類型及主要參數(shù)一直沒有明確規(guī)定及準確數(shù)據(jù)，甚至不同產(chǎn)品技術人員有許多不一致觀點和宣傳，給設計人員造成不少困惑。表2為各產(chǎn)品類型作為后備保護使用的特點分析。

各產(chǎn)品類型作為后備保護使用的特點 表2

5 結束語