低壓供電線路浪涌保護(hù)器的選擇和安裝

孟德發(fā)

（浙江滬杭甬高速公路紹興管理處，浙江 紹興 312071）

低壓供電線路的浪涌是指低壓電源線路中瞬間出現(xiàn)超出正常值許多倍的過電壓和過電流。產(chǎn)生浪涌的原因有:電網(wǎng)遭受直接雷擊或感應(yīng)雷擊時(shí)，線路上出現(xiàn)了高于正常值幾千至上萬倍的浪涌電壓，此電壓沿金屬導(dǎo)線入侵配電系統(tǒng)；大功率用電設(shè)備在啟停、轉(zhuǎn)換和變頻過程中產(chǎn)生的浪涌電壓。線路浪涌會(huì)給用電設(shè)備帶來非常大的危害，尤其會(huì)給過載能力差的微電子設(shè)備帶來致命的損壞，因此在現(xiàn)代防雷系統(tǒng)中，對一些重要的電子設(shè)備必須安裝浪涌保護(hù)器。

1 浪涌保護(hù)器的基本特性

浪涌保護(hù)器也稱電涌保護(hù)器，英文縮寫為SPD，是預(yù)防線路浪涌的保護(hù)裝置。正常情況下浪涌保護(hù)器對地呈現(xiàn)高阻態(tài)，當(dāng)線路突然出現(xiàn)浪涌電壓時(shí)，保護(hù)器能以納秒級的響應(yīng)速度變?yōu)榈妥钁B(tài)，瞬間向大地導(dǎo)通分流，保護(hù)用電設(shè)備免遭浪涌的沖擊而損壞，浪涌過后保護(hù)器又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到高電阻狀態(tài)。

低壓供電線路浪涌保護(hù)器按工作原理可分為開關(guān)型、限壓型和組合型。開關(guān)型為間隙放電器件，具有雷電能量泄放大的優(yōu)點(diǎn)；限壓型也稱為鉗壓型，為氧化鋅壓敏電阻器件，其電流／電壓特性為強(qiáng)烈非線性，具有過電壓抑制能力好的特點(diǎn)；組合型是由開關(guān)型元件和限壓型元件組合而成，有開關(guān)型和限壓型的基本特征和優(yōu)點(diǎn)。

2 供電線路浪涌保護(hù)器的參數(shù)選擇

安裝在供電線路某點(diǎn)上的浪涌保護(hù)器，需要滿足三個(gè)基本條件:一是浪涌保護(hù)器的有效保護(hù)水平Up／f必須小于該點(diǎn)被保護(hù)設(shè)備的耐沖擊電壓Uw；二是浪涌保護(hù)器的最大放電電流必須大于該點(diǎn)線路可能出現(xiàn)的最大浪涌電流；三是浪涌保護(hù)器持續(xù)運(yùn)行電壓Uc必須大于該點(diǎn)線路對地電壓。

（1）浪涌保護(hù)器有效保護(hù)水平Up／f選擇

按照國家頒布的防雷設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，低壓配電系統(tǒng)中各類設(shè)備耐沖擊電壓Uw值分為四個(gè)等級，電源進(jìn)線端設(shè)備的Uw為6kV，配電分支線路設(shè)備的Uw為4kV，普通用電設(shè)備的Uw為2.5kV，電子信息設(shè)備的Uw為1.5kV。根據(jù)這一要求，安裝在電子設(shè)備附近的浪涌保護(hù)器有效保護(hù)水平Up／f值必須小于1.5kV，且Up／f越小，保護(hù)性就越好。

有效保護(hù)水平Up／f值是由浪涌保護(hù)器的電壓保護(hù)水平Up與浪涌保護(hù)器連接導(dǎo)線上的感應(yīng)電壓降ΔU相加而成，即Up／f＝Up＋ΔU。

Up是浪涌保護(hù)器抑制浪涌能力的一個(gè)重要參數(shù)，其值是浪涌電流通過浪涌保護(hù)器后的剩余電壓值。從上式看出，要想得到較小的Up／f，一是要選擇較小的浪涌保護(hù)器電壓保護(hù)水平Up，但選用較小的Up值會(huì)使浪涌保護(hù)器的最大放電電流Imax也跟著減小，這不利于泄放較大的浪涌電流；二是將浪涌保護(hù)器兩端的連接導(dǎo)線做得足夠短，并盡量安裝在靠近被保護(hù)設(shè)備附近，使ΔU值大幅減小直至忽略不計(jì)。

（2）浪涌保護(hù)器的多級保護(hù)模式

為使浪涌保護(hù)器既有足夠大的放電電流，又能得到較小的Up／f值，浪涌保護(hù)器必須采用多級保護(hù)，級數(shù)多少與被保護(hù)設(shè)備的耐沖擊電壓值、浪涌電流大小、連接線長度等因素有關(guān)，通常采用三級或四級保護(hù)。

第一級保護(hù)主要是泄流，選擇能承受高電壓和大電流的浪涌保護(hù)器，使大部分浪涌電流通過該級流入大地；第二級保護(hù)是限壓，通過第二級分流，使Up值進(jìn)一步降低；第三級保護(hù)是鉗位，如果這是最后一級保護(hù)，要求分流后的有效保護(hù)水平Up／f值必須小于被保護(hù)設(shè)備耐沖擊電壓Uw值。如果上述三級保護(hù)無法做到Up／f≤Uw，或者末級浪涌保護(hù)器的安裝位置與被保護(hù)設(shè)備的距離較長，這時(shí)需增加第四級保護(hù)。

（3）浪涌保護(hù)器的最大放電電流Imax選擇

a.第一級Imax選擇:根據(jù)地理位置、當(dāng)?shù)乩妆┤仗鞌?shù)、被保護(hù)的設(shè)備類型、電源進(jìn)線敷設(shè)形式等估算出可能出現(xiàn)的浪涌電流大小，從而選擇浪涌保護(hù)器的Imax值。

如果所處位置為山區(qū)，雷電出現(xiàn)的概率較大，電源為架空線入戶，Imax應(yīng)在100kA或以上選擇；如果是效區(qū)，架空線入戶，Imax可在60kA～100kA之間選擇；如果在市區(qū)內(nèi)，且電源為電纜埋地入戶，Imax可在40kA～80kA之間選擇。

以郊區(qū)、架空線入戶為例，第一級Imax可選擇80kA，要求該級安裝在低壓側(cè)總進(jìn)線柜的母線上。

b.第二級Imax選擇:根據(jù)第一級所選的Imax值進(jìn)行配置，一般可在40～60kA之間選擇，要求該級安裝在分路開關(guān)柜母線上（如層樓或車間電源進(jìn)線柜上）。

c.第三級Imax選擇:該級如果是最后一級保護(hù)，為確保電子設(shè)備不因浪涌沖擊而損壞，Imax值應(yīng)在10～20kA之間選擇，這時(shí)的Up／f值必須小于1.5kV，該級需安裝在盡可能靠近被保護(hù)設(shè)備的電源接線端上。

d.如果采用的是四級保護(hù)，則第四級的Imax值可在5～20kA之間選擇。

（4）浪涌保護(hù)器最大持續(xù)運(yùn)行電壓Uc選擇

最大持續(xù)運(yùn)行電壓Uc是指可持續(xù)加在浪涌保護(hù)器兩端而不會(huì)引起保護(hù)器特性變化和激活保護(hù)元件的最大電壓有效值。我國低壓用電設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)電壓為380V／220V，總進(jìn)線柜上的相電壓一般有230V，考慮到電網(wǎng)在谷峰時(shí)段會(huì)有5%的電壓波動(dòng)，大功率整流器、變頻器、開關(guān)電源、可控硅調(diào)壓器等非線性負(fù)載工作時(shí)產(chǎn)生的諧波對線路電壓幅值升高的影響，安裝在相線與大地之間的浪涌保護(hù)器Uc值應(yīng)在340V～400V之間選擇。

（5）根據(jù)供電制式選擇浪涌保護(hù)器的保護(hù)極數(shù)

為確保各類設(shè)備免受浪涌沖擊而損壞，供電線路必須采用全保護(hù)模式，即在每條供電線路與地之間（含零線）都需安裝浪涌保護(hù)器，實(shí)行全方位保護(hù)。

3 供電線路浪涌保護(hù)器的安裝要求

（1）浪涌保護(hù)器兩端連接線要求

浪涌保護(hù)器兩端的連接導(dǎo)線應(yīng)盡可能短，控制在0.5m以內(nèi)，即L1＋L2≤0.5m（如圖1）。這是由于當(dāng)保護(hù)器上流過數(shù)千至上萬安培浪涌電流時(shí)，連接線L1和L2上的電阻和電感效應(yīng)產(chǎn)生的壓降ΔU1、ΔU2不能忽略，這時(shí)浪涌保護(hù)器的有效保護(hù)水平為Up／f＝Up＋ΔU1＋ΔU2。如果連接線較長，Up／f值會(huì)提高很多，這就增加了設(shè)備損壞的危險(xiǎn)。

圖1 浪涌保護(hù)器的安裝要求

（2）前后兩級浪涌保護(hù)器安裝距離要求

由于后級浪涌保護(hù)器所選的參數(shù)比前級要小很多，如果前后兩級安裝距離太近，參數(shù)小的后級會(huì)提前動(dòng)作，從而承受了本應(yīng)由前級承擔(dān)的高能量浪涌電流，為此如果前后兩級均是限壓型浪涌保護(hù)器時(shí)，要求兩級之間的安裝距離L≥5m；前后兩級一個(gè)為開關(guān)型、另一個(gè)是限壓型時(shí)，需滿足L≥10m，通過線路電阻和電感效應(yīng)的作用，阻止后級保護(hù)器提前動(dòng)作。

（3）末級浪涌保護(hù)器安裝位置要求

為更好地預(yù)防線路浪涌，要求末級浪涌保護(hù)器的安裝位置盡可能靠近被保護(hù)的設(shè)備。如果末級安裝位置與被保護(hù)設(shè)備之間的距離大于10m時(shí)，應(yīng)選擇更小的Up／f值；如果大于30m時(shí)，應(yīng)在靠近設(shè)備側(cè)增裝一只浪涌保護(hù)器，以防止這段線路產(chǎn)生的感應(yīng)電壓ΔU和上一級殘余電壓Up疊加后損壞設(shè)備。

（4）短路保護(hù)開關(guān)的安裝

當(dāng)流過的浪涌電流超過浪涌保護(hù)器的最大放電電流時(shí)，保護(hù)器就會(huì)過載而損壞，出現(xiàn)永久的開路或短路。如果是短路，短路電流會(huì)使短路點(diǎn)前的分路開關(guān)跳閘而引起大范圍停電。為防止出現(xiàn)這一現(xiàn)象，需在每個(gè)浪涌保護(hù)器前端安裝短路保護(hù)開關(guān)（見圖1）。

a.為確保浪涌保護(hù)器出現(xiàn)短路時(shí)只跳短路保護(hù)開關(guān)、不跳電源分路開關(guān)，要求短路保護(hù)開關(guān)的動(dòng)作電流必須小于短路點(diǎn)前的電源分路開關(guān)動(dòng)作電流。

b.浪涌電流雖然很大，但時(shí)間極短，能量積累不多，只要浪涌保護(hù)器未損壞，該電流就不會(huì)引起短路保護(hù)開關(guān)跳閘，因此可選用DZ47－63小型斷路器作為短路保護(hù)開關(guān)。

（5）浪涌保護(hù)器連接導(dǎo)線截面要求

按照GB50343－2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》表6.5.1規(guī)定，浪涌保護(hù)器連接導(dǎo)線最小截面積必須滿足:

第一級 與相線連接線:≥6mm2銅芯線；與地連接線:≥10mm2銅芯線；

第二級 與相線連接線:≥4mm2銅芯線；與地連接線:≥6mm2銅芯線；

第三級 與相線連接線:≥2.5mm2銅芯線；與地連接線:≥4mm2銅芯線。

4 結(jié)束語

供電線路浪涌保護(hù)的選擇和安裝牽涉到多個(gè)方面，需要根據(jù)所處的地理位置、雷電活動(dòng)情況、電源線路敷設(shè)方式、系統(tǒng)對電磁脈沖屏蔽程度、被保護(hù)設(shè)備耐沖擊電壓值、設(shè)備重要程度等，合理選定浪涌保護(hù)器的保護(hù)級數(shù)、安裝位置、每級最大放電電流、有效保護(hù)水平、最大持續(xù)運(yùn)行電壓和響應(yīng)速度等，并使浪涌保護(hù)器的連接導(dǎo)線盡可能的短，才能保護(hù)各類用電設(shè)備免遭供電線路浪涌的沖擊而損壞。

［1］中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)主編.GB 50057－2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京:中國計(jì)劃出版社，2010.

［2］四川省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳主編.GB 50343－2012建筑物電子信息系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.