高連月 孫曉嬌 王建軍3

（1.中鋼集團(tuán)安徽劉塘坊礦業(yè)有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司）

浪涌保護(hù)器（Surge Protective Device，SPD）也稱電涌保護(hù)器，在我國(guó)某些標(biāo)準(zhǔn)中又被稱為“防雷器”、“防雷保安器”，它是一種用于帶電系統(tǒng)中限制瞬態(tài)過(guò)電壓和分泄電涌電流的非線性防護(hù)器件，用以保護(hù)電氣或電子系統(tǒng)免遭雷電或操作過(guò)電壓及涌流的損害［1］。

中鋼集團(tuán)安徽劉塘坊礦業(yè)有限公司選礦廠、提升機(jī)房等各配電房的低壓進(jìn)線柜中就裝有SPD 模塊及其過(guò)電流保護(hù)器，如圖1所示。

該公司SPD 前端的過(guò)電流保護(hù)器多采用熔斷器，在進(jìn)行雷電防護(hù)裝置年度檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)SPD 模塊進(jìn)行壓敏電壓和泄露電流的測(cè)試，此時(shí)需斷開過(guò)電流保護(hù)器后，將SPD 模塊卸下來(lái)，當(dāng)過(guò)電流保護(hù)器采用熔斷器時(shí)，斷電就需要帶電操作，且熔管也不易插拔。為此，動(dòng)力部門的電氣維修人員提出將熔斷器改為普通微型斷路器，便于SPD模塊斷電及檢測(cè)。

1 SPD過(guò)電流保護(hù)的作用

現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中都提出在安裝SPD 的引接線上要串聯(lián)過(guò)電流保護(hù)裝置，如《建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB/T21431—2015）中5.2.8.6 條就有如下規(guī)定：“安裝在電路上的SPD，其前端宜有后備保護(hù)裝置。后備保護(hù)裝置如使用熔斷器，其值應(yīng)與主電路上的熔斷器電流值相配合，宜根據(jù)SPD 制造商推薦的過(guò)電流保護(hù)器的最大額定值選擇，或應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求?！保?］SPD 過(guò)電流保護(hù)器在配電系統(tǒng)（以TN-S系統(tǒng)為例）中的安裝位置如圖2所示。

SPD前端安裝過(guò)電流保護(hù)器，一方面是便于迅速切斷SPD 故障支路，另一方面是為防止配電開關(guān)越級(jí)脫扣而導(dǎo)致整個(gè)供配電系統(tǒng)斷路，同時(shí)，也為防止在非正常工況下SPD 失火。具體來(lái)說(shuō)，此過(guò)電流保護(hù)裝器具有以下作用。

（1）過(guò)電流保護(hù)器能在配電系統(tǒng)電源出現(xiàn)異常狀態(tài)過(guò)電壓時(shí)快速斷開SPD支路，以保護(hù)SPD防止其熔穿。

（2）過(guò)電流保護(hù)器能在SPD發(fā)生劣化且工頻漏流增大至其內(nèi)部熱脫扣器無(wú)法斷開SPD內(nèi)部電路時(shí)，迅速斷開SPD支路，以防止SPD起火進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。

（3）過(guò)電流保護(hù)器能在系統(tǒng)遭受雷擊并通過(guò)SPD支路泄放雷擊電流時(shí)不發(fā)生誤斷，以保證SPD 處于有效防護(hù)狀態(tài)。

（4）方便維護(hù)，更換SPD 時(shí)只需斷開過(guò)電流保護(hù)裝置即可，無(wú)需整個(gè)電路停電。

規(guī)范上雖然提出SPD 前應(yīng)該裝設(shè)過(guò)電流保護(hù)器，但對(duì)過(guò)電流保護(hù)器的種類、電氣參數(shù)、技術(shù)類別等并未做詳細(xì)、明確的說(shuō)明，這使得在實(shí)際工程中出現(xiàn)了許多雖然安裝了過(guò)電流保護(hù)器，但仍然無(wú)法對(duì)SPD失效或故障提供有效保護(hù)的情況。

2 過(guò)電流保護(hù)器的選擇

以上分析可知，過(guò)電流保護(hù)器應(yīng)具備如下性能。①分?jǐn)郤PD 支路的預(yù)期短路電流；②耐受能力大，可通過(guò)SPD的電涌電流不斷開；③分?jǐn)郤PD內(nèi)部熱脫扣器所不能斷開的工頻電流。通俗的說(shuō)就是，該工作的時(shí)候保證動(dòng)作（分段金屬性短路的短路電流），不該動(dòng)作的時(shí)候不要誤動(dòng)作（雷電流來(lái)的時(shí)候不誤動(dòng)作），該動(dòng)作的時(shí)候保證動(dòng)作（分?jǐn)喾墙饘傩远搪芳邦愃频?、幅值不大的故障電流）?］。

因此，選擇SPD 過(guò)電流保護(hù)器時(shí)主要按以下3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：①發(fā)生涌流時(shí)的耐受能力，過(guò)電流保護(hù)器在正常工況下應(yīng)能承受雷電流的沖擊，且不能發(fā)生誤動(dòng)作；②電壓的保護(hù)水平，在SPD 線路正常泄放涌流時(shí)，過(guò)電流保護(hù)器上的殘壓要盡可能低；③發(fā)生工頻過(guò)電流時(shí)的保護(hù)能力，過(guò)電流保護(hù)器應(yīng)能分?jǐn)囝A(yù)期短路電流和小短路電流，從而保護(hù)SPD 免受短路電流的破壞。

目前，實(shí)際工程中多采用微型斷路器或熔斷器作為過(guò)電流保護(hù)器，下面對(duì)這2種保護(hù)器進(jìn)行分析。

2.1 雷電沖擊電流的耐受能力

斷路器的通斷主要靠?jī)?nèi)部電磁鐵，根據(jù)通過(guò)的電流產(chǎn)生的電磁力，推動(dòng)機(jī)構(gòu)完成脫扣。電磁力與電流對(duì)磁鏈的變化率有關(guān)，雷擊電流屬于短時(shí)間內(nèi)通過(guò)大電流（電涌流從幾千安到幾十千安在約微秒到幾百微秒的時(shí)間內(nèi)通過(guò)SPD 線路），普通微型斷路器電涌耐受能力低，會(huì)發(fā)生雷擊時(shí)脫扣器跳開的情況，此時(shí)SPD 失效，無(wú)法泄流。據(jù)了解，ABB 公司曾送多款微斷到北京測(cè)試中心進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)16 A 的空開經(jīng)過(guò)40 kA 的雷電流沖擊就會(huì)跳開。若選用大容量的塑殼斷路器，則無(wú)法兼顧與工頻電流的配合，且塑殼斷路器體積較大，價(jià)格貴，占用進(jìn)線柜空間。

在要求高分段能力時(shí)，熔斷器比斷路器更為經(jīng)濟(jì)可靠。對(duì)于8/20 μs 沖擊電流波形，熔斷器上通過(guò)電涌電流能量可按式（1）估算

式中，I2t為電涌能量，A2s；Icrest為電涌電流峰值，kA。

只要熔斷器的弧前I2t值大于電涌沖擊電流的I2t值，就符合耐受一次涌流的要求。比如：為耐受一次9 kA，8/20 μs 的雷電沖擊電流，熔斷器內(nèi)熔斷體的最小弧前值需大于I2t=14.01×92=1 134.8 A2s 即可滿足要求，而額定電流為32 A 的圓柱形gG 熔斷體的典型弧前I2t值約為1 300 A2s，可選擇此規(guī)格熔斷器。

2.2 電壓保護(hù)水平

有試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在遭受同等標(biāo)稱放電電流In（即8/20 μs 電流波的峰值［3］）時(shí)，熔斷器的殘壓值明顯小于斷路器，對(duì)比見表1。

2.3 工頻短路電流

過(guò)電流保護(hù)器為斷路器時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)處于非雷擊狀態(tài)但SPD 有損壞且引起短路時(shí)，斷路器的整定值大于1.5 倍的SPD 漏電流值即可，但瞬時(shí)動(dòng)作整定值需按該處短路電流校驗(yàn)。因SPD 的漏電流值很小，而短路電流值通常很大，故此保護(hù)整定值范圍將會(huì)很寬，從數(shù)安培到幾十安培，甚至可能數(shù)百安培，存在很大的保護(hù)盲區(qū)［4］。

過(guò)電流保護(hù)器為熔斷器時(shí)，只要達(dá)到公稱熔化熱能值，熔斷器就會(huì)切斷電路，跟電流的性質(zhì)沒(méi)有關(guān)系，且熔絲熔斷時(shí)間與通過(guò)電流呈反時(shí)限特性，保護(hù)盲區(qū)小。

2.4 SPD的有效電壓保護(hù)水平

《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB50343—2012）中5.4.3-8 條規(guī)定：“電源線路浪涌保護(hù)器在各個(gè)位置安裝時(shí)，浪涌保護(hù)器連接導(dǎo)線應(yīng)短直，其總長(zhǎng)度不宜大于0.5 m。有效保護(hù)水平Up.f應(yīng)小于設(shè)備耐沖擊電壓額定值UW”［3］，如圖3所示。

由圖3可得公式

而斷路器本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)中就有若干匝電感線圈，以保證線路短路時(shí)電磁脫扣器能夠脫扣。但是此電感線圈長(zhǎng)度較長(zhǎng)（有的線圈相當(dāng)于單根長(zhǎng)度約為3 m 左右的直線），這將遠(yuǎn)超于上述規(guī)范中規(guī)定的長(zhǎng)度0.5 m，也加大了SPD 導(dǎo)線上的電壓降。斷路器的電感線圈加大了ΔUL1的值，根據(jù)式（2）、式（3），SPD的有效電壓保護(hù)水平Up.f也相應(yīng)增加，無(wú)法滿足式（4）的要求。而熔斷器并不存在此方面的問(wèn)題。

3 總結(jié)與展望

由上述分析可知，SPD前過(guò)電流保護(hù)器采用普通微型斷路器時(shí)，容易在雷電流泄放時(shí)誤動(dòng)作，誤斷SPD 保護(hù)電路；在沖擊電流下的殘壓較高；存在較大保護(hù)盲區(qū)等缺點(diǎn)。更重要的是，斷路器內(nèi)部電感線圈的存在，加大了SPD 的有效電壓保護(hù)水平，使其不能滿足使用要求，這一缺點(diǎn)也是對(duì)微斷的“一票否決”。熔斷器雖然也存在著電涌沖擊容量小，型號(hào)參數(shù)等不易選擇，不易安裝和維修等缺點(diǎn)，但相對(duì)于微斷來(lái)說(shuō)，還是比較安全的。故該公司內(nèi)部動(dòng)力部門的電氣維修人員提出的將熔斷器改為普通微型斷路器這一做法并不可行。

目前，一些SPD 制造商（如施耐德等公司）研究生產(chǎn)了專門與SPD 協(xié)調(diào)配合的專用后備保護(hù)器SCB（Special Circuit Breaker），它與斷路器類似，集成了斷路器與熔斷器的優(yōu)點(diǎn)，能在一定程度上解決雷電沖擊電流下不誤斷，并能兼顧電涌耐受能力與分?jǐn)郤PD低短路電流，避免SPD 起火，同時(shí)，易于安裝、維修。但是價(jià)格較高，主要應(yīng)用在一些特殊項(xiàng)目中，普通項(xiàng)目還未完全推廣普及。隨著日后技術(shù)發(fā)展越來(lái)越成熟，SCB的價(jià)格會(huì)隨著批量生產(chǎn)，變得與普通微斷器、熔斷器一樣便宜，屆時(shí)，SCB 當(dāng)作為SPD 過(guò)電流保護(hù)器的首選。