SPD选型参考资料

SPD选型参考资料 综 述: 现代建设工程中的机电工程包含着众多复杂的电气电子子系统，如供配电、监控、通信、工业自动化、计算机网络等，以 CMOS 集成组件组成这些系统的电子设备普遍存在着对瞬态和暂态过电压、过电流耐受能力较弱的缺点。瞬态和暂态过电压不仅会造成电子设备误操作乃至损坏，也会造成更大的经济损失和社会影响。实践证明，雷电波侵入、雷击感应过电压和操作过电压（均以瞬态或暂态过电压的形式存在）是危害机电工程电气电子系统的罪魁祸首，而这些过电压的最终破坏途径，绝大多数是从电源线路和各类信号线路引入的。因此，瞬态和暂态过电压的防护除等电位连接外，宜从电源线路和各类信号线路着手进行，合理配置电源 SPD和信号 SPD。 目前，SPD 生产厂家如雨后春笋般遍地开花，可供选择的产品也越来越多，但并非所有合格的产品都适合建设工程使用。只有针对不同建设工程特点、不同电气电子系统特性要求，才能选择出最合适的 SPD。2 选型设计原则 我们知道，任何建设项目的防雷是一项复杂的系统工程，不可能依靠一、二种先进的防雷设备和防雷措施就能完全消除雷击过电压和感应过电压的影响，必须针对雷害侵入途径，对各类可能产生雷击的因素进行排除，采用综合防治的现代防雷技术手段，才能将雷害减少到最低限度。 （1）整体原则。将整个建设项目机电系统作为一个整体保护对象来考虑防雷保护。既要考虑各个子系统的防雷保护，又要考虑各个弱电子系统之间及其与供配电子系统之间的有效衔接，做到系统配置、经济合理、安全可靠、适当冗余。 （2）划分界面。根据 GB50057-94（2000 年版）关于雷电保护区域 LPZ 的划分原则以及某些建设项目机电系统的分散分布的特点，确定若干个不同的“建筑单体”，再实施分级保护； （3）综合防治。充分利用“均压、屏蔽、接闪、分流、接地、保护”等传统的防雷技术措施，选用可靠的接闪装置和电涌保护器 SPD，实施可靠、全面的技术方案； （4）合理选型。根据具体建设项目所处的地理环境特点以及机电设备所处的雷电保护区域范围，选择合理的 SPD 电气性能参数（Imax、Uc、Ae 等）和产品功能（老化预报、热备份、热脱扣、指示灯告警）。3 选型设计方法 3.1 电源 SPD 的选择 电源 SPD 有开关型和限压型两种类型，关键性能参数有最大放电电流、限制电压、持续耐压、漏电流等，使用功能有可视告警、老化脱扣、短路脱扣、老化预报、热备份等，告警方式有遥信、声光和可视三种。 (1) 类型的选择 目前电源SPD有串联式和并联式两大类型。串联式电涌保护器其实也是由两级并联的SPD模块或MOV片组成，中间串联一组退耦电感，其残压很小，但与被保护设备的容量匹配要求较高，体积也较大，适用于机房配电箱或UPS 前端或重要场所的孤立设备的保护。 电源 SPD 绝大多数场合都采用并联式。对于并联式 SPD 又存在着两种基本形式开关型（间隙型）和限压型（压敏电阻型）。由于间隙型 SPD 的起动电压高且不稳、电压保护水平大（约为 3.54kV），极易损坏后续设备，因此不能单独使用，作为多级保护中的一级；而压敏电阻型 SPD 的标称导通电压较低（约为 500750V），电气性能稳定，而残压也很低（1.02.5kV），可以单独或组合使用，实行多级保护。另一方面，间隙型电源SPD 的动态响应时间较慢（约为 100ns），而压敏电阻型 SPD 的动态响应时间快（约为 25ns），若将间隙型 SPD和压敏电阻型 SPD 配套使用构成多级防护，首先导通的可能是压敏电阻型而非间隙型 SPD，首级（间隙型 SPD）可能起不到防护作用，因此系统防护不建议全部选用间隙型或首级选用间隙型 SPD 而后级选用压敏电阻型 SPD。当然在十分恶劣环境下（如强雷区架空线直接入户），也可用间隙型和大容量的压敏电阻型 SPD 组合使用构成首级防护。不同型 SPD 的对比见表 1。表 1 SPD特点的比较 ：起动电压启动特性电压保护水平响应时间使用特性间隙型SPD高受环境影响，不稳定大慢不能单独使用，也不建议组合使用压敏电阻型SPD低不受环境影响，稳定小快可单独使用，也可组合使用(2) 关键性能参数的选择 最大放电电流 Imax（8/20s） 最大放电电流 Imax 是指一个整体防雷系统的 LPZ0A、LPZ0B与 LPZ1 区界面处首级电源 SPD 预期承受的最大雷电流。 Imax 一般根据建构筑物地理位置等环境因素以及年平均雷暴日 Td或雷暴强度 Ng 来确定，Imax 可用函数式表达如下 Imax=f1（Ng，k1）=f2（Td，k2），Ng=0.024(Td)4/3。 （最大放电电流的选取见表 2。）表 2 选取最大放电电流的值序号Imax 取 值条 件应 用备 注1100kA（等效10/350s之15kA）当 2Ng2.5，架空线入户高速公路、水电站、变电站、钢铁化工等企业A级保护280100kA当 1.3Ng2，架空线入户高速公路、水电站、变电站、钢铁化工等企业A级保护370100kA当 1.3Ng2，埋地线入户高速公路、水电站、变电站、钢铁化工等企业B 级保护45070kA当 1385V，条件恶劣场合选用 420V 甚至440V。 漏电流的选择 根据 GB18802.1-2002，在 83%的标称导通电压下，所测得的 SPD 两端的电流，称为电源 SPD 的漏电流 I0，国标 I040A。漏电流 I0越大，电源 SPD 的 MOV 发热的可能性增大，而 MOV 的发热又加速 I0增大，因此 SPD 的性能将会越来越差。 判别一个 SPD 的漏流性能好坏，不仅仅在于它的 I0（40A）的大小，更重要的是在于它的漏流变化率（200%）的稳定程度。 （3）使用功能的选择 目前限压型 SPD 使用功能有老化热脱扣、可视告警、短路脱扣、热备份、老化预报等几种，但很多产品并不同时具备这几种功能，需要认真筛选。 老化热脱扣 老化热脱扣是指每极 SPD 内部MOV 等器件发生老化失效时，SPD 随即与保护电路断开，不至于发生短路故障。 目前模块式 SPD 绝大多数都采用机械式热脱扣装置，弹簧一头与变色牌机构相连，另一头与 SPD 内的 MOV芯片通过低温（100120）焊接固定，并始终处于拉紧或压缩状态。当 SPD出现劣化发热，达到脱扣温度（100120）时，弹簧则脱离固定状态，带动色牌运动至可视窗口。由于长时间处于拉紧或压缩状态，弹簧极易失效，其弹性系数选取、热处理工艺、周围腔体的结构和摩擦系数以及弹簧焊点的热容量等等都是影响热脱扣装置可靠性的关键因素。另外产品从出厂到各级经销商，再到用户可能需要半年或更多时间，而 SPD 安装完后并不一定马上动作，有时可能安装半年甚至更长时间才能动作！等到电气浪涌来临，SPD动作乃至老化时，恐怕弹簧早已失效！尤其是仿造进口品牌的国产产品，其弹簧的质量及其焊点的热容量控制更是令人担忧。事实证明，这种机械式热脱扣装置由于可靠性差而存在安全隐患。 相对可靠的是电子式热脱扣装置。MOV 的细长引脚线（而非芯片）与拓扑电路低温焊接（不会破坏 MOV 内部晶格和晶界层），当 SPD 出现劣化发热，达到脱扣温度时，MOV 与电路迅速断开，非常简单可靠。如易龙防雷公司的 EPP 系列 SPD。 可视告警 可视告警是指每极 SPD的面板上具有显示 SPD内部器件老化失效状态的变色窗口或指示灯。 目前模块式 SPD 绝大多数都采用机械式热脱扣装置（弹簧）带动色牌的运动来显示窗口的颜色变化机械式可视告警。由于上述原因，一旦弹簧失效，则不可能实现这一功能。而电子式热脱扣装置采用 LED 指示灯可视告警。当 MOV 与电路断开（过热或短路过流脱扣）时，则指示灯熄灭。如易龙防雷公司的 EPP 系列SPD。 短路脱扣 短路脱扣是指每极 SPD内部以及所在回路发生短路或过流故障时，SPD也可随即与回路断开。 目前模块式 SPD 绝大多数都不具备短路过流功能。 短路脱扣功能的 SPD 采用特殊的拓扑电路结构，当 SPD 出现劣化过热、短路或过流时，电路随即自动断开，脱离工作状态，杜绝了起火、爆炸事故。如易龙防雷公司的 EPP 系列SPD。 热备份 热备份是指每极 SPD 内部至少具备两组可供同时工作的 MOV 群组。其中一组失效时，另外一组仍可继续工作。 目前模块式 SPD 绝大多数（主要是欧洲或其仿造品牌）都采用 40kA 的 3434 或更大尺寸的 MOV，并通过并联解决大容量问题。但大尺寸以及方形的 MOV 由于其晶界层的性能一致性难以保证，导致使用一段时间后 MOV性能突然快速下降。MOV的失效就意味着该片 SPD 的失效。 国际上 MOV阀片的直径一般控制在14mm20mm 左右，而我国尺寸在这个范围内的国产 MOV 性能也是非常稳定的。采用性能稳定的尺寸小于20mm的 MOV，通过严格的参数筛选、性能配对、冗余并联而成，既可保证每片 MOV性能的一致性和稳定性，又可获得不同通流容量的规格，当 SPD 内一组 MOV 老化时另几组仍可使用或可投入使用因此具有热备份功能。这对于受连续电涌（如雷击放电）侵扰的情况，其意义重大，可以最大限度地保护设备。如易龙防雷公司的 EPP 系列 SPD。 老化预报 老化预报是指每极 SPD的寿命完全失效前能够提前报警。 对于 2P 宽的SPD 的每极模块上可设置两组 MOV 群，对应两个指示灯，接入电路中正常情况下两灯均亮，完化时两灯均灭（此时必须更换）。当其中一个指示灯熄灭时，表明该组 MOV 群老化失效而另一路 MOV群尚可，提醒用户准备更换新的 SPD。如易龙防雷公司的 EPP系列 SPD（见图 3）。 （4）告警方式的选择 目前 SPD 的告警方式主要有遥信、声光和可视三种。 遥信告警 遥信告警就是现场的 SPD 的工作状态可以通过开关量信号线传输到控制室，值班人员在控制室即可了解 SPD的运行状况。遥信告警可以不必现场巡检，但增加了成本，也增加了新的故障点，目前工程中很少采用。 声光告警 声光告警就是在 SPD 上增加一个声光告警模块。由于人们习惯于依赖声音判断 SPD的失效，一旦该模块失效则失去保护功能。很多事实也证明了声光告警的缺点。 可视告警 可视告警就是在每极 SPD上面增加一个或两个可视的变色窗口或状态指示灯，依赖人工巡视判别 SPD的工作状态。这种告警方式虽然增加了工作量，但简单可靠，被广泛采用。 因此建议采用可视告警方式。 3.2 信号 SPD 的选择 由于信号电平不断趋向低压化，所以愈容易受到过电压的侵害。同时电子化产品已涉及各行各业，种类繁多，归纳起来信号 SPD 一般包括： （1）高频（微波 / 无线通讯） （2）计算机局域网、广域网络 （3）工业自动化控制信号 （4）现代办公通信网络（数据专线等） （5）视频系统（CATV / CCTV） 而信号 SPD的选择通常从以下几个主要参数考虑： （1）工作电压（根据设备工作电压，选择合适保护电压的 SPD）； （2）工作频率（根据设备的工作频率，选择不同频宽的 SPD）；（3）接口标准（根据设备接口种类、公制、英制的要求，选择不同接口的 SPD）； （4）通流容量（根据设备所处的雷电保护区域环境，选择不同通流容量的 SPD）； （5）与其它设备连接情况（是否因与其它网络相连，而将过电压引入或输出）； （6）接地情况（如果地电位不稳，则应选择屏蔽的且可抗干扰的 SPD）。 对于高速公路、水电站、变电站、钢铁化工等企业，由于环境的特殊性，在选择信号 SPD 时应该适当严于国标所规定的参数值。 4 结束语目前 SPD 生产厂家和 SPD 种类越来越多，只有了解