董峰偉

(華建集團(tuán)華東都市建筑設(shè)計(jì)研究總院，上海 200070)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，建筑業(yè)的發(fā)展也到了空前的規(guī)模，對建筑中電氣電子系統(tǒng)的安全可靠要求也越來越高，其中浪涌保護(hù)器(SPD)有著至關(guān)重要的作用，如果電氣設(shè)計(jì)中SPD 選用不當(dāng)，則不僅是電氣產(chǎn)品的浪費(fèi)，更嚴(yán)重的會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 因此，SPD 的選用需要引起電氣同行的重視。 本文僅對實(shí)際應(yīng)用中的部分問題及SPD 個(gè)別參數(shù)的選擇進(jìn)行探討分析，對SPD 其他參數(shù)的選擇不做展開。

1 變壓器低壓側(cè)SPD 的I 類試驗(yàn)與II 類試驗(yàn)的選擇

1.1 規(guī)范相關(guān)條文及問題出現(xiàn)的原因

針對變壓器低壓側(cè)SPD 的選擇，其實(shí)GB 50057－2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中已有明確規(guī)定，當(dāng)Yyn0 型或Dyn11 型接線的配電變壓器設(shè)在本建筑物內(nèi)或附設(shè)于外墻時(shí)，……在低壓側(cè)的配電屏上，當(dāng)有線路引出本建筑物至其他有獨(dú)自敷設(shè)接地裝置的配電裝置時(shí)，應(yīng)在母線上裝設(shè)I 類試驗(yàn)的浪涌保護(hù)器，浪涌保護(hù)器每一保護(hù)模式的沖擊電流值，當(dāng)無法確定時(shí)沖擊電流應(yīng)取等于或大于12.5kA；當(dāng)無線路引出本建筑物時(shí)，應(yīng)在母線上裝設(shè)II 類試驗(yàn)的浪涌保護(hù)器，浪涌保護(hù)器每一保護(hù)模式的標(biāo)稱放電電流值應(yīng)等于或大于5kA。 浪涌保護(hù)器的電壓保護(hù)水平值應(yīng)小于或等于2.5kV。 該條文對SPD 及其參數(shù)設(shè)置均做了規(guī)定，然而實(shí)際設(shè)計(jì)中還會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)選擇不當(dāng)，究其原因，筆者認(rèn)為有以下3 點(diǎn)原因。

(1)忽視是否有線路引出本建筑物，特別是忽視接地裝置是否共用。

一般民用建筑電氣設(shè)計(jì)中，最常見的為同一變電所為多個(gè)建筑單體供電的情況，如果各個(gè)建筑單體共用接地裝置(如住宅小區(qū)中各住宅樓合用地下汽車庫，均利用地下室基礎(chǔ)做接地)，變壓器低壓側(cè)應(yīng)選用II 類試驗(yàn)的SPD；反之，當(dāng)各個(gè)建筑單體接地裝置獨(dú)立時(shí)，應(yīng)選用I 類試驗(yàn)的SPD。

另一種情況是室外景觀用電設(shè)備配電線路的引出，大多數(shù)室外景觀用電的接地裝置是獨(dú)立于主體建筑的，該情況下，變壓器低壓側(cè)應(yīng)選用I 類試驗(yàn)的SPD。

(2)受供應(yīng)商產(chǎn)品樣本的影響。

經(jīng)查閱多家供應(yīng)商樣本，大多數(shù)樣本快速選型表中總配電柜處的SPD 均推薦選擇I 類試驗(yàn)。 不少設(shè)計(jì)師直接照搬樣本參數(shù)，而忽視SPD 的選擇條件，導(dǎo)致選擇不當(dāng)以致違反規(guī)范條文。

(3)GB 50343－2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷規(guī)范》中規(guī)定，進(jìn)入建筑物的交流供電線路，在線路的總配電箱等LPZ0A 或LPZ0B 區(qū)與LPZ1 區(qū)交界處，應(yīng)設(shè)置I 類試驗(yàn)的浪涌保護(hù)器或II 類試驗(yàn)的浪涌保護(hù)器作為第一級保護(hù)…，同時(shí)，后續(xù)條文說明，根據(jù)我國有些工程多年來在設(shè)計(jì)中選擇和安裝了II類試驗(yàn)的SPD 也能提供較好保護(hù)的實(shí)際情況，本規(guī)范作出了選擇性的規(guī)定，也可選擇II 類試驗(yàn)的浪涌保護(hù)器作為第一級保護(hù)。 SPD 應(yīng)能承受在總配電箱位置上可能出現(xiàn)的放電電流。 受此影響，部分設(shè)計(jì)師還是沿用以前的做法，在總配電箱處設(shè)置I 類試驗(yàn)的SPD。 圖1 所示為建筑物雷電防護(hù)區(qū)(LPZ)劃分示意圖。

圖1 建筑物雷電防護(hù)區(qū)(LPZ)劃分

1.2 從雷電防護(hù)分區(qū)看變壓器低壓側(cè)SPD 的選擇

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊》相關(guān)資料，I 類試驗(yàn)是用于安裝在高暴露的LPZ0A 區(qū)與LPZ1區(qū)界面處的雷電流型SPD 的試驗(yàn)程序；II 類試驗(yàn)是用于安裝在較少暴露于直接受沖擊的地方(如圖1中LPZ0B 區(qū)與LPZ1 區(qū)及LPZ2 區(qū)與后續(xù)防雷區(qū)界面處)的雷電流型SPD 的試驗(yàn)程序。

根據(jù)上述內(nèi)容，從雷電防護(hù)分區(qū)的角度去看，當(dāng)有線路引出本建筑物至其它有獨(dú)自敷設(shè)接地裝置的配電裝置時(shí)，戶外線路處在LPZ0 A 區(qū)，變電所低壓配電柜內(nèi)應(yīng)設(shè)置I 類試驗(yàn)的SPD；當(dāng)無線路引出本建筑物時(shí)，所有用電設(shè)備及低壓線路最少也是位于LPZ0B 區(qū)，則變電所低壓配電柜內(nèi)應(yīng)選用II 類試驗(yàn)的SPD。

綜上所述，變壓器低壓側(cè)SPD 選擇一定要注意前提條件，仔細(xì)判斷項(xiàng)目的配電方式及接地狀況，需要結(jié)合多個(gè)規(guī)范相關(guān)條文，從嚴(yán)做出選擇。

2 室外/屋頂配電箱SPD 的試驗(yàn)類型的選擇

2.1 規(guī)范相關(guān)條文及問題出現(xiàn)的原因

GB 50057－2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》4.5.4規(guī)定，固定在建筑物上的節(jié)日彩燈、航空障礙燈及其它用電設(shè)備和線路應(yīng)根據(jù)建筑物的防雷類別采取相應(yīng)的防止閃電電涌侵入的措施，并應(yīng)符合下列規(guī)定3 在配電箱內(nèi)應(yīng)在開關(guān)的電源側(cè)裝設(shè)II 類試驗(yàn)的浪涌保護(hù)器，其電壓保護(hù)水平不應(yīng)大于2.5kV，標(biāo)稱放電電流值應(yīng)根據(jù)具體情況確定。

規(guī)范條文對節(jié)日彩燈、航空障礙燈等部分用電設(shè)備的配電線路SPD 的選擇做了明確規(guī)定，同樣，其有2 個(gè)前提條件:1 無金屬外殼或保護(hù)網(wǎng)罩的用電設(shè)備應(yīng)處在接閃器的保護(hù)范圍內(nèi)。 2 從配電箱引出的配電線路應(yīng)穿鋼管。 鋼管的一端應(yīng)與配電箱和PE 線相連；另一端應(yīng)與用電設(shè)備外殼、保護(hù)罩相連，并應(yīng)就近與屋頂防雷裝置相連。

經(jīng)查閱多家供應(yīng)商樣本，大多數(shù)樣本快速選型表中室外配電箱處的SPD 均推薦選擇I 類試驗(yàn)，部分樣本中屋頂配電箱處的SPD 也推薦選擇I 類試驗(yàn)。

2.2 從雷電防護(hù)分區(qū)看室外/屋頂SPD 的選擇

同前述第1 節(jié)，從雷電防護(hù)分區(qū)的角度去看，需要根據(jù)室外/屋頂用電設(shè)備的位置選擇合適的SPD，如用電設(shè)備處在主體建筑接閃器保護(hù)范圍內(nèi)(一般項(xiàng)目中屋頂用電設(shè)備均在接閃器保護(hù)范圍內(nèi))即LPZ0B 區(qū)，其相應(yīng)配電箱內(nèi)應(yīng)設(shè)置II 類試驗(yàn)的SPD。 需要注意的是，從配電箱到配電線路以及用電設(shè)備全程都須在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)。 而室外景觀用電設(shè)備有可能不在主體建筑接閃器保護(hù)范圍內(nèi)即LPZ0A 區(qū)，則應(yīng)選用I 類試驗(yàn)的SPD。 圖2 所示為TN-S 配電形式下的SPD 安裝示意圖。

圖2 TN-S 配電形式下的SPD 安裝示意圖

3 單相配電箱的SPD 的選擇

單相配電箱大多為終端配電箱，一般處于低壓配電箱系統(tǒng)的第三級或第四級，如果需要配置SPD的話，普通單相配電箱及電子信息系統(tǒng)單相配電箱按第三級SPD 設(shè)置。 規(guī)范中對單相SPD 的設(shè)置要求見圖3，其標(biāo)稱放電電流按第三級配置，不低于5kA。

圖3 單相SPD 的接線方式

如果出現(xiàn)室外型單相配電箱，需根據(jù)前述第2節(jié)去確定采用I 類試驗(yàn)或II 類試驗(yàn)的SPD。 受限于單相配電系統(tǒng)本身，其分流能力有限，其SPD 沖擊電流或標(biāo)稱放電電流不能達(dá)到更高的值，因此，配電系統(tǒng)中，不建議設(shè)置室外單相配電箱的極端情況。

4 標(biāo)稱放電電流較大的情況下，SPD 電壓保護(hù)水平(Up)如何匹配

(1)該問題主要出現(xiàn)在對電壓保護(hù)水平要求較高的電子信息系統(tǒng)設(shè)備配電系統(tǒng)中，因放電電流或沖擊電流越大，SPD 的殘壓或續(xù)流也越大，SPD 的電壓保護(hù)水平也就難以得到限制。

以電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級為A 級的建筑為例，電子信息系統(tǒng)配電箱內(nèi)一般設(shè)置第二級SPD，如果建筑電子信息系統(tǒng)防雷等級為A 級，其標(biāo)稱放電電流需要不低于40kA，其電壓保護(hù)水平需不大于1.5kV。 如果這一級SPD 未能限制電壓保護(hù)水平，則需要在下一級配電箱處增設(shè)第三級SPD 來進(jìn)一步降低電壓保護(hù)水平。

還有一種情況，電子信息系統(tǒng)配電箱中有空調(diào)室外機(jī)出線回路，此時(shí)，該配電箱至少需要設(shè)置標(biāo)稱放電電流需要不低于60kA 的第一級SPD，其Up很難限制在1.5kV 以下，同樣需要設(shè)置第二級甚至第三級SPD 來降低電壓保護(hù)水平。

其他情況，上海地區(qū)對電梯機(jī)房配電箱的SPD的Up 要求也是不大于1.5kV，而電梯機(jī)房配電箱往往帶空調(diào)回路，此時(shí)箱內(nèi)SPD 需要按第一級設(shè)置，其Up 很難限制在1.5kV 以下，這時(shí)，同樣需要在下一級電梯控制箱內(nèi)設(shè)置第二級SPD，使Up 滿足要求。

(2)規(guī)范相關(guān)條文

GB 50057－2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》6.4.6規(guī)定，為取得較小的電涌保護(hù)器有效電壓保護(hù)水平，應(yīng)選用有較小電壓保護(hù)水平值的電涌保護(hù)器，并應(yīng)采用合理的接線，同時(shí)應(yīng)縮短連接電涌保護(hù)器的導(dǎo)體長度。 GB 50343－2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷規(guī)范》條文說明，如果這一級SPD 未能將電壓保護(hù)水平限制在2.5kV 以下，則需在下級配電箱處設(shè)置第二級SPD 來進(jìn)一步降低沖擊電壓。 此級SPD 應(yīng)為通過8/20 波形的標(biāo)稱放電電流In(II 類)試驗(yàn)的SPD，并能將電壓保護(hù)水平限制在2kV。

從上述條文看，采取增加SPD 級數(shù)、合理選擇產(chǎn)品、合理接線等方式可以降低電壓保護(hù)水平。

(3)結(jié)論

綜上所述，出現(xiàn)上述問題的原因是:電子信息系統(tǒng)的配電與空調(diào)配電混用，配電系統(tǒng)不夠合理，致使該級配電箱內(nèi)SPD 的放電電流選擇過大以致Up 難以有效限制，解決辦法是設(shè)置下級配電箱給電子信息系統(tǒng)設(shè)備專用，在下級配電箱中設(shè)置第二級或第三級SPD。

需要注意的是，當(dāng)電壓開關(guān)型SPD 與限壓型SPD 之間線路長度小于10m， 限壓型SPD 之間線路長度小于5m 時(shí)，兩級SPD 之間應(yīng)加裝退耦裝置。

5 SPD 后備保護(hù)器的選擇

SPD 的后備保護(hù)一直是業(yè)內(nèi)討論的焦點(diǎn)，SPD的老化或者失效，會(huì)導(dǎo)致其呈開路或短路狀態(tài)，可能引發(fā)系統(tǒng)短路或接地故障。 因此，需要在SPD 之前裝設(shè)過電流保護(hù)器或?qū)Ｓ妹撾x裝置。

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊》相關(guān)資料，過電流保護(hù)器既要滿足工頻短路時(shí)與主電路過電流保護(hù)裝置的級間配合要求及分?jǐn)嗄芰σ?，又不?yīng)在規(guī)定的雷電沖擊放電電流下斷開，應(yīng)參照SPD制造商的建議配置。 過電流保護(hù)器宜采用熔斷器，不宜采用低壓斷路器。 這時(shí)因?yàn)閿嗦菲魅菀渍`動(dòng)作，而且電磁脫扣線圈上的電壓降將顯著增大SPD的有效保護(hù)水平；此外，要求高分?jǐn)嗄芰r(shí)，熔斷器比斷路器更為經(jīng)濟(jì)可靠。 目前，熔斷器跟斷路器還是廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)計(jì)。

近年來，大多供應(yīng)商推出了專用后備保護(hù)器SCB，其可以有效實(shí)現(xiàn)SPD 的老化及短路失效保護(hù)，其中，針對SPD 的老化失效保護(hù)，SPD 經(jīng)多次電涌沖擊后，內(nèi)部元件逐漸老化，到一定程度時(shí)，內(nèi)部熱脫扣裝置熔斷，SPD 支路從線路斷開，從而保護(hù)SPD；針對SPD 的短路失效保護(hù):高能量電涌沖擊或線路故障時(shí)，SPD 會(huì)發(fā)生短路，內(nèi)部熱脫扣裝置來不及熔斷，SPD 會(huì)因過熱而導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸，加裝后備保護(hù)裝置后，短路電流被及時(shí)切斷，線路得到保護(hù)。

對此，全國規(guī)范未有相關(guān)條文，而上海地方規(guī)范《民用建筑電氣防火設(shè)計(jì)規(guī)程》中作了明確規(guī)定，應(yīng)選用當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)的工頻續(xù)流或工頻漏電流大于5A 時(shí)能迅速脫扣的專用外部SPD 脫扣器。

綜上所述，SPD 的后備保護(hù)建議參照供應(yīng)商提供的參數(shù)選擇，以達(dá)到可靠的保護(hù)效果。

6 SPD 連接導(dǎo)線截面的選擇

SPD 連接導(dǎo)線截面因沿用老規(guī)范，實(shí)際設(shè)計(jì)中選擇偏大，雖然不違反規(guī)范條文，卻造成了一定的浪費(fèi)。 如當(dāng)?shù)責(zé)o特殊規(guī)定，建議按表1 選擇導(dǎo)線截面。

浪涌保護(hù)器連接導(dǎo)線最小截面積 表1

7 結(jié)束語

綜上所述，出現(xiàn)上述問題的主要原因有對規(guī)范條文不夠熟悉、盲目照搬樣本參數(shù)、對SPD 的參數(shù)及原理了解不夠、配電系統(tǒng)設(shè)置不合理等方面。 因SPD 的選用及安裝比較復(fù)雜，而規(guī)范中多處提及由制造商提供技術(shù)參數(shù)，因此在滿足規(guī)范的前提下，建議優(yōu)先根據(jù)供應(yīng)商的推薦參數(shù)設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)有效的保護(hù)。 本文為工程實(shí)踐中的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，不足之處望各位專家及同行批評指正。