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浪涌保护器SPD的后备保护选用

发布日期:2016-03-16 | 关注:3650


浪涌保护器SPD的后备保护选用

 

要:  通过对建筑物的电子信息系统各级防雷的电源线路浪涌保护器标称放电电流的I2t及电压保护水平的分析,说明浪涌保护器SPD的后备保护宜采用熔断器,并提出于建筑物的电子信息系统各级防雷相对应的电源线路浪涌保护器后备保护熔体额定电流推荐值

关键词  浪涌保护器 SPD  后备保护选用  涌保护器后备保护熔体额定电流推荐值

     随着我国经济、社会的快速发展,各种电子信息技术产品越来越多地渗入到社会和家庭生活的各个领域,雷电过电压产生的危害和损失也越来越大,人们对雷电过电压的防治也空前的重视。因此在民用和工业建筑中SPD(浪涌保护器)被大量的使用。国标《建筑物电子信息系统防雷设计规范》(GB5003432004)中根据建筑物电子信息系统所处的环境、重要性和使用性质以及遭受雷击的风险,把民用建筑物的电子信息系统防雷分为ABCD四级,其中对SPD的通流容量也进行了规定。详见下表:

电源线路浪涌保护器标称放电电流参数值

保护分级

LPZ0区与LPZ1区交界处

LPZ1LPZ2LPZ2LPZ3区交界处

直流电源标称放电电流(KA

第一级

第二级标称放电电流(KA

第三级标称放电电流(KA

第四级标称放电电流(KA

 

 

8/20µs

最大放电电流(KA

标称放电电流(KA

10/350µs

8/20µs

8/20µs

8/20µs

8/20µs

A

20

80

40

20

10

10

B

15

60

40

20

 

直流配电系统中根据线路长度和工作电压选用标称放电电流≥10KA适配的SPD

C

12。5

50

20

 

 

D

12.5

50

10

 

 

注:SPD的外封装材料应为阻燃型材料。

 

一问题的提出

《建筑物防雷设计规范》(GB-50057-94 2000年版)第6.4.4条规定“电浪涌保护器必须能承受预期通过它的雷电流,并应符合以下两个附加要求:通过电涌时的最大钳压,有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流。”但由于SPD的老化问题及检修方便,作为SPD故障短路的后备保护,SPD支路过流保护是必要的。规范中只明确SPD后备保护器采用熔丝、断路器或剩余电流保护器,但没有明确多大通流容量的SPD,设置多大整定值的SPD支路过流后备保护。各个SPD生产厂商的推荐标准也不一样,有的厂商甚至推荐不设置。电气设计中究竟采用何种后备保护器以及整定值设为多少,也只能凭设计人员的经验值或厂商的推荐值来选取。笔者查阅大量资料和结合工程实践提出以下几点不成熟的意见。

SPD为什么要设置后备保护

现在市场上可以购买的SPD主要可分为三种型式:电压开关型、电压限制型和复合型。电压开关型SPD没有电浪涌时具有高阻抗,有电浪涌时能立即转化成低阻抗,其常用的元件有放电间隙、气体放电管、可控硅整流器等;电压限制型SPD没有电浪涌时具备高阻抗,随着电涌电流、电压的上升,其阻抗持续的减小,常用非线性元件:氧化锌压敏电阻和抑制二极管;复合型SPD常采用电压开关型和电压限制型SPD串联或并联以满足限制电压或通流量的要求。所有这些双端口装置在遭受瞬态电浪涌时,通过钳制跨接在浪涌保护器两端之间的瞬态电压工作。限制电压的幅值大小取决与瞬态浪涌电流幅值的大小及波形,并且保护器的动作电压一定要达到一定的幅值,避免干扰被保护线路的正常运行。     但是由于老化及使用条件的恶劣等原因,电子固态保护器件在暂态抑制过程结束后,并不能有效的切断泄放电流。在被保护线路的工频电压的作用下原先处于导通状态下的电子固态保护器件有可能不会灭弧,出现续流。此时相当于SPD和系统电源出现短路,SPD中将流过数千安培的短路电流,如此大的短路电流产生的热效将使SPD的电子固态保护器件发生爆裂或爆炸,影响其他设备的安全、正常运行。也可能使上极主开关出现跳闸,扩大了事故面,使系统的可靠性降低。

如何设置SPD的后备保护

建筑电气低压配电系统中通常在SPD支路中接入一个限流元件作为SPD故障短路的后备保护。此限流元件可以是熔断器、延时型空气开关、剩余电流短路器。采用熔断器来切断续流的接线如图所示:

 

 

 

 


其中熔断器的额定电流应高于被保护系统的正常运行电流,它的熔断电流应小于SPD电子固态保护器件在电弧区的续流。现有市面上的大部分SPD产品其内部均带有一个熔断器(或热断路器),该熔断器(或热断路器)主要起保护SPD的电子固态保护器件作用,由于SPD使用场所条件恶劣,其内部也可能出现短路,因此在现有的工程实际应用中都要求在SPD线路上加装一组熔断器或断路器、剩余电流保护器(剩余电流保护器,价昂贵实际工程中较少采用),以保护SPD(Surge protective devices) 笔者现将对用于不同保护等级的三相电涌保护器后备保护用的熔断器、断路器的选用做一个定量的分析。    

熔断器作后备保护是一种常用的方案,其特点是熔断体为易熔金属,呈电阻性,电阻为R。电感量很小,可以忽略。当雷电流(10/350µs 8/20us)冲击时,在线路两端的限制电压为:U=Ri+L(di/dt) L为连接导线电感,限制电压主要由L(di/dt)决定,R上压降较小。断路器作后备保护时,因断路器线路中有双金属热敏元件和串联的电磁脱扣器,呈感性阻抗,电感为LAB。当雷电流(10/350µs 8/20us)冲击时在线路两端电压为 U=Ri+L(di/dt)+LAB(di/dt) ,其中L为连接导线电感,LAB为断路器电感,一般情况LAB>L,附加电压要大于连接导线上的压降。因为Ri<<LAB(di/dt),所以U<U断。 熔断器的附加限制电压要小于断路器的附加限制电压,用熔断器作为SPD的后备保护要比用断路器作为SPD后备保护时SPD线路的电压保护水平要低,更好的发挥SPD的保护效果。
     
上海电器科学研究所测得:对同一型号SPD进行测试:
     In=20KA  Imax=40KA
时,
串联RTl463熔断器, 198KA大电流冲击时(820us),熔断器断开。测得限制电压U熔为2674V。
串联DZ4763断路器,在1829KA大电流冲击时,断路器脱扣断开。测得限制电压为u断为5014V,其中断路器附加电压为3KV
   
从上述分析和实验表明:用断路器作后备保护时,线路上的限制电压要高于用熔断器作后备保护的线路上的限制电压,故大多数专业SPD供应厂家都采用熔断器作后备保护的原由,另一方面由于断路器电感的存在,其响应时间长,这也是系统不希望的。我们来讨论使用熔断器的情况。

SPD支路上熔断器的主要作用是在SPD设备内部短路情况下能有效的切断短路电流,同时能保证在额定的雷电过电流的情况下SPD起到正常的泄流作用。这就要求熔断器的熔断电流躲过额定波形下额定幅值的雷电流作用,同时小于上级主开关的整定电流,并保证一定的级差,以实现其选择性。

熔断器在瞬时大电流的作用下,其弧前熔断过程没有,因此在瞬时大电流作用下,熔体的熔化过程可以看成一个绝热过程,熔体的额定电流选择应根据It值来选择,因此我门只要算出在不同雷电波形和雷电流幅值的It就能确定`

建筑中常用的短十雷击波形如下图所示:(建筑物防雷设计规范P64页附图6.2

File written by Adobe Photoshop� 5.2File written by Adobe Photoshop� 5.2

I2t=

其简化公式为:

I2t=1/2)×(1/0.7)×I2 ×T2  (建筑物防雷设计规范P64页附6.2

  I雷电流幅值(A

  T2-半值时间(S)

由此查图 可知不同电流波形和不同电流幅值下所须配最小熔体额定电流和最小导线截面,各计算结果见下表:

最大放电电流(10/350μs)下后备保护熔体选择表:

最大放电电流幅值IpeakKA)(10/350

I2A2s

后备保护熔体最小额定电流(AGL

导线截面(mm2

60

900000

250A

120

50

625000

200

70

35

306250

160A

50

20

100000

100A

35

15

56250

100A

35

12.5

39062.5

80

35

10

25000

63

25

 

标称放电电流(8/20μs)下保护熔体选择表:

标称放电电流幅值InKA)(8/20

I2A2s

后备保护熔体最小额定电流(AGL

导线截面(mm2

160

365714

160A

50

100

142857

125A

35

80

91428

100 A

35

70

70000

100A

35

60

51428

80 A

35

50

35714

80A

35

40

22857

63A

25

30

12857

 50 A

10

20

5714。3

32A

6

15

3214

25A

6

10

1428

20 A

4

6.0

514

16A

4

 

建筑电气设计中SPD后备保护的选用

经过以上分析可以得出两个结论;SPD后备保护宜采用熔断器而不宜采用断路器;当采用熔断器作为SPD的后备保护时,SPD后备保护熔断器额定电流值不应低于下表中的推荐值,否则在雷电浪涌的冲击下熔断器的溶体会先与SPD熔断,SPD将没法发挥作用。

电源线路浪涌保护器后备保护熔体额定电流推荐值

保护分级

LPZ0区与LPZ1区交界处

LPZ1LPZ2LPZ2LPZ3区交界处

后备保护熔体最小额定电流(AGL

第一级

第二级

第三级

第四级

 

 

8/20µs

后备保护熔体最小额定电流(AGL

后备保护熔体最小额定电流(AGL

后备保护熔体最小额定电流(AGL

后备保护熔体最小额定电流(AGL

后备保护熔体最小额定电流(AGL

10/350µs

8/20µs

8/20µs

8/20µs

8/20µs

A

100A

100A

63A

32A

10A

10A

B

100A

80A

63A

32A

 

 

C

80A

80A

32A

 

 

D

80A

80A

20A

 

 

 

   在实际建筑电气设计中SPD后备保护熔断器熔体额定电流值宜小于主开关的额定电流值,并满足级差配合的要求,以免SPD短路故障时扩大事故面。以下是笔者统计的市面上常用SPD厂商后备保护最大允许推荐值以供设计中参考。

市面上常用SPD厂商后备保护(最大允许保险丝)推荐值:

 

 

厂商

第一级最大放电电流IpeakKA

第一级标称放电电流InKA

第二级标称放电流InKA

第三级标称放电流InKA

第四级标称放电流InKA

10/350µs

8/20µs

8/20µs

8/20µs

8/20µs

菲尼克斯

FLT 35(35KA)

125A GL

 

 

 

 

易雷斯

LS4-100KA

63~125A GL

LS2-30KA/420

250A GL

LS1-40KA/320

32A GL

 

LS1-10KA/2

16A GL

MoELLer

VFB-1 (60KA)

250A GL

VFB-1(25KA)

125A GL

VR7 (20KA)

125A GL

VD7(2.5KA)

63A GL

 

 

DR3 40KA

250A GL

DR3 20KA

125A GL

DR3 5KA

63A GL

DR3 3KA

63A GL

易普康

HL60 (60KA)

160A GL

XX-100(100KA)

80A GL

XX-65(65KA)

80A  GL

XX-40(40KA)

40A GL

XX-15 (15KA)

25A GL

ISKRA

PR0TEC(25KA)

100A GL

PR0TEC(70KA)

100A GL

PR0TEC B2 (60KA)

100A GL

PR0TECC (10KA)

100A GL

PR0TECD (3KA)

100A GL

SIEMENS

5SD7056(50KA)

160A GL

 

5SD7078(40KA)

125A GL

5SD7053(15KA)

125A GL

 

安世杰

 

CLASS-I(40kA)

50A GL

CLASS-II (20kA)

50A GL

CLASS-III(10kA)32A GL

 

 

 

 

 

 

 

 

参考文献:

(1)     IEC61643-122002

     低压配电系统的电涌保护器(SPD)第12部分:选用和使用导则

(2)     GB50343-2004

     建筑物电子信息系统防雷技术规范

(3)     GB50057-94 2000年版)

     建筑物防雷设计规范

4 工厂常用电气设备手册

 


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