SPD应用与选型若干问题的探讨.docx

SPD 应用与选型若干问题的探讨编者按：随着石化企业数量和规模的 不断增加和扩大，大量电子信息 设备和自动控制设备特别是微电 子器件被广泛应用到其中。由于 这些设备和器件普遍存在过电压 和过电流耐受能力差、绝缘强度 较低和对电磁干扰敏感性强等弱 点，石化企业的防雷工作已从防 直击雷、感应雷进入防雷电电磁 脉冲（LEMP ）阶段。尤其对于石 油化工仪表控制系统，在重要回 路和系统电源回路安装电涌保护 器（SPD ）进行分流将是一项有效 的防雷措施。由于现有防雷标准对于 SPD 的应用和选型存在一些模糊和不 一致的规定，致使防雷工程和设 计人员在实际使用 SPD 时出现部 分误区和盲点。诸如 SPD 的保护对 象、全模式保护和 3+1 保护、后备 保护以及如何选择 SPD 更加经济 可靠等问题成为 SPD 厂家和技术 人员热议的话题。本期“面对面” 栏目邀请部分防雷产品专家和石 化工程技术专家就上述问题展开 讨论，发表各自的观点，希望能对 正确应用 SPD 以及相关标准的修 缮有所促进。E A焦点议题 SPD 的保护对象问题 SPD 的全模式保护问题 SPD 的级间配合问题 SPD 的后备保护问题 SPD 选型特约嘉宾（排名不分先后）叶蜚誉蔡振新 郭凤文 夏文光 王树国教授 / 浙江大学电气工程学院教授级高级工程师 / 上海防雷中心 电气顾问副总工程师 / 南京市市政设计研究院 电气总工程师 / 中国矿业大学建筑设计研究院 高级工程师 / 中国石化工程建设公司16 石化电气2008 年第27 卷第 22 期工程师与制造商伙伴们的观点Opinion of Engineers & Factory Partners面对面 Technical Discuss性能使预期瞬态过电压限制在规定的水平”，即不需要外加的过电压保护器件； 后者“电气系统内的条 件要求以特定的过电压衰减措施可使预期瞬态过电 压限制在规定的水平”，即需要外加的过电压保护器 件。在过电压类别中，对于直接由低压电网供电的 设备，只对过电压类别 I 的设备提到“是连接至具有 限制瞬态过电压至相当低水平措施的电路的设备”， 对、类设备没有这个要求。SPD 的保护对 象是电子设备，包括信息电子设备、电力电子设备 和包含电子模块的以电磁机构为基础的设备。在这 个问题上，GB 50343 2004的图5.4.11、图5.4.12和条文就有错误的暗示，似乎所有电气设 备都要用 SPD 保护。E A郭凤文 / 电气顾问副总工程师南京市市政设计研究院要应用好 SPD，首要问题是要搞清楚 SPD 的保护对象。 建 筑物电子信息系统防雷技术规 范第六章中指出 SPD 的保护对 象是“信息系统”，即“建筑物内许多类型的电子装置，包括计算机、通信设备、控 制装置等”，并不包括电气系统。有观点认为，传统的电气设备其可靠性可由配 电系统的过电压保护和低压电气设备的绝缘配合来 保证，而无需外加过电压保护器件。在过电压类别 中，对于直接由低压配电系统供电的设备中，除了 “连接至具有限制瞬态过电压至相当低水平措施的电 路的设备”，即过电压类别为 I 的设备，其他并不与 信息系统相连接的“电源线路”无需安装 SPD 。但 现在的电气系统和电子系统（俗称强电和弱电）错 综复杂，相互交织，如电气系统中广泛应用的选择 型断路器的电子脱扣器及其监控通信模块、网络电 力仪表（多功能表），以及至水泵、风机、电梯和空 调设备主回路的变频器及其控制模件，照明设备的 电子镇流器、遥控和触摸式电子控制开关等，这些 电子设备或器件的损坏，都可能导致电气系统（包 括动力及照明系统）的持久性失效，或可间接造成 人员伤害。因此，说 SPD 的保护对象包含了电气和 电子系统是有道理的，但这样一来 SPD 装设的范围 和数量也就扩大和增加了。E A蔡振新 / 教授级高级工程师上海防雷中心 关于全模式保护的问题， 我认为在电源中意义不大，因 为雷击产生的过电压在 L N 之 间的概率很小，这是因为线与 线在同一电缆中或在平行走线中，过电压主要产生在 L PE 之间。因此在 L N 之间保护意义不大。至于 3+1 电路，我认为只有在 TT 接地模式中少 量采用。不管什么电路都用 3+1 是不对的。3+1 电路 存在很多弊病：首先，3+1 电路在 L N 之间存在漏 电流；其次，使用 3 1 电路时，若主熔丝或熔断器 选择不当，会使 L N 之间短路，电流大致使总熔 断器脱开，不易产生燃烧，而操作过电压则会导致 氧化锌短路，燃烧更为严重；而且 3 1 电路使 L PE 的压敏电压提高 20，降低了保护概率。安装 3 1 电路的客户大多反映，一打雷就会跳 闸，安装之前没有这种现象，这很正常。3 1 电路 本来要求主回路容易跳闸，有些终端用户不允许随 意跳闸，用 3 1 电路就不合适。另外，3 1 电路 的响应时间为 200450 ns ，比单独氧化锌（25 ns ） 的响应时间大大提高。由于以上原因，建议尽量少用 3 1 电路。E A叶蜚誉 / 教授浙江大学电气工程学院SPD 的保护对象是大多数标准所不明确的，似乎所有电 气设备都要用 SPD 保护。实际 上，SPD 是伴随着电子模块和电 子设备的出现，由于传统的过电压保护和绝缘配合不能提供相应保护才应运而生。 这在IEC 60664 1（已转化为国家标准GB/T 16395.1）里有明确指示，即所谓的内在（固有）控制和保 护控制。前者“电气系统内的条件要求该系统的特2008 年 11 月下石化电气17 SPD应用与选型若干问题的探讨焦点议题SPD 的全模式保护问题焦点议题SPD 的保护对象90008000/A 7000电流量最大值 通过 SPD1 的电流6000500040003000 SPD2 的电流 通过2000100000 20 40 60 80 100 120SPD1 和 SPD2 间距离 /m图 1 前级和后级 U 持平时各级通流容量与距离关系p90008000/A 7000电流量最大值600050004000 通过 SPD1 的电流3000 通过 SPD2 的电流2000100000 20 40 60 80 100 120SPD1 和 SPD2 间距离 /m图 2 前级和后级 U 递增时各级通流容量与距离关系p面对面 Technical Discuss介绍，IEC 62305 4 对此已有建议，但只列在附录里而未进入正文，可见这个问题有一定的复杂性。 从设计院角度，我支持这样的一个观点，即由于各 个厂家生产的 SPD 的特性不同，其间的配合应根据 制造厂提供的充分的 SPD 之间配合的相关资料来确 定，因为制造厂才是 SPD 配合最有条件也是最合适 的验证者，这也是 IEC 标准所明确和被世界上多个国 家所认同的。EA王树国 / 高级工程师中国石化工程建设公司目前，SPD 的保护模式大部分是 3 1 保护模式（L PE，N PE），还有一部分是全模式（L L、L N、L PE、N PE）， 全模式最多有 10 模式。3 1 模式的 SPD 不能对电涌电流经过的所有可 能的线路都进行保护，对共模（MC ）过电压可进行 有效防护，即带电导体（相线或中性线）与保护接 地（大地）之间的过电压；对带电导体之间产生的 差模过电压未进行防护，如三根相线之间，三根相 线与中性线之间的过电压，存在保护盲区。IEEE 1100 1999中明确规定：“用于三相四线+ 地电路的电涌保护设备需要对电流经过的所有可能 的线路进行保护，它们包括 L L，L PE，N L， N PE”。 全模式的电涌保护设备对电涌电流经过的 所有可能的线路都进行了保护。全模保护与 3 1 模 式相比，还有三个 L N ，在拦截相线浪涌电流时， 可使浪涌电流分流，减少 L N，N PE 浪涌抑制 元件的发热，有利于对电网与浪涌保护器本身的防 护，不会出现电压保护水平失真和元件响应时间不 匹配的问题。3 1 模式的浪涌保护器有可能使 SPD 的电压保护水平失真，即产品的实际保护水平比产 品说明上的保护水平要差。在实际的石化设计中，根据实际需要，考虑到 性价比，建议在第一级配电中及重要的电子设备的 电源回路及其设备中配备全模保护的 SPD 。E A叶蜚誉 / 教授浙江大学电气工程学院现在国内标准中对于 SPD 级间配合最常见的提法是：“在 一般情况下, 当在线路上多处安 装 SPD 且无准确数据时，电压开 关型 SPD 与限压型 SPD 之间的线路长度不宜小于 10 m ，限压型 SPD 之间的线路长度 不宜小于 5 m ”。 其实，实现级间配合的方法不仅是 拉开上下级 SPD 的距离（或串入解耦器件），即使是 实现级间配合的级间距离也与其他许多因素有关。 通过仿真计算，如图 1图 3 所示，说明前级和后级SPD 之间泄放电流大小的关系与 SPD 电压保护水平U 的级差的关系很大。不管 U 的级差如何，只讲距pp离，不一定能保证级间配合好。郭凤文 / 电气顾问副总工程师南京市市政设计研究院SPD 的级间配合即能量配合，其前提是保证各级 SPD 保护 水平与其保护对象的冲击耐压水平（U ）之间的合理配合，使w各级 SPD 既能保护设备，又能承受要求通过它的雷电流。关于 SPD 级间距离的问题， GB 50343 第6.4.11条针对不同的SPD之间有一个不小 于 10 m 或 5 m 的规定，显然是过于简单了。据资料18 石化电气2008 年第27 卷第 22 期焦点议题SPD 的级间配合问题1000090008000 通过 SPD2 的电流（方案 H L ）/A 7000 通过 SPD1 的电流（方案 H L ）电流量最大值 通过 SPD2 的电流（方案 H L ）60005000通过 SPD1 的电流（方案 H L ）通过 SPD2 的电流（方案 H L）40003000 通过 SPD1 的电流（方案 H L）2000100000 20 40 60 80 100 120SPD1 和 SPD2 间距离 /m图 3 前级和后级 U 递减时各级通流容量与距离关系pUIU起U Up图 4 B C SPD 级简配合面对面 Technical Discuss达到 B 级泄放大电流、C 级泄放小电流的目的。否则全部能量加在 C 级产品上导致 C 级产品炸毁。更 有一些厂商将 B 级产品、C 级产品 外部用导线一连就叫 B C 产品， 这是很不负责的。各级 SPD 在一 起使用时，最好要作盲点测试， 保证各级都能动作，达到各级能 量配合。EA实际上在一个建筑物内能符合级间配合要求的SPD 配置方案不止一个。从工程合理性上讲，希望 第一级 SPD 的通流容量大，这一方面可以使大部分 雷电流在建筑物入口处就泄放掉，不进入建筑物内 部，大大改善建筑物内部的电磁环境；另一方面可 以大大减轻后级 SPD 的通流，比较经济。后级（设 备级）就可能比较多，对其通流容量要求降低比较 夏文光 / 电气总工程师中国矿业大学建筑设计研究院按照 SPD 的分级保护，电源电缆入户时，宜安装三相电压 开关 SPD 作为一级保护，分配电 柜（箱）或楼层配电柜（箱）宜 安装限压型 SPD 作为二级保护，在电子信息设备电源进线端宜安装限压型 SPD 作为 第三级保护，对于使用交流或直流电源的电子信息 设备，宜分别选用适配的交流或直流电源 SPD 作为 末级保护。SPD 的选择级数，应根据建筑物的等级 及建筑物内电子信息系统设备的重要性和造价来确 定。但当上级电涌保护器为开关型 SPD、次级 SPD 采 用限压型 SPD 时，两者之间电缆线相隔距离应大于10 m ，当上级及次级均采用限压型 SPD 时，两者之 间电缆线相隔距离应大于 5 m 。通常 SPD 需要采用三级保护措施，重要时采用 四级保护措施才能达到多级分流、逐级降压的目的， 最终实现 SPD 的限制电压能在电子信息设备耐压的 范围之内。EA经济，而且电流小易于得到低的 U 去实现其主要作p用，即保护电子设备，由前级到后级 U 递增或持平p均易于满足上述方案。级间配合的这种 U 的阶梯法p可能比较保守，但是可以实现，也易于核查，是目前较好的办法。SPD 的制造厂应在其文件中提供充分的关于 SPD 之间配合的资料。因为制造商不一定了解工程 的具体情况，许多制造商并不具备做级间配合试验 或仿真计算的条件，所提供的级间配合方法并不能 保证级间配合的良好。E A蔡振新 / 教授级高级工程师上海防雷中心 对于一个防雷工程不一定要按三四级保护配置。如果被 保护设备抗干扰能力很强，有 时一级就可以。如果需要安装 二级以上保护，要根据 IEC1312由高配到低、相同配量及由低配到高三种方式配置 SPD。为了达到级间配合，按照开关型与限压型距离 应大于 10 m 。限压型与限压型相距大于 5 m ，如果 达不到要求应加去耦线圈。近来国外引进一种叫 B C 的 SPD ，几种检测 产品结果不太理想。B C 的能量配合要进行严格王树国 / 高级工程师中国石化工程建设公司在 SPD 分级设计中，通常第一级选择电压开关型 SPD（以放 电间隙型为主），以泄放大的雷 电流 ； 在第二级采用限压型 SPD ，将残压控制在设备的冲击绝缘水平以下。由于限压型 SPD 的响应时间比电压 开关型 SPD 的响应时间快，为保证第一级保护比第 二级保护先动作，以泄放大的雷电流，理论计算表计算。如图 4 所示，U U U 才能保证两级都能i p 起20 石化电气2008 年第27 卷第 22 期熔断器U断路器1U发电机 resSPDU2图 5 SPD 后备保护图面对面 Technical Discuss明：两级器件之间的电缆距离大于9.75 m（通常取不小于 10 m ）。由于防雷器件的实际响应时间有一定的 误差，故应将前、后级保护器件间的距离考虑得更 长一些。如果前后两级保护均为限压型 SPD ，响应 时间均为 25 ns ，但考虑到其实际响应时间的误差， 则两级保护间的距离为 3.75 m （通常取不小于5 m ）， 计算结果与 GB 50057 1994（2000 年版）相吻合。在工程设计中，解决 SPD 级间配合可采取如下 措施：当 SPD 间有足够的线路距离时，利用线路 自然电感的阻滞作用达到要求；当建筑物的规模小、 SPD 间没有足够的距离时，应加长电源线的长度，如 电缆可以盘绕成圈以减少空间。当 SPD 间没有足 够的距离时，中间加解耦器达到级间配合。E A时，在 20 kA 、8/20 s 波形下，测得 U 1 280 V ，2U为 1 560 V 。但标准中只提及连接导线长度对残res压的影响，没有提及后备保护元件是否会对残压有影响。建议标准中增加关于使用后备保护元件对残 压影响的内容。表 1、表 2 所示为断路器产品和熔断 器产品在不同冲击电流值（I/1.1I）下的不动作规格情况。标准中提到：在标称放电电流 I 下，建议过n电流保护器应不动作。表 1 试验波形为 8/20 s熔断器额定 断路器额定 冲击电流熔断器断路 冲击电流器动作情况 1.1I/kA熔断器断路器动作情况电流/A电流 /AI/kA16gG6 C 型5不动作1.15动作32gG10 C 型10不动作1.110动作40gG10 C 型15不动作1.115动作50gG63gG16 C 型25 C 型2030不动作不动作1.1201.130动作动作100 gG125 gG40 C 型80 C 型4050不动作不动作1.1401.150动作动作160 gG100 C 型60不动作1.160动作160 gG125 C 型70不动作1.170动作蔡振新 / 教授级高级工程师上海防雷中心 200 gG80不动作1.180动作表 2试验波形为 10/350 sSPD 的内部热脱钩与后备保护作用是不同的。内部热脱 钩主要防止氧化锌老化后产生 的漏电流增加，一般 MOV 电流 上升到 40 mA 左右时，温度达到1 200 ，热脱钩就要动作，防止燃烧或爆炸。后备 保护则是为了防止氧化锌短路时产生大电流导致 SPD 燃烧或爆炸。后备保护的选择原则是支路电流 小于主回路电流。因此主回路的容量选定后，SPD 的 通流量基本确立。目前工程中第一级通流量越选越 大，实际上是没有意义的。比如说主回路熔断器选63 A ，SPD通流量选50 kA 、10/350 s波形，这种配 合是不对的，因为 50 kA 、10/350 s 通流量就会将 熔断器冲开。因此设置50 kA 、10/350 s波形的SPD 就没有必要。SPD 与后备保护的选择， 如图 5 所示，当熔断器熔断器额定 断路器额定 冲击电流熔断器断路 冲击电流器动作情况 1.1I/kA熔断器断路器动作情况电流/A电流 /AI/kA125 gGMCCB 15不动作1.115动作250MCCB 25不动作1.125动作315MCCB 35不动作1.135动作有些公司样本上推荐 SPD 的 I为 50100 kA ，imp推荐熔断器的额定电流为 100160 A ，这个数据是不对的。根据试验数据，I为 1015 k A ，熔断器imp就动作了。EA郭凤文 / 电气顾问副总工程师南京市市政设计研究院所谓 SPD 后备保护是指位于 SPD 前端的过电流保护电器， 首先其分断能力应等于或大于 安装处的预期短路电流；再者 当 SPD 在正常标称放电电流（冲击电流）下，过电流保护器不应动作；而当大于标 称放电电流时，保护电器应可靠动作。这中间有一 可靠系数问题，如何确定？另外，后备保护采用断 路器与不同的 SPD 配对后时，其电磁脱扣器电感的或断路器串在 SPD 的支路线上时， 应使UU U（矢res 1 2量和），其中U 值不1容忽视，特别是当后备保护元件为 MCB C 16A 产品作用对 U 的影响有多大？这些都只能由 SPD 制造厂p家的分类配合试验来验证。我认为后备保护的选型及参数仍应按厂家提供的资料来确定。E A22 石化电气2008 年第27 卷第 22 期焦点议题SPD 的后备保护问题面对面 Technical Discuss遥控，遥信等优点。主要缺点是相对价格较高，部分断路器分断能力较小。在实际工程设计中，我认 为在低压配电系统 SPD 后备保护应用时，前级保护 采用断路器，后级保护采用熔断器为宜。E A王树国 / 高级工程师中国石化工程建设公司SPD 本身的安全性和可靠性非常重要。SPD 都应在其劣化时 有热脱扣装置，在升温到 120 时应脱扣从并联线路中断开，保 证不发生火灾、爆炸等事故。在具体的石化设计中，对 SPD 的后备保护应注 意以下几个问题： SPD 应放在主开关之后比较合 适，这样有利于后端的电气设备的保护；有利于 SPD 回路的前期安装和后期维护；可以防止 SPD 出现失 效时的对地短路现象，可以多起一重保护作用。 SPD 的后备保护型式有熔断器、断路器和剩余电流 保护器（RCD）三种。一般熔断器作后备保护是最常 用的方案。 熔断器和断路器统称为过电流保护器，用 来防止 SPD 短路，应当位于 SPD 外部的前端，根据 SPD 产品说明书推荐的过电流保护器的最大额定值 选择（不要大于该值）。作为电气装置一部分的过 电流装置，当 SPD 不能切断工频短路电流时，它可 使 SPD 避免过热和损坏；在 SPD 失效时，其暂时状 态无法确定（开路或短路），若 SPD 的失效模式是开 路，则保证了在 SPD 失效时供电的连续性，然而在 系统后备保护动作前，设计时应注意 SPD 的断开能力，若 SPD 失效模式是短路，则引起后备保护跳闸。当 SPD 和过电流保护设备或 RCD（S）配合时，在 标称放电电流（冲击电流）下，过电流保护设备或 RCD （S）不动作，然而当电流比标称放电电流（冲 击电流）大时，过电流保护设备动作通常情况下是 正常的。在这种情况下，由于过电流保护器的时间 响应特性，即使过电流保护器动作，全