電源SPD的幾種失效模式及解決方案

呂曉東

（吉林省遼源市氣象局，吉林遼源，136200）

0 引言

在我國(guó)電源SPD的使用已經(jīng)是一門成熟的技術(shù)，在早期電源SPD主要用來(lái)防止因操作過(guò)電壓對(duì)用電設(shè)備造成的損壞，雷電防護(hù)科學(xué)與技術(shù)這一新領(lǐng)域的發(fā)展凸顯了電源SPD的重要性，因?yàn)樗€承擔(dān)了因直擊雷，感應(yīng)雷引起的雷電過(guò)電壓波侵入用電設(shè)備造成設(shè)備損壞。SPD本身也是一種防護(hù)設(shè)備，在對(duì)用電器保護(hù)的同時(shí)自身也不免會(huì)出現(xiàn)故障，輕者是SPD失去保護(hù)能力，造成設(shè)備損壞，重則引起火災(zāi)甚至危及人的生命安全。本文分析造成這種缺陷的原因，并提出解決這種缺陷的辦法盡量減小不必要的損失。

1 電源SPD各種失效模式及成因

SPD失效類型很多，在此作簡(jiǎn)要?dú)w納總結(jié)，并說(shuō)明其成因，可能同一種現(xiàn)象由不同原因造成，同時(shí)同一種原因也可能造成不同的失效模式。

■1.1 失效模式1

在供電線路中安裝電源避雷器，電源避雷器完好，但是該SPD不能起到應(yīng)有的保護(hù)作用。這是一種常見的SPD失效模式，造成這種現(xiàn)象主要是因?yàn)樵诎惭b避雷器之前沒有認(rèn)真調(diào)查用電設(shè)備的情況和沒有對(duì)避雷器進(jìn)行篩選。SPD的Up(電源避雷器的保護(hù)水平)過(guò)高，當(dāng)避雷器還沒有實(shí)施保戶時(shí)設(shè)備已經(jīng)被擊壞。

■1.2 失效模式2

在供電線路安裝了電源SPD，造成對(duì)地短路故障，開路故障和放電電壓升高等故障現(xiàn)象，可能造成火災(zāi)甚至危及人的生命安全，造成這種現(xiàn)象的原因可以分為三種：

①對(duì)避雷器的選用不正確，比如為了獲得SPD更低的保護(hù)電壓水平，卻忽視了SPD的Uc（電源SPD的最大可持續(xù)運(yùn)行電壓），當(dāng)通過(guò)雷電波時(shí)，避雷器被擊壞。

②線路中的避雷器長(zhǎng)期被操作過(guò)電壓和雷電瞬態(tài)沖擊電壓的環(huán)境中，導(dǎo)致SPD自身?yè)p壞。

③在多級(jí)電源避雷器保護(hù)線路中，開關(guān)型SPD和限壓型SPD以及限壓型SPD與限壓型SPD之間安裝距離不夠又沒有加裝退耦器，造成前級(jí)SPD沒有動(dòng)作，后級(jí)SPD先動(dòng)作，由于通流量過(guò)大損壞后級(jí)SPD，且不能保護(hù)用電設(shè)備。如圖1所示。

圖1

在上述現(xiàn)象中限壓型避雷器多數(shù)表現(xiàn)為短路故障，而開關(guān)型避雷器則表現(xiàn)為開路，短路和放電電壓升高等現(xiàn)象。

■1.3 失效模式3

供電線路中SPD與RCD（漏電器）和熔斷器配置不恰當(dāng)，由于SPD有自身?yè)p壞的情況，為了人身安全不得不將SPD與RCD及熔斷器等器件配合使用。當(dāng)安裝的先后順序不一樣時(shí)，可能無(wú)法及時(shí)切斷電源。在實(shí)際工作中我們經(jīng)常將避雷器安裝在RCD的下游[2]（按功率流動(dòng)方向），如圖2所示。

圖2

這種安裝方式可能會(huì)造成兩種SPD故障，一種是在限制過(guò)電壓時(shí)釋放到保護(hù)線的浪涌電流可能會(huì)被上游的漏電斷路器解釋成漏電流，RCD將企圖切斷有關(guān)電路，造成漏電器誤跳；另一種是電器設(shè)備的所有部分，包括避雷器，都易過(guò)載，可能會(huì)由于突然輸入的高能量引起短路。如果設(shè)備故障，在設(shè)備裸露導(dǎo)電部分上產(chǎn)生的電流不會(huì)被清楚的辨認(rèn)為是漏電流，漏電器不會(huì)切斷電源，這樣可能系統(tǒng)中有雜散電流的發(fā)生，也可能發(fā)生接觸電擊事故。

(4)電源SPD在線路中不能按要求保護(hù)設(shè)備，由于電源SPD可能會(huì)出現(xiàn)上述種種故障，因此人們把SPD與斷路器配合使用，以防止漏電時(shí)能夠及時(shí)的切斷電源，但是又很多場(chǎng)合時(shí)不允許間斷供電的，這樣避雷器并沒有完成應(yīng)該完成的工作。如圖3所示。

圖3

與SPD串聯(lián)的F2，如果F1的額定電流小于F2，此時(shí)F2不起作用，當(dāng)SPD發(fā)生短路故障時(shí)，F(xiàn)1動(dòng)作，切斷電源。另一種就是當(dāng)F1的額定電流大于F2時(shí)，F(xiàn)2動(dòng)作，此時(shí)設(shè)備將失去SPD防護(hù)雷電沖擊過(guò)電壓。

2 針對(duì)電源SPD的各種失效模式及解決辦法

(1)針對(duì)1.1中所述的電源SPD的失效模式要求我們?cè)趯?duì)用電設(shè)備安裝電源SPD保護(hù)器件之前需要仔細(xì)了解電源的供電制式以及用電設(shè)備各種參數(shù)，比如用電設(shè)備的最大持續(xù)運(yùn)行電壓，對(duì)于不同的電源制式對(duì)SPD的參數(shù)要求也不同。如何進(jìn)行SPD的選擇在GB50057-94中也有詳細(xì)規(guī)定，在此不再贅述。

(2)在上文1.2中提出的SPD失效模式中，第一點(diǎn)與前文的解決辦法相同，第二點(diǎn)將在下文中詳細(xì)介紹，這里主要說(shuō)的是電壓開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間的線路長(zhǎng)度不宜小于提出個(gè)人看法，并提出加裝退耦器的原因和好處。

根據(jù)行波理論，波在電纜中的傳播速度為：

開關(guān)型電源SPD的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間t = 100 ns，限壓型避雷器的響應(yīng)時(shí)間t1=25 ns，Δt =75ns，所以：

由于避雷器元件的實(shí)際響應(yīng)時(shí)間有一定的誤差，故應(yīng)該將開關(guān)型避雷器和限壓型避雷器之間的距離至少大于12m，以達(dá)到保護(hù)效果。當(dāng)然在實(shí)際操作中，我們可能無(wú)法達(dá)到該距離，因此可以在兩級(jí)之間加裝退耦器，如圖1所示。

由該式可知Ures是SPD的性能參數(shù)不可改變，但是Ude卻可以通過(guò)加裝退耦器來(lái)增大，以達(dá)到增大SPD1兩端的電壓，使SPD1及時(shí)導(dǎo)通放電。加裝退耦器還可以削弱雷電侵入波的峰值電壓，進(jìn)一步保護(hù)了用電設(shè)備。

(3)電源SPD與RCD及熔斷器的配合使用是實(shí)際中應(yīng)用較多的方式，也是最容易出錯(cuò)的地方，在本文中將作重點(diǎn)介紹。為了解決1.3中所述的問(wèn)題可以將SPD接在RCD的上游，如圖4所示。

圖4

圖4中將SPD安裝在漏電器上游，泄放的浪涌電流不再流經(jīng)RCD，更不會(huì)被解釋成剩余電流，在線路中不會(huì)產(chǎn)生誤跳情況；同時(shí)RCD下游因故障設(shè)備產(chǎn)生的漏流可以被清除的識(shí)別，漏電斷路器可以安全的斷開[2]。

電源SPD與熔斷器、RCD的配合使用在TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)也不盡相同，下面分別予以介紹。

①在TN系統(tǒng)中SPD失效短路故障后，導(dǎo)致相線對(duì)地短路成為接地故障，使PE線和其所接設(shè)備外殼帶故障電壓而引發(fā)電擊事故。應(yīng)該保證電氣裝置防簡(jiǎn)間接接觸電擊的措施繼續(xù)有效，可用于SPD串接的過(guò)流防護(hù)電氣切斷電源，這是應(yīng)為電流Id的通路為金屬通路，Id的幅值大。如圖5所示[1]。

圖5

對(duì)于TN系統(tǒng)中，為了防止接地電弧火災(zāi)而在電源進(jìn)線處裝設(shè)防火RCD，這種安裝方法和TT系統(tǒng)中同，在下文中詳細(xì)介紹。

②在TT系統(tǒng)中SPD失效后的防電擊措施比較復(fù)雜，因?yàn)門T系統(tǒng)有兩個(gè)獨(dú)立接地系統(tǒng)，因故障電流Id需要流經(jīng)Ra和Rb兩個(gè)接地電阻返回電源，不能用過(guò)電流保護(hù)器切斷電源，同時(shí)為了不因SPD的失效引起供電中斷，綜合上面2、4圖，需要將RCD安裝在電源SPD的負(fù)荷側(cè)，此時(shí)需要將SPD按照“3+1”方式接線，這樣它只能造成相線和中性線之間愛你的單項(xiàng)短路，而單項(xiàng)短路為大短路電流的金屬性短路，它可以由與SPD串聯(lián)的過(guò)電流保護(hù)器來(lái)有效切斷，如圖6所示。

TN系統(tǒng)中同此接法相同，只是TN系統(tǒng)中沒有直接接保護(hù)接地。在TT系統(tǒng)中，放電間隙可能因?yàn)橥ㄟ^(guò)大的雷電流幅值造成兩極融化，此時(shí)TT系統(tǒng)變成了TN系統(tǒng)，在沒有更換放電間隙之前都是以TN系統(tǒng)運(yùn)行。TN系統(tǒng)需要滿足防間接接觸電擊要求：

圖6

同時(shí)要求Rb盡量小，以降低間接接觸的接觸電阻。這已經(jīng)屬于電力部門的范疇，在此不詳細(xì)說(shuō)明。

(4)為了能夠使用電源SPD保護(hù)不能間斷供電的系統(tǒng)的要求，對(duì)TN系統(tǒng)和TT在前文都已經(jīng)提出解決辦法，現(xiàn)在還可以對(duì)圖3進(jìn)行修改，希望通過(guò)對(duì)堆 的改建能夠達(dá)到既不中斷供電也要SPD能夠保護(hù)用電設(shè)備，如圖7所示。

圖7

3 結(jié)束語(yǔ)

任何一門技術(shù)在使用過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)不同的不足之處，這些缺陷需要我們通過(guò)實(shí)踐去發(fā)現(xiàn)、總結(jié)并解決。電源避雷器在實(shí)踐中出現(xiàn)的故障模式還有很多，需要更深入的加以探討。在實(shí)踐中不斷的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新，在防雷工程設(shè)計(jì)施工過(guò)程中總會(huì)有這些瑕疵存在，防雷工作是關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全的問(wèn)題，我們不能馬虎，掉以輕心，要不斷深入學(xué)習(xí)才能設(shè)計(jì)出更科學(xué)的工程方案。