电源多级防雷保护时正确选用SPD

1 电源多级防雷保护时正确选用电源多级防雷保护时正确选用 SPDSPD 摘要 摘要 引入页载的短路阻抗及 SPD 的特性阻抗概念 电源多级防雷保 护时正确使用 SPD 问题 可以简化成电路计算问题 为定量的选用 SPD 提供可靠依据 关键词 关键词 短路阻抗 特性阻抗 十年前 笔者曾以 多级防雷 SPD 正确配置的探讨 为题在某专 业刊物上发表了个人的探讨性意见 弹指一挥间 十年过去了 同样 的技术问题仍在困惑着工程技术人员 首先 众所周知的常识是 任何一台用电设备或电源设备 例如 电力变压器 不停电电源 UPS 既是用电设备又是电源设备 纯用电 设备如小型计算机 服务器 交换机 洗衣机 电视机 电冰箱等 均有其特有的 短路阻抗 产品说明书中应该有说明 电源浪涌保护器 俗称防雷器 或避雷器 无论是电压开关型 浪涌保护器 或是限压型浪涌保护器 都属于非线性电子产品 广义 的说 非线性电子产品也有其特定的 特性阻抗 例如某公司生产 的电涌保护器 其技术参数 标称放电电流 8 20 电s KA50In 压保护水平 3 0KV 就可以定义其特性阻抗 n I p U 06 0 KA50 KV3 I U R n p n 又如某公司生产的电涌保护器 产品彩页 作广告用 你不全信 可以索要其产品权威检测机构的检测报告 注意无正规检测报告的产 品不能用 部分抄录如下 2 检检 测测 结结 果果 项 目标称值实 测 值 在抽检样品 L PE N PE 线间 施加放电电流 8 20 s KA0 1 2 0KA 5 0KA 10 0KA 检测样品残压 r U KA10In N PE 样品 1 1 0KA 0 86KV 1 0KA 0 86KV r U r U 2 0KA 1 08KV 2 0KA 1 08KV r U r U 5 0KA 1 16KV 5 0KA 1 12KV r U r U 10 0KA 1 38KV 10 0KA 1 38KV r U r U 样品 2 1 0KA 0 88KV 1 0KA 0 88KV r U r U 2 0KA 1 02KV 2 0KA 1 00KV r U r U 5 0KA 1 16KV 5 0KA 1 16KV r U r U 10 0KA 1 40KV 10 0KA 1 40KV r U r U 样品 1 1 0KA 0 90KV 1 0KA 0 88KV r U r U 2 0KA 1 02KV 2 0KA 1 00KV r U r U 5 0KA 1 16KV 5 0KA 1 14KV r U r U 10 0KA 1 40KV 10 0KA 1 40KV r U r U 合格 在抽检样品 L PE N PE 线间 施加最大放电电流 8 20s 检KA 0 20Imas 测样品通流容量 KA 0 20Imas PEL1 20KA 样品 样品 样品 3 KV78 1 U1 r KV80 1 U2 r KV78 1 Ur PEL2 20KA 样品 样品 样品 3 KV78 1 U1 r KV80 1 U2 r KV80 1 Ur PEL3 20KA 样品 样品 样品 3 KV80 1 U1 r KV80 1 U2 r KV80 1 Ur PEN 20KA 样品 样品 样品 3 KV78 1 U1 r KV80 1 U2 r KV78 1 Ur 样品未 发生闪 烙 工 作正常 通流容 量合格 确定样品保护水 平 U 1 6KV P U实测值 8 20s 时 最大残压KA10In KV40 1 Ur 判定值 8 20s 时 1 5kv KA10In P U 合格 备注 本次使用的仪器 设备均在检定有效期内 计算阻抗值 抽取样品 1 的实测值 1 0KA 0 860KV86 0 r U 2 0KA 0 540KV08 1 r U 3 5 0KA 0 232 KV16 1 r U 10 0KA 0 138 n IKV38 1 r U 20 0KA 0 089KV78 1 r U 取其标称值 10KA 时的残压作为该产品的保护电压值 所以 n I r U p U 有 10KA n I 1 38KV 1 5KV p U 定义其特性阻抗 在获知被保护设备的短路阻抗 138 0 10KA 1 38KV Rn 值及各级电涌保护器的特性阻抗值之后 多级电涌保护器与被保护设 备之间在电路关系上就可用并联等效电路表征之 如下图所示 2 2 Imax 100KAI4I5 0 5 ILoad I2I3 Rn3 0 150 Rn2 0 0875 Rn1 0 06 I1 40KVA UPS 被保护设备 图 1 多级防雷保护等效电路 由上图可见 多级保护 SPD 配置问题 就简化成电路计算问题 级与级之间接线 电缆或退耦元件 的分布电感 或退耦元件的电感 从工程观点考虑 用集中参数 L 代替已足够精确 一般 20 米左右的 电缆 可用 10集中电感代替 若按雷电波波头 8 计算其冲H s 击频率 最高值 约为 30 则 10电感的感抗 Z KHH 2 L 4 为了形象化地分析多级防雷保护时雷电电流分配及正确选用 SPD 问题 现以某公司的 B C 级 SPD 参数计算获得的特性阻抗值代入图 1 被保护设备 40KVA UPS 的短路阻抗 并假设电源进线雷 5 0 电流 此值已高估 机房内一般很少达到 电源电缆阻KA100Imax 抗值用 2代表 如图 1 内标注 第一级 KA50In KA100Imax 3 0KV pn UI 06 0 KA50 KV0 3 R 1n 第二级 KA20In n IKV75 1 UP 0875 0 KA20 KV75 1 Rn2 第三级 KA10In n IKV5 1UP 150 0 KA10 KV5 1 R 3n 经过简单的电路计算 可以获得如下数据 A 7 25 KA0257 0 I A 5 85 KA0855 0 I KA688 2 I KA 2 97I oadL 3 2 1 当然以上计算结果是在工程近似的假设条件下计算得到的 作为 工程参考 已足够精确 如作为纯学术研讨 某些假设尚需修改 例 如分布参数问题 浪涌保护器 SPD 的参数 特性阻抗 雷电波冲击 频率问题 SPD 点火时间先后带来误差等等 5 由以上工程计算得知 即使超强度雷电流浸入电源线 经过三级 配置的 SPD 泄放能量 到达被保护设备的雷电流已近耗尽 25 7 安 这种配置可认为是最佳配置 97 以上的雷电流由最大通流容量的第 一级 SPD 承担 逐级递减 第一级 SPD 主要起到泄流作用 因此要 选用通流容量大的产品 当然其保护电压相应较高 例如 P U 3 0KV 4 0KV 后续第二级 第三级的 SPD 主要起箝压作用 尤其是末级 SPD 必须根据被保护对象的绝缘耐冲击过电压水平来选取 最权威的依据 莫过于国家标准 GB50343 2004 的图 5 4 1 1 耐冲击电压类别及浪涌保 护器安装位置 TN S 详见图 2 SPD 产品的参数是有一定的科学 规律 图2 耐冲击电压类别及浪涌保护器安装位置 TN S 1 总等电位接地端子板 2 楼层等电位接地端子板 3 4 局部等电位接地端子板 退耦器件 等电位接地端子板 图例 空气断路器 隔离开关 熔断器 浪涌保护器 SPD安装位置 耐冲击过电压额定值 耐冲击过电压类别 特殊需要保护的信息设备 1 5KV 2 5KV 信息机房配电柜分配电柜 4KV 6KV 总配电柜 L N PE 4321 N L3 L2 L1 PE 6 的 如通流容量越大 残压 或被保护电压 越高 特性阻抗 r U p U 越小 在多级保护中承担的泄放雷电流百分比也就越高 反之 通 n R 流容量较低 残压也较低 特性阻抗较大 在多级保护中作为 r U n R 第二级或末级 承担的雷电流百分比很小 仅用其箝压功能 这里要插一段题外话 笔者在某一防雷招标书中发现 第一级 SPD 的参数要求为 其保护电压 2 5KV 第二s 20 8 KA80In p U 级 SPD 为 20KA 1KV 这种脱离国家标准的技术要求s 20 8 n I p U 有二种可能 其一 属于无意的技术差错 其二 属于不良供应商弄 虚作假 故意抬高技术要求 以达到围标的目的 多级防雷保护 SPD 选型的总规则是 被保护设备容量 含一群设 备总容量 越大 选配的 SPD 通流容量越大 例如 100KVA UPS 需选用 100KA 4 0KV n Is 20 8 U 40KVA UPS 需选用 40KA 2 5KV n Is 20 8 U 20KVA UPS 需选用 20KA 1 5KV n Is 20 8 U 这样的配置理论依据是 用电设备容量越大 其短路阻抗越小 SPD 的通流容量越大 其特性阻抗也越小 例如 一台 100KVA 的 UPS 此时用户只愿配一级防雷 1 0 k 设备 应尽量说服用户接受多级保护 的概念 有经验的设计人员可能为用 户配 100KA 4 0KV n Is 20 8 U 的 SPD 其特性阻抗 假设 04 0 KSPD 100KA ZKLoad 0 1 ZKSPD 7 电源线浸入雷电流 则 UPS 承受的雷电流是 参见图 3 KA50ISPD 图图 3 3 KA 3 1450 1 004 0 4 0 I oadSPDL 如果设计人员经验不足 为用户选配 20KA n Is 20 8 2 5KV 的 SPD 其 则此时 UPS 将承受的雷电流将 U 125 0 KSPD 是 55 6 KA 8 2750 1125 0 125 0 I oadSPDL 可见这种配置极不合理 被保护设备 UPS 将近承受 56 雷电流 最后需要稍加说明的是 在多级防雷保护中 各级 SPD 的启动 点火 电压如何选择 会不会出现第一级还未启动 第二级或末级 先启动 从而失去三级保护作用 笔者认为 第一 第二级乃至末级 SPD 的启动电压无关紧要 可 以选择一样 如都是 410V 也可以选择不一样 如第一级 410V 次 级 405V 或反之 原因是