淺談SPD在工業(yè)項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

沈艷

（金隆銅業(yè)有限公司，安徽 銅陵244000）

全球范圍內(nèi)時(shí)不時(shí)會(huì)產(chǎn)生雷暴現(xiàn)象，多達(dá)2000～5000次。這些暴風(fēng)雨伴隨有對(duì)人和設(shè)備構(gòu)成嚴(yán)重危險(xiǎn)的雷擊。雷擊大地的頻率是每秒30～100次。根據(jù)IEC62305-1雷電防護(hù)-第1部分給出了雷擊的特征值，可以看出：50%的雷擊電流峰值大于33kA，5%的雷擊電流峰值大于65kA。由此可見(jiàn)，雷電流的能量還是很高的。

雷電會(huì)損壞工業(yè)生產(chǎn)的電氣和電子系統(tǒng)，例如變壓器、電氣儀表和用電設(shè)備，對(duì)計(jì)算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾，在可編程邏輯控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生故障。對(duì)雷電造成的損壞進(jìn)行修復(fù)的成本很高，甚至運(yùn)營(yíng)的損失可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)被損壞設(shè)備本身的價(jià)值。因此，本文對(duì)浪涌保護(hù)器進(jìn)行分析，并提出了較為完善的浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)方法，從而保障工業(yè)生產(chǎn)的可靠穩(wěn)定。

1 雷電波的特性分析

通過(guò)對(duì)雷電現(xiàn)象的分析，可以定義雷電電流和雷電電壓波形的類型。

1.1 雷電電流波

IEC標(biāo)準(zhǔn)考慮了兩種電流波，分別時(shí)10/350μs波和8/20μs波。10/350μs波描述的時(shí)直接雷擊的電流波特征，8/20μs波描述的是間接雷擊的電流波特征，具體見(jiàn)圖1和圖2。

這兩種電流波用于定義浪涌保護(hù)器和設(shè)備的雷電流耐受能力試驗(yàn)。電流波的峰值表示雷擊的強(qiáng)度。

圖1 10/350μs電流波

圖2 8/20μs電流波

1.2 雷電電壓波

通過(guò)一個(gè)1.2/50μs電壓波來(lái)描述雷擊產(chǎn)生的過(guò)電壓。具體見(jiàn)圖3。這種電壓波用來(lái)檢驗(yàn)設(shè)備能否承受大氣所產(chǎn)生的過(guò)電壓。

圖3 1.2/50μs電壓波

2 雷電防護(hù)

工業(yè)項(xiàng)目的雷電防護(hù)系統(tǒng)必須從兩個(gè)角度加以防護(hù)：保護(hù)建筑物不受直接雷擊的影響和保護(hù)電氣裝置不受直接和間接雷擊的影響。

而保護(hù)電氣裝置不受雷擊影響的基本措施就是阻止干擾能量到達(dá)或侵入敏感設(shè)備，一般來(lái)說(shuō)，有3種措施：

（1）首先就是捕獲雷電流，并使其通過(guò)最直接的路徑流入大地，從而避開(kāi)敏感設(shè)備所在區(qū)域。這種雷電捕獲系統(tǒng)，一般包括：通過(guò)借閃系統(tǒng)捕獲雷電，再通過(guò)引下線將雷電流導(dǎo)入利用工業(yè)廠房的基礎(chǔ)鋼筋連接構(gòu)成網(wǎng)狀接地體，從而導(dǎo)入大地。

（2）其次就是通過(guò)導(dǎo)體聯(lián)結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)裝置的等電位連接。

（3）最后就是通過(guò)安裝SPD最大限度降低雷擊所產(chǎn)生的間接影響。

3 浪涌保護(hù)器（SPD）

3.1 浪涌保護(hù)器（SPD）的原理

SPD用于限制大氣產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)電壓，并將雷電流導(dǎo)入大地，以便將過(guò)電壓的幅值限制到合理的數(shù)值，確保其不會(huì)給電氣裝置以及開(kāi)關(guān)機(jī)控制設(shè)備帶來(lái)危險(xiǎn)。

浪涌保護(hù)器（SPD）是電氣裝置保護(hù)系統(tǒng)的一部分，是最常用，也是最有效的過(guò)電壓保護(hù)方式。該設(shè)備可用于各級(jí)配電網(wǎng)絡(luò)，以可以并聯(lián)連接在其保護(hù)的負(fù)載的電源電路上。并聯(lián)連接的SPD有很大的阻抗。一旦系統(tǒng)中出現(xiàn)瞬態(tài)過(guò)電壓，該設(shè)備的阻抗減小，從而使電泳電流流經(jīng)SPD，避開(kāi)敏感設(shè)備。

3.2 浪涌保護(hù)器（SPD）的分類

浪涌保護(hù)器根據(jù)電流波和電壓波分成3類試驗(yàn)SPD。

3.2.1 I類試驗(yàn)SPD

I類試驗(yàn)SPD的特征可用一個(gè)10/350μs電流波來(lái)描述。可以保護(hù)電氣裝置免受直接雷沖擊，釋放從接地導(dǎo)體返回到網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)體中的雷電流。

3.2.2 II類試驗(yàn)SPD

II類試驗(yàn)SPD的特征可用一個(gè)8/20μs電流波來(lái)描述。是所有低壓電器裝置的著保護(hù)系統(tǒng)，其安裝在每個(gè)配電盤中，可阻止過(guò)電壓在電氣裝置內(nèi)傳播，并保護(hù)負(fù)載。

3.2.3 III類試驗(yàn)SPD

III類試驗(yàn)SPD的特征可用電壓波（1.2/50μs）和電流波（8/20μs）的組合來(lái)描述。這些SPD的放電能量低，因此，必須作為II類試驗(yàn)SPD的附加保護(hù)，并安裝在敏感負(fù)載附近。

3.3 浪涌保護(hù)器（SPD）的參數(shù)選擇

3.3.1 浪涌保護(hù)器（SPD）的通用參數(shù)

最大持續(xù)工作電壓Uc：該值根據(jù)額定電壓和系統(tǒng)的接地方式進(jìn)行選擇。

標(biāo)稱放電電流In：這是SPD能夠最少放電15次8/20μs電流波的最大電流值。一般來(lái)說(shuō)，In越大，表示SPD的使用壽命越長(zhǎng)。

電壓保護(hù)水平Up：這是SPD動(dòng)作時(shí)端子間的最大電壓。當(dāng)流經(jīng)SPD的電流等于標(biāo)稱放電電流In時(shí)，就會(huì)達(dá)到此電壓。如果出現(xiàn)雷擊，SPD端子間的電壓一般低于Up。

3.3.2 I類試驗(yàn)SPD

I類試驗(yàn)SPD需注意2個(gè)參數(shù)，分別時(shí)沖擊電流Iimp和自動(dòng)熄滅續(xù)流Ifi。

沖擊電流Iimp：這是SPD能夠泄放1次10/350μs電流波的最大電流值。

自動(dòng)熄滅續(xù)流Ifi：僅適用于火花間隙型SPD。該值必須始終大于安裝點(diǎn)的預(yù)期短路電流。

3.3.3 II類試驗(yàn)SPD

II類試驗(yàn)SPD需要關(guān)注的是最大放電電流。這是SP都能夠放電一次8/20電流波的最大電流值。

3.4 浪涌保護(hù)器（SPD）的保護(hù)分級(jí)

三種試驗(yàn)SPD可以分級(jí)在多個(gè)SPD之間進(jìn)行能量分配，一般的：

I類試驗(yàn)SPD：當(dāng)建筑物裝有雷電防護(hù)系統(tǒng)時(shí)，I類試驗(yàn)SPD一般安裝在低壓配電裝置的進(jìn)線端，其會(huì)吸收90%左右的能量。

II類試驗(yàn)SPD需要關(guān)注的是最大放電電流Imax。這是SP都能夠放電一次8/20μs電流波的最大電流值。

III類試驗(yàn)SPD：一般情況下根據(jù)需要安裝在終端配電箱，為緊靠負(fù)載的最敏感設(shè)備提供“精細(xì)”保護(hù)。

3.5 浪涌保護(hù)器（SPD）的設(shè)計(jì)原則

對(duì)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010各條文進(jìn)行總結(jié)，浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)原則應(yīng)結(jié)合建筑物的防雷等級(jí)，從SPD的安裝位置和SPD的參數(shù)選擇兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體可見(jiàn)表1 第一類防雷建筑物的SPD選擇表和表2 第二、三類防雷建筑物的SPD選擇表。

3.6 浪涌保護(hù)器（SPD）的安裝

3.6.1 導(dǎo)體連接

為了減少被保護(hù)設(shè)備端子間的電壓保護(hù)水平Up，浪涌保護(hù)器（SPD）與負(fù)載的導(dǎo)體連線應(yīng)盡可能短， 應(yīng)注意浪涌保護(hù)器（SPD）與電網(wǎng)連接至接地端的導(dǎo)體連接總長(zhǎng)度L≤0.5m，并且要避免形成過(guò)大環(huán)路以獲得最佳保護(hù)效果。因此，SPD最好直接安裝在配電箱帶電導(dǎo)體母排和PE線母排之間，使連接線長(zhǎng)度為最小。

同時(shí)，為了避免耦合干擾，安裝時(shí)還需注意以下附加措施：

（1）接至浪涌保護(hù)器（SPD）保護(hù)端口的進(jìn)線應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離被保護(hù)的出線；

（2）接至浪涌保護(hù)器（SPD）保護(hù)端口的進(jìn)線不應(yīng)與接地導(dǎo)體敷設(shè)在一起；

3.6.1 導(dǎo)體材質(zhì)及截面積

浪涌保護(hù)器（SPD）的上引連接線和接地線一般采用多股銅線，連接導(dǎo)體的最小截面積應(yīng)能滿足以下兩個(gè)要求：

（1）在正常工作時(shí)，在最大電壓降的情況下流過(guò)雷電流；

（2）導(dǎo)體必須能夠在保護(hù)電氣最長(zhǎng)切斷時(shí)間內(nèi)承受短路電流。

根據(jù)工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四版），連接浪涌保護(hù)器的每相導(dǎo)體的最小截面總結(jié)見(jiàn)表3 連接浪涌保護(hù)器的導(dǎo)體的最小截面。

3.6.2 工業(yè)廠房浪涌保護(hù)器SPD配置參考表

本文結(jié)合工程實(shí)際，列出了工業(yè)廠房浪涌保護(hù)器SPD配置參考表，具體見(jiàn)表4。

表1 第一類防雷建筑物的SPD選擇表

表2 第二、三類防雷建筑物的SPD選擇表

表3 連接浪涌保護(hù)器的導(dǎo)體的最小截面

表4 工業(yè)廠房浪涌保護(hù)器SPD配置參考表

4 結(jié)語(yǔ)

防雷擊電磁脈沖已越來(lái)越被人們所重視，采用浪涌保護(hù)器（SPD）來(lái)保護(hù)配電系統(tǒng)已成為必然趨勢(shì)。合理的選擇SPD則是工業(yè)項(xiàng)目中一項(xiàng)重要的專題，不僅與建筑物的防雷類別、系統(tǒng)的接地方式、設(shè)備的絕緣耐沖擊電壓水平有關(guān)，而且與工業(yè)廠房的防雷等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽、接地等各項(xiàng)措施密切相關(guān)。本文僅僅從工程實(shí)際出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹了SPD的分類、主要參數(shù)及選擇原則，供廣大電氣設(shè)計(jì)師參考。