SPD的過電流保護分析

高連月 孫曉嬌 王建軍3

（1.中鋼集團安徽劉塘坊礦業有限公司；2.中鋼集團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家重點實驗室；4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司）

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

中鋼集團安徽劉塘坊礦業有限公司選礦廠、提升機房等各配電房的低壓進線柜中就裝有SPD 模塊及其過電流保護器，如圖1所示。

該公司SPD 前端的過電流保護器多采用熔斷器，在進行雷電防護裝置年度檢測時，需要對SPD 模塊進行壓敏電壓和泄露電流的測試，此時需斷開過電流保護器后，將SPD 模塊卸下來，當過電流保護器采用熔斷器時，斷電就需要帶電操作，且熔管也不易插拔。為此，動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。

1 SPD過電流保護的作用

現行的國家標準與行業標準中都提出在安裝SPD 的引接線上要串聯過電流保護裝置，如《建筑物防雷裝置檢測技術規范》（GB/T21431—2015）中5.2.8.6 條就有如下規定：“安裝在電路上的SPD，其前端宜有后備保護裝置。后備保護裝置如使用熔斷器，其值應與主電路上的熔斷器電流值相配合，宜根據SPD 制造商推薦的過電流保護器的最大額定值選擇，或應符合設計要求。”［2］SPD 過電流保護器在配電系統（以TN-S系統為例）中的安裝位置如圖2所示。

SPD前端安裝過電流保護器，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越級脫扣而導致整個供配電系統斷路，同時，也為防止在非正常工況下SPD 失火。具體來說，此過電流保護裝器具有以下作用。

（1）過電流保護器能在配電系統電源出現異常狀態過電壓時快速斷開SPD支路，以保護SPD防止其熔穿。

（2）過電流保護器能在SPD發生劣化且工頻漏流增大至其內部熱脫扣器無法斷開SPD內部電路時，迅速斷開SPD支路，以防止SPD起火進而引發火災。

（3）過電流保護器能在系統遭受雷擊并通過SPD支路泄放雷擊電流時不發生誤斷，以保證SPD 處于有效防護狀態。

（4）方便維護，更換SPD 時只需斷開過電流保護裝置即可，無需整個電路停電。

規范上雖然提出SPD 前應該裝設過電流保護器，但對過電流保護器的種類、電氣參數、技術類別等并未做詳細、明確的說明，這使得在實際工程中出現了許多雖然安裝了過電流保護器，但仍然無法對SPD失效或故障提供有效保護的情況。

2 過電流保護器的選擇

以上分析可知，過電流保護器應具備如下性能。①分斷SPD 支路的預期短路電流；②耐受能力大，可通過SPD的電涌電流不斷開；③分斷SPD內部熱脫扣器所不能斷開的工頻電流。通俗的說就是，該工作的時候保證動作（分段金屬性短路的短路電流），不該動作的時候不要誤動作（雷電流來的時候不誤動作），該動作的時候保證動作（分斷非金屬性短路及類似的、幅值不大的故障電流）［2］。

因此，選擇SPD 過電流保護器時主要按以下3 個標準：①發生涌流時的耐受能力，過電流保護器在正常工況下應能承受雷電流的沖擊，且不能發生誤動作；②電壓的保護水平，在SPD 線路正常泄放涌流時，過電流保護器上的殘壓要盡可能低；③發生工頻過電流時的保護能力，過電流保護器應能分斷預期短路電流和小短路電流，從而保護SPD 免受短路電流的破壞。

目前，實際工程中多采用微型斷路器或熔斷器作為過電流保護器，下面對這2種保護器進行分析。

2.1 雷電沖擊電流的耐受能力

斷路器的通斷主要靠內部電磁鐵，根據通過的電流產生的電磁力，推動機構完成脫扣。電磁力與電流對磁鏈的變化率有關，雷擊電流屬于短時間內通過大電流（電涌流從幾千安到幾十千安在約微秒到幾百微秒的時間內通過SPD 線路），普通微型斷路器電涌耐受能力低，會發生雷擊時脫扣器跳開的情況，此時SPD 失效，無法泄流。據了解，ABB 公司曾送多款微斷到北京測試中心進行測試，發現16 A 的空開經過40 kA 的雷電流沖擊就會跳開。若選用大容量的塑殼斷路器，則無法兼顧與工頻電流的配合，且塑殼斷路器體積較大，價格貴，占用進線柜空間。

在要求高分段能力時，熔斷器比斷路器更為經濟可靠。對于8/20 μs 沖擊電流波形，熔斷器上通過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，可選擇此規格熔斷器。

2.2 電壓保護水平

有試驗數據表明，在遭受同等標稱放電電流In（即8/20 μs 電流波的峰值［3］）時，熔斷器的殘壓值明顯小于斷路器，對比見表1。

2.3 工頻短路電流

過電流保護器為斷路器時，當系統處于非雷擊狀態但SPD 有損壞且引起短路時，斷路器的整定值大于1.5 倍的SPD 漏電流值即可，但瞬時動作整定值需按該處短路電流校驗。因SPD 的漏電流值很小，而短路電流值通常很大，故此保護整定值范圍將會很寬，從數安培到幾十安培，甚至可能數百安培，存在很大的保護盲區［4］。

過電流保護器為熔斷器時，只要達到公稱熔化熱能值，熔斷器就會切斷電路，跟電流的性質沒有關系，且熔絲熔斷時間與通過電流呈反時限特性，保護盲區小。

2.4 SPD的有效電壓保護水平

《建筑物電子信息系統防雷技術規范》（GB50343—2012）中5.4.3-8 條規定：“電源線路浪涌保護器在各個位置安裝時，浪涌保護器連接導線應短直，其總長度不宜大于0.5 m。有效保護水平Up.f應小于設備耐沖擊電壓額定值UW”［3］，如圖3所示。

由圖3可得公式

而斷路器本身內部結構中就有若干匝電感線圈，以保證線路短路時電磁脫扣器能夠脫扣。但是此電感線圈長度較長（有的線圈相當于單根長度約為3 m 左右的直線），這將遠超于上述規范中規定的長度0.5 m，也加大了SPD 導線上的電壓降。斷路器的電感線圈加大了ΔUL1的值，根據式（2）、式（3），SPD的有效電壓保護水平Up.f也相應增加，無法滿足式（4）的要求。而熔斷器并不存在此方面的問題。

3 總結與展望

由上述分析可知，SPD前過電流保護器采用普通微型斷路器時，容易在雷電流泄放時誤動作，誤斷SPD 保護電路；在沖擊電流下的殘壓較高；存在較大保護盲區等缺點。更重要的是，斷路器內部電感線圈的存在，加大了SPD 的有效電壓保護水平，使其不能滿足使用要求，這一缺點也是對微斷的“一票否決”。熔斷器雖然也存在著電涌沖擊容量小，型號參數等不易選擇，不易安裝和維修等缺點，但相對于微斷來說，還是比較安全的。故該公司內部動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）研究生產了專門與SPD 協調配合的專用后備保護器SCB（Special Circuit Breaker），它與斷路器類似，集成了斷路器與熔斷器的優點，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斷SPD低短路電流，避免SPD 起火，同時，易于安裝、維修。但是價格較高，主要應用在一些特殊項目中，普通項目還未完全推廣普及。隨著日后技術發展越來越成熟，SCB的價格會隨著批量生產，變得與普通微斷器、熔斷器一樣便宜，屆時，SCB 當作為SPD 過電流保護器的首選。