建筑物低压配电系统SPD选型及应用探讨VIP

在建筑物低压配电系统电涌保护器(SPD)选型及应用中，通常存在SPD选型有误、位置设置不当、过度配置等问题。这些问题可能会使得低压配电系统的雷电电涌保护不能满足使用需求，从而导致电气设备装置存在雷击风险。因此，应对建筑物低压配电系统的SPD选型及应用予以足够重视。本文依据《建筑物防雷设计规范》GB50057—2010（以下简称GB50057—2010）、《民用建筑电气设计标准》GB51348—2019（以下简称GB51348—2019）及国际电工委员会IEC62305系列标准等，对建筑物低压配电系统的SPD选型方法及工程应用进行分析与探讨。一、根据雷击电流值对SPD选型1.1

雷电流幅值、滚球半径范围与防雷类别的对应关系建筑物及其附属物的雷击电流主要来源于自然界云地闪电。根据相关文献可知，全国云地闪电中负闪占94%以上，正闪占5%左右。负闪主要分布在闪电强度的低值区，正闪主要分布在闪电强度的高值区。正、负闪电强度主要集中在10~40kA,累计概率在90%以上的正闪强度小于140kA，90%以上的负闪强度小于65kA。由于相同幅值时正闪的强度更大，因此建筑物防雷设计中将正闪雷击电流波形（10/350μs波形）作为分析参照对象。由GB50057—2010第6.3.2条可知,雷电滚球半径R与雷电流峰值（正闪，10/350μs波形）的关系如式(1)所示:由于建筑物防雷保护措施需要考虑经济性和适用性，规范不可能要求针对自然界所有幅值的雷电流进行保护。因此，应将发生概率较大的雷电流幅值区域作为建筑物防雷保护的分析对象。根据《雷电防护第1部分:总则》IEC62305—1：2010提供的数据及式(1),可计算出GB50057—2010中不同建筑物防雷保护类别对应的雷电流保护范围及对应的滚球半径,相关数据如表1所示。由表1可知，防雷类别越高，保护措施对应的雷电流幅值范围越大。其中，最大可保护雷电流峰值主要用于雷击电流模型的分流计算及SPD选型，按此进行的设计可保护最大值以下的雷电流对电气系统的电涌损害。最小可保护雷电流峰值对应最小滚球半径，从而确定接闪器的布置高度和密度，按此进行的设计可保护最小值以上的雷电流对建筑物的直击损坏。而保护范围以外，更大的雷电流由于发生概率较小，将其应用于SPD选型的意义不大，同时还需要大大提高SPD的通流能力；更小的雷电流，由于发生概率也不大，将其应用于接闪器需较大提高接闪器的设置密度，且较小的雷击电流对建筑物的破坏力也较小，一般可允许其穿越接闪器的拦截直接落在建筑体上。1.2预期雷电冲击电流计算值当SPD的泄流能力大于安装处的预期雷电流时，SPD才不会被雷电电涌损坏。由GB50057—2010第4.2.4条可知，当电源线路无屏蔽层时，电源总配电箱处所装设的电涌保护器，其每一保护模式的冲击电流值宜按式(2)计算：关于式(2)的模型，IEC62305—1：2010进行了相应的描述,相关示意图如图1所示。图1闪电击中建筑物接闪器时雷电流分配示意图对于图1所示模型，以第一类防雷建筑物为例，由表1可知，第一类防雷建筑物的雷电保护范围为正闪5~200kA(10/350μs波形)。当预期最大雷电流200kA击中建筑物屋面接闪器时，50%的雷电流将在建筑物本地接地系统入地，另外50%的雷电流通过电缆在电缆另一端连接的接地系统入地。当进入本建筑仅为1组三相四线制电缆(四芯)，且无其他金属导管进出时，每一导体将分得25kA(10/350μs波形)的雷电流(对应于每一保护模式的冲击电流值)。同理，当建筑物防雷类别为第二类、第三类时，对应预期最大雷电流分别为150kA、100kA，该条件下第二类、第三类防雷类别对应每一保护模式的冲击电流计算值分别为18.75kA、12.5kA。以上计算结论与GB50057—2010第4.2.4-8(强条)和4.3.8-4(强条)要求吻合，即对于电源引入处总配电箱装设的Ⅰ级试验SPD，当每一保护模式的冲击电流值无法确定时，冲击电流应不小于12.5kA。GB50057—2010第4.2.3条条文说明中，列出了仅采用一组架空电缆(三相四线制)进线的建筑物配电模型，电缆在终端入户杆处可转铠装电缆或穿钢管埋地引入建筑物。当雷电击中终端杆时，进入线路中每一导体的预期雷击电涌电流如表2所示。闪电击中线路与图1中闪电击中建筑物接闪器的电流分配模型类似，以闪电击中低压架空线路终端杆模型为例进行分析，如图2所示。图2闪电击中建筑物入户终端杆时雷电流分配示意图以第一类防雷建筑物为例，当预期最大雷电流200kA击中终端杆时，由于终端杆铁横担进行了接地，50%的雷电流在电线杆处就近流入大地，另外50%的雷电流进入电缆，将通过架空电缆两端连接的接地系统流入大地。对于终端杆处的用户侧，进线电缆引入了25%的雷电流(50kA)。当入户电缆为4芯带铠装电缆时，则每一导体及铠体将各分得10kA(10/350μs波形)的雷电流。同理，对第二、三类防雷建筑物采用相同模型进行分析时，则每一导体的计算雷电流分别为7.5kA和5kA。当入户回路数量增加时，该分流值将更低。以上计算结论与表2数据吻合,这表明，利用图2模型进行计算是可行的。由《雷电防护第4部分：建筑物内电气和电子系统》IEC62305—4：2010可知，SPD冲击电流Iimp的优选值为1kA、2kA、5kA、10kA、12.5kA、20kA、25kA。因此，当计算值较小时，没有必要直接采用Iimp值为12.5kA及更大泄流能力的SPD。当没有低压电缆引出建筑物时，电缆将不是雷电流对地泄放的主要途径。雷电击于接闪器时，接闪器与接地装置的电位同时抬升，但抬升幅值并不相同，而是沿着雷电经过引下线的方向，逐渐减小。此时对于建筑物内的电缆而言，其雷电流是由系统内离地不同高度处的雷电电位差形成的反击电流以及感应雷电流组成，这种雷电电涌的幅值通常较小。因此，GB50057—2010第4.3.8-5(强条)要求，当建筑物内附设的变配电房没有低压线路引出建筑物时，其低压侧母线的SPD应选用每一保护模式的标称放电电流不小于5kA的Ⅱ级试验SPD。

二、根据电压保护水平对SPD选型SPD的选型不但要考虑其电流泄放能力,还要考虑其限压能力。SPD限压能力是对设备或配电系统进行过电压保护,即SPD的实际限压能力应与被保护设备或线路的耐冲击电压能力相匹配。SPD的电压参数选型包含两个方面,其一是SPD的电压保护水平，体现在对设备装置的过电压保护；其二是SPD的最大持续运行电压值，体现其自身能否长期在系统电压下运行。2.1线路和设备的耐冲击电压根据GB50057—2010表6.4.4可知，低压交流配电系统中，不同线路和设备的耐冲击电压如表3所示。表3数据显示，低压配电系统中，计量仪表的耐冲击电压能力最高，配电装置及电机设备的耐冲击电压能力其次，而电子类精密设备的耐冲击电压能力最低。GB50057—2010中多处条文对总配电箱处Ⅰ级试验SPD及屋面配电箱内处Ⅱ级试验SPD，均要求其电压保护水平不应大于2.5kV。因此，设计中可首先将SPD电压保护水平分为不大于2.5kV和不大于1.5kV两大类。2.2

电涌保护器的实际限压水平电涌保护器对设备的有效电压保护水平与其自身的电压保护水平并不等同。实际上由于SPD两端引线的阻抗作用,有效电压保护水平往往大于SPD其自身的电压保护水平。GB50057—2010第6.4.6条中对有效电压保护水平计算做了下列规定。(1)对限压型电涌保护器(一般为Ⅱ、Ⅲ级试验SPD)：(2)对电压开关型电涌保护器(一般为Ⅰ级实验SPD)，应取下列公式中的较大值：上文公式表明，为取得较小的电涌保护器有效电压保护水平，应选用有较小电压保护水平值的电涌保护器，并应采用合理的接线，同时应缩短连接电涌保护器的导体长度。GB51348—2019第11.9.11条要求，与电涌保护器连接的导线应短而直，引线总长度不宜超过0.5m。工程中为减小引线的感应电压降，也常常推荐采用凯文接线(V型)方式。2.3

有效电压保护水平与设备绝缘耐冲击电压的关系GB50057—2010第6.4.7条，要求从户外沿线路引入雷击电涌时，电涌保护器的有效电压保护水平值的选取应符合下列规定。(1)当被保护设备距电涌保护器的距离沿线路的长度小于或等于5m时，或在线路有屏蔽并两端等电位联结下沿线路的长度小于或等于10m时，应按式(5)计算：(2)当被保护设备距电涌保护器的距离沿线路的长度大于10m时，应按式(6)计算：(3)对于式(6)，当建筑物或房间有空间屏蔽和线路有屏蔽或仅线路有屏蔽并两端等电位联结时，可不计及电涌保护器与被保护设备之间电路环路的感应过电压，但应按式(7)计算：由于Ui的计算较为复杂，如果对每一个回路都进行计算，显然不适合于工程设计使用。因此，对远离SPD的敏感型负荷，建议在靠近设备处增加一级SPD。与此同时，建议精密设备生产时，其自身也设置过电压保护单元。2.4SPD的最大持续运行电压值SPD的相关电压参数除了与被保护对象有关，还与工作位置的标称电压有关。配电系统中SPD的最大持续运行电压值Uc的最小值应符合表4所示要求。在使用中，当实际电压幅值存在偏差时，对限压型SPD应根据具体情况提高表4规定的最大持续运行电压最小值。三、SPD产品参数比较前文分析了SPD的电流、电压参数，设计中，这些分析计算数据最终需要和产品对应起来。不同型号SPD的主要参数，如表5~6所示。从表5可以看出，表中同一SPD的最大放电电流雷电流Imax均为标称放电电流雷电流In的2倍。各Ⅱ级试验SPD的电压保护水平均小于2.5kV，当SPD的电压保护水平越低时，其标称放电电流一般也越小。由表6可知，同一SPD的标称放电电流雷电流In与冲击电流Iimp没有明显的关系。各Ⅰ级SPD的电压保护水平均小于2.5kV，其中复合型SPD的电压保护水平更低。因此，对于同一位置同时对SPD提出既需要较大的泄流能力又需要较低的限压水平时，可采用Ⅰ+Ⅱ级复合型SPD；当采用独立式SPD时，则需要考虑增加退耦装置。另外，应注意由于不同厂家SPD的命名规则不统一，有的产品以最大放电电流进行命名，有的以标称放电电流命名，有的甚至以无直接关系且易混淆的数字命名，设计和施工时容易出错。因此，在施工交底和后期验收时应对SPD的指标参数予以核实。

四、SPD设计应用易错问题分析及改进措施4.1SPD后备保护选择GB51348—2019第11.9.11条要求，SPD安装线路上应设置过电流保护器件，该过电流保护器件应具备如下能力：(1)分断SPD安装线路的预期短路电流；(2)耐受通过SPD的电涌电流不断开；(3)分断SPD内置热保护所不能断开的工频电流。当后备保护不匹配时，容易发生误动作或SPD劣化过流不动作的情况，带来一定的安全隐患。对于上文提出的第1条要求，应首先确定SPD安装位置的系统预期短路电流，然后核实后备保护的短路分断能力是否与系统预期短路电流匹配；对于后两条要求，工程中为减少设计或安装差错形成的安全隐患，建议选择带配套后备保护装置的SPD产品或者SPD与后备保护一体化的产品。4.2SPD的级间配合由于单个SPD很难同时满足泄流、限压、反应时间等防护能力指标(复合型SPD按2个SPD考虑)，因此系统中往往需要2个或多个SPD协调配合使用。通常，上级SPD主要用于雷电流的泄放，而次级SPD主要用于限制系统过电压。由于SPD自身的构造特性，开关型SPD(如放电间隙)通常用于前端泄放雷电流，其泄流能力更强，但反应速度相对较慢。而限压型SPD(如金属氧化物压敏电阻器)，通常用于设备端限压，其泄流能力相对较弱，但反应速度更快。当两级SPD的安装距离较小时，次级SPD会优先导通，而此时大电流会率先从次级SPD流入大地可能导致次级SPD损坏，较高的残压导致设备损坏，同时会出现上级SPD没有及时导通的情况。因此，GB51348—2019第11.9.4条提出，当上级电涌保护器为开关型SPD，次级电涌保护器为限压型SPD时，两者之间的线路长度应大于10m；当上级与次级电涌保护器均采用限压型时，两者之间的线路长度应大于5m，否则应加装退耦装置，或者采用复合型SPD。SPD的级间配合示例如图3所示。图3SPD的级间配合示例4.3SPD的极数选择SPD产品分为1P、1P+N、2P、3P+N、4P几种极数模式，在设计选型时容易被忽视，应依据GB50057附录J的要求，根据系统的接地形式的不同、导线芯数的不同以及RCD与SPD的相对位置，确定极数的选择。限于篇幅，此处不做展开。4.4

SPD的过度设置对于SPD的设置，应根据被保护设备的需要进行设置。由于SPD长时间在线，其性能会在雷电电涌冲击以及自身的自然老化作用下逐渐下降甚至失效。劣化后的SPD,其阈值电压会降低，低阻性则逐步加剧，进而导致持续漏电流的产生。随着漏电流的逐渐增加，,就会导致SPD本体温度逐渐升高，甚至发生火灾，而后备保护也有保护失效的情况。因此，建筑物内的SPD设置并非越多越好。对于中间级配电箱，当不与设备直接相连且上下级配电箱(柜)均设置有SPD保护时，考虑其自身的耐冲击电压值为4kV(见表3)，大于上下端配电箱SPD的电压保护水平Up(≤2.5kV)，故当系统内无造成过电压的冲击类负荷时，一般可不设置SPD。对于民用建筑内固定安装的非智能控制的风机、水泵配电箱，当设备及线路均位于室内LPZ1或LPZ2区，且前端配电总箱设置有SPD时，考虑其自身的耐冲击电压值亦为4kV(见表3)，大于前端配电箱SPD的电压保护水平Up(≤2.5kV)，其现场配电箱也可不设置SPD。对于住宅、办公套间内的末端配电箱，尽管末端连接有电脑等电子产品。由于使用者具有配电箱的所有权，但通常无维护SPD的能力。因此，除非有设备升出屋面或高层的侧立面安装，否则通常不建议安装SPD，而其电涌保护应由在其上级层配电箱内设置的SPD提供。4.5Ⅱ级试验SPD与Ⅰ级试验SPD的替换关系在工程应用中，由于I级试验(10/350μs波形)的SPD相对Ⅱ级试验(8/20μs波形)的SPD造价通常更为昂贵，且电压保护水平Up值更大。因此，当系统中预期每一保护模式的冲击电流计算值较小时，可考虑采用Ⅱ级试验SPD进行替代。GB51348—2019表11.9.5显示I级试验SPD的冲击电流值Iimp(10/350μs波形)与Ⅱ级试验SPD的标称电流值In(8/20μs波形)为4倍的转换关系。如用标称电流值为80kA的Ⅱ级试验SPD替换冲击电流值为20kA的I级试验SPD。而GB50057—2010第4.5.4条条文说明提出上述替换倍数为10倍的关系，如用标称电流值为20kA的Ⅱ级试验SPD(最大放电电流雷电流Imax值为40kA)替换冲击电流Iimp值为2kA的I级试验SPD。与此同时，文献[9]及文献[10]均认为该替换关系为10倍。因此，本文认为该两种SPD电流参数的替换关系采用10倍是比较合适的。由于目前国内市场仅有少数品牌Ⅱ级试验SPD的标称电流In值做到了80kA，更多的品牌最大只做到了60kA。因此，本文建议当计算冲击电流Iimp值(10/350μs波形)小于或等于6kA时，可采用标称放电电流为10倍冲击电流值的Ⅱ级试验SPD进行替代，以节省造价。当计算Iimp值大于6kA时，建议依然采用I级试验的SPD。4.6关于在屋面配电箱内开关电源侧装设Ⅱ级试验SPD的理解GB50057—2010第4.5.4条要求对固定在建筑物外立面或屋面上的用电设备，其配电箱内应在开关电源侧装设Ⅱ级试验SPD。对执行本条的理解如下，当该配电箱设在屋面时，其电源侧的电缆也暴露在LPZ0A区或LPZ0B区，如果将SPD设置在配电箱母排处，当雷电击中电源侧电缆且主开关断开时，由于得不到主开关负荷侧SPD的保护，电源侧电缆可能将较大的雷击电涌电流引入室内，且雷击过电压会击穿电气绝缘和损坏主开关。所以，此时应在主开关电源侧装设SPD，以防止直击雷电流进入建筑物内，并保护电气绝缘层和主开关。相关示意图如图4所示。图4SPD安装于屋面配电箱主开关电源侧示意图关于对屋面配电箱装设Ⅱ级试验SPD的理解，设计中应根据实际工程的分流条件进行计算，明确预期雷击电流是否不大于6kA，以此来确定是否采用Ⅱ级试验SPD来替代I级试验SPD。当计算雷电分流较大时，常用的Ⅱ级试验SPD可能达不到相应的泄流能力，此时应根据被保护装置的耐冲击电压水平选择装设I级试验SPD或I+Ⅱ级复合型SPD。如果只是为了与上级总进线配电箱处SPD的能量配合，而直接采用Ⅱ级试验SPD，反而会对系统的安全性不利。

五、智能SPD与SPD监控系统目前，国家产品标准要求SPD设置劣化指示，而美国相关标准《防雷系统安装标准》NFPA780—2017也要求SPD应按产品要求且不超过7个月进行一次周期性检查。但现实情况往往是，因人工监管不便，导致长期疏于对SPD的维护。基于此，为提高SPD的使用安全且便于维护管理，一种在传统SPD的基础上增加监测、通讯、后台数据