建筑物低壓配電系統(tǒng)SPD選型及應用探討

在建筑物低壓配電系統(tǒng)電涌保護器(SPD)選型及應用中，通常存在SPD選型有誤、位置設置不當、過度配置等問題。這些問題可能會使得低壓配電系統(tǒng)的雷電電涌保護不能滿足使用需求，從而導致電氣設備裝置存在雷擊風險。因此，應對建筑物低壓配電系統(tǒng)的SPD選型及應用予以足夠重視。本文依據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057—2010（以下簡稱GB50057—2010）、《民用建筑電氣設計標準》GB51348—2019（以下簡稱GB51348—2019）及國際電工委員會IEC62305系列標準等，對建筑物低壓配電系統(tǒng)的SPD選型方法及工程應用進行分析與探討。一、根據(jù)雷擊電流值對SPD選型1.1

雷電流幅值、滾球半徑范圍與防雷類別的對應關系建筑物及其附屬物的雷擊電流主要來源于自然界云地閃電。根據(jù)相關文獻可知，全國云地閃電中負閃占94%以上，正閃占5%左右。負閃主要分布在閃電強度的低值區(qū)，正閃主要分布在閃電強度的高值區(qū)。正、負閃電強度主要集中在10~40kA,累計概率在90%以上的正閃強度小于140kA，90%以上的負閃強度小于65kA。由于相同幅值時正閃的強度更大，因此建筑物防雷設計中將正閃雷擊電流波形（10/350μs波形）作為分析參照對象。由GB50057—2010第6.3.2條可知,雷電滾球半徑R與雷電流峰值（正閃，10/350μs波形）的關系如式(1)所示:由于建筑物防雷保護措施需要考慮經濟性和適用性，規(guī)范不可能要求針對自然界所有幅值的雷電流進行保護。因此，應將發(fā)生概率較大的雷電流幅值區(qū)域作為建筑物防雷保護的分析對象。根據(jù)《雷電防護第1部分:總則》IEC62305—1：2010提供的數(shù)據(jù)及式(1),可計算出GB50057—2010中不同建筑物防雷保護類別對應的雷電流保護范圍及對應的滾球半徑,相關數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，防雷類別越高，保護措施對應的雷電流幅值范圍越大。其中，最大可保護雷電流峰值主要用于雷擊電流模型的分流計算及SPD選型，按此進行的設計可保護最大值以下的雷電流對電氣系統(tǒng)的電涌損害。最小可保護雷電流峰值對應最小滾球半徑，從而確定接閃器的布置高度和密度，按此進行的設計可保護最小值以上的雷電流對建筑物的直擊損壞。而保護范圍以外，更大的雷電流由于發(fā)生概率較小，將其應用于SPD選型的意義不大，同時還需要大大提高SPD的通流能力；更小的雷電流，由于發(fā)生概率也不大，將其應用于接閃器需較大提高接閃器的設置密度，且較小的雷擊電流對建筑物的破壞力也較小，一般可允許其穿越接閃器的攔截直接落在建筑體上。1.2預期雷電沖擊電流計算值當SPD的泄流能力大于安裝處的預期雷電流時，SPD才不會被雷電電涌損壞。由GB50057—2010第4.2.4條可知，當電源線路無屏蔽層時，電源總配電箱處所裝設的電涌保護器，其每一保護模式的沖擊電流值宜按式(2)計算：關于式(2)的模型，IEC62305—1：2010進行了相應的描述,相關示意圖如圖1所示。圖1閃電擊中建筑物接閃器時雷電流分配示意圖對于圖1所示模型，以第一類防雷建筑物為例，由表1可知，第一類防雷建筑物的雷電保護范圍為正閃5~200kA(10/350μs波形)。當預期最大雷電流200kA擊中建筑物屋面接閃器時，50%的雷電流將在建筑物本地接地系統(tǒng)入地，另外50%的雷電流通過電纜在電纜另一端連接的接地系統(tǒng)入地。當進入本建筑僅為1組三相四線制電纜(四芯)，且無其他金屬導管進出時，每一導體將分得25kA(10/350μs波形)的雷電流(對應于每一保護模式的沖擊電流值)。同理，當建筑物防雷類別為第二類、第三類時，對應預期最大雷電流分別為150kA、100kA，該條件下第二類、第三類防雷類別對應每一保護模式的沖擊電流計算值分別為18.75kA、12.5kA。以上計算結論與GB50057—2010第4.2.4-8(強條)和4.3.8-4(強條)要求吻合，即對于電源引入處總配電箱裝設的Ⅰ級試驗SPD，當每一保護模式的沖擊電流值無法確定時，沖擊電流應不小于12.5kA。GB50057—2010第4.2.3條條文說明中，列出了僅采用一組架空電纜(三相四線制)進線的建筑物配電模型，電纜在終端入戶桿處可轉鎧裝電纜或穿鋼管埋地引入建筑物。當雷電擊中終端桿時，進入線路中每一導體的預期雷擊電涌電流如表2所示。閃電擊中線路與圖1中閃電擊中建筑物接閃器的電流分配模型類似，以閃電擊中低壓架空線路終端桿模型為例進行分析，如圖2所示。圖2閃電擊中建筑物入戶終端桿時雷電流分配示意圖以第一類防雷建筑物為例，當預期最大雷電流200kA擊中終端桿時，由于終端桿鐵橫擔進行了接地，50%的雷電流在電線桿處就近流入大地，另外50%的雷電流進入電纜，將通過架空電纜兩端連接的接地系統(tǒng)流入大地。對于終端桿處的用戶側，進線電纜引入了25%的雷電流(50kA)。當入戶電纜為4芯帶鎧裝電纜時，則每一導體及鎧體將各分得10kA(10/350μs波形)的雷電流。同理，對第二、三類防雷建筑物采用相同模型進行分析時，則每一導體的計算雷電流分別為7.5kA和5kA。當入戶回路數(shù)量增加時，該分流值將更低。以上計算結論與表2數(shù)據(jù)吻合,這表明，利用圖2模型進行計算是可行的。由《雷電防護第4部分：建筑物內電氣和電子系統(tǒng)》IEC62305—4：2010可知，SPD沖擊電流Iimp的優(yōu)選值為1kA、2kA、5kA、10kA、12.5kA、20kA、25kA。因此，當計算值較小時，沒有必要直接采用Iimp值為12.5kA及更大泄流能力的SPD。當沒有低壓電纜引出建筑物時，電纜將不是雷電流對地泄放的主要途徑。雷電擊于接閃器時，接閃器與接地裝置的電位同時抬升，但抬升幅值并不相同，而是沿著雷電經過引下線的方向，逐漸減小。此時對于建筑物內的電纜而言，其雷電流是由系統(tǒng)內離地不同高度處的雷電電位差形成的反擊電流以及感應雷電流組成，這種雷電電涌的幅值通常較小。因此，GB50057—2010第4.3.8-5(強條)要求，當建筑物內附設的變配電房沒有低壓線路引出建筑物時，其低壓側母線的SPD應選用每一保護模式的標稱放電電流不小于5kA的Ⅱ級試驗SPD。

二、根據(jù)電壓保護水平對SPD選型SPD的選型不但要考慮其電流泄放能力,還要考慮其限壓能力。SPD限壓能力是對設備或配電系統(tǒng)進行過電壓保護,即SPD的實際限壓能力應與被保護設備或線路的耐沖擊電壓能力相匹配。SPD的電壓參數(shù)選型包含兩個方面,其一是SPD的電壓保護水平，體現(xiàn)在對設備裝置的過電壓保護；其二是SPD的最大持續(xù)運行電壓值，體現(xiàn)其自身能否長期在系統(tǒng)電壓下運行。2.1線路和設備的耐沖擊電壓根據(jù)GB50057—2010表6.4.4可知，低壓交流配電系統(tǒng)中，不同線路和設備的耐沖擊電壓如表3所示。表3數(shù)據(jù)顯示，低壓配電系統(tǒng)中，計量儀表的耐沖擊電壓能力最高，配電裝置及電機設備的耐沖擊電壓能力其次，而電子類精密設備的耐沖擊電壓能力最低。GB50057—2010中多處條文對總配電箱處Ⅰ級試驗SPD及屋面配電箱內處Ⅱ級試驗SPD，均要求其電壓保護水平不應大于2.5kV。因此，設計中可首先將SPD電壓保護水平分為不大于2.5kV和不大于1.5kV兩大類。2.2

電涌保護器的實際限壓水平電涌保護器對設備的有效電壓保護水平與其自身的電壓保護水平并不等同。實際上由于SPD兩端引線的阻抗作用,有效電壓保護水平往往大于SPD其自身的電壓保護水平。GB50057—2010第6.4.6條中對有效電壓保護水平計算做了下列規(guī)定。(1)對限壓型電涌保護器(一般為Ⅱ、Ⅲ級試驗SPD)：(2)對電壓開關型電涌保護器(一般為Ⅰ級實驗SPD)，應取下列公式中的較大值：上文公式表明，為取得較小的電涌保護器有效電壓保護水平，應選用有較小電壓保護水平值的電涌保護器，并應采用合理的接線，同時應縮短連接電涌保護器的導體長度。GB51348—2019第11.9.11條要求，與電涌保護器連接的導線應短而直，引線總長度不宜超過0.5m。工程中為減小引線的感應電壓降，也常常推薦采用凱文接線(V型)方式。2.3

有效電壓保護水平與設備絕緣耐沖擊電壓的關系GB50057—2010第6.4.7條，要求從戶外沿線路引入雷擊電涌時，電涌保護器的有效電壓保護水平值的選取應符合下列規(guī)定。(1)當被保護設備距電涌保護器的距離沿線路的長度小于或等于5m時，或在線路有屏蔽并兩端等電位聯(lián)結下沿線路的長度小于或等于10m時，應按式(5)計算：(2)當被保護設備距電涌保護器的距離沿線路的長度大于10m時，應按式(6)計算：(3)對于式(6)，當建筑物或房間有空間屏蔽和線路有屏蔽或僅線路有屏蔽并兩端等電位聯(lián)結時，可不計及電涌保護器與被保護設備之間電路環(huán)路的感應過電壓，但應按式(7)計算：由于Ui的計算較為復雜，如果對每一個回路都進行計算，顯然不適合于工程設計使用。因此，對遠離SPD的敏感型負荷，建議在靠近設備處增加一級SPD。與此同時，建議精密設備生產時，其自身也設置過電壓保護單元。2.4SPD的最大持續(xù)運行電壓值SPD的相關電壓參數(shù)除了與被保護對象有關，還與工作位置的標稱電壓有關。配電系統(tǒng)中SPD的最大持續(xù)運行電壓值Uc的最小值應符合表4所示要求。在使用中，當實際電壓幅值存在偏差時，對限壓型SPD應根據(jù)具體情況提高表4規(guī)定的最大持續(xù)運行電壓最小值。三、SPD產品參數(shù)比較前文分析了SPD的電流、電壓參數(shù)，設計中，這些分析計算數(shù)據(jù)最終需要和產品對應起來。不同型號SPD的主要參數(shù)，如表5~6所示。從表5可以看出，表中同一SPD的最大放電電流雷電流Imax均為標稱放電電流雷電流In的2倍。各Ⅱ級試驗SPD的電壓保護水平均小于2.5kV，當SPD的電壓保護水平越低時，其標稱放電電流一般也越小。由表6可知，同一SPD的標稱放電電流雷電流In與沖擊電流Iimp沒有明顯的關系。各Ⅰ級SPD的電壓保護水平均小于2.5kV，其中復合型SPD的電壓保護水平更低。因此，對于同一位置同時對SPD提出既需要較大的泄流能力又需要較低的限壓水平時，可采用Ⅰ+Ⅱ級復合型SPD；當采用獨立式SPD時，則需要考慮增加退耦裝置。另外，應注意由于不同廠家SPD的命名規(guī)則不統(tǒng)一，有的產品以最大放電電流進行命名，有的以標稱放電電流命名，有的甚至以無直接關系且易混淆的數(shù)字命名，設計和施工時容易出錯。因此，在施工交底和后期驗收時應對SPD的指標參數(shù)予以核實。

四、SPD設計應用易錯問題分析及改進措施4.1SPD后備保護選擇GB51348—2019第11.9.11條要求，SPD安裝線路上應設置過電流保護器件，該過電流保護器件應具備如下能力：(1)分斷SPD安裝線路的預期短路電流；(2)耐受通過SPD的電涌電流不斷開；(3)分斷SPD內置熱保護所不能斷開的工頻電流。當后備保護不匹配時，容易發(fā)生誤動作或SPD劣化過流不動作的情況，帶來一定的安全隱患。對于上文提出的第1條要求，應首先確定SPD安裝位置的系統(tǒng)預期短路電流，然后核實后備保護的短路分斷能力是否與系統(tǒng)預期短路電流匹配；對于后兩條要求，工程中為減少設計或安裝差錯形成的安全隱患，建議選擇帶配套后備保護裝置的SPD產品或者SPD與后備保護一體化的產品。4.2SPD的級間配合由于單個SPD很難同時滿足泄流、限壓、反應時間等防護能力指標(復合型SPD按2個SPD考慮)，因此系統(tǒng)中往往需要2個或多個SPD協(xié)調配合使用。通常，上級SPD主要用于雷電流的泄放，而次級SPD主要用于限制系統(tǒng)過電壓。由于SPD自身的構造特性，開關型SPD(如放電間隙)通常用于前端泄放雷電流，其泄流能力更強，但反應速度相對較慢。而限壓型SPD(如金屬氧化物壓敏電阻器)，通常用于設備端限壓，其泄流能力相對較弱，但反應速度更快。當兩級SPD的安裝距離較小時，次級SPD會優(yōu)先導通，而此時大電流會率先從次級SPD流入大地可能導致次級SPD損壞，較高的殘壓導致設備損壞，同時會出現(xiàn)上級SPD沒有及時導通的情況。因此，GB51348—2019第11.9.4條提出，當上級電涌保護器為開關型SPD，次級電涌保護器為限壓型SPD時，兩者之間的線路長度應大于10m；當上級與次級電涌保護器均采用限壓型時，兩者之間的線路長度應大于5m，否則應加裝退耦裝置，或者采用復合型SPD。SPD的級間配合示例如圖3所示。圖3SPD的級間配合示例4.3SPD的極數(shù)選擇SPD產品分為1P、1P+N、2P、3P+N、4P幾種極數(shù)模式，在設計選型時容易被忽視，應依據(jù)GB50057附錄J的要求，根據(jù)系統(tǒng)的接地形式的不同、導線芯數(shù)的不同以及RCD與SPD的相對位置，確定極數(shù)的選擇。限于篇幅，此處不做展開。4.4

SPD的過度設置對于SPD的設置，應根據(jù)被保護設備的需要進行設置。由于SPD長時間在線，其性能會在雷電電涌沖擊以及自身的自然老化作用下逐漸下降甚至失效。劣化后的SPD,其閾值電壓會降低，低阻性則逐步加劇，進而導致持續(xù)漏電流的產生。隨著漏電流的逐漸增加，,就會導致SPD本體溫度逐漸升高，甚至發(fā)生火災，而后備保護也有保護失效的情況。因此，建筑物內的SPD設置并非越多越好。對于中間級配電箱，當不與設備直接相連且上下級配電箱(柜)均設置有SPD保護時，考慮其自身的耐沖擊電壓值為4kV(見表3)，大于上下端配電箱SPD的電壓保護水平Up(≤2.5kV)，故當系統(tǒng)內無造成過電壓的沖擊類負荷時，一般可不設置SPD。對于民用建筑內固定安裝的非智能控制的風機、水泵配電箱，當設備及線路均位于室內LPZ1或LPZ2區(qū)，且前端配電總箱設置有SPD時，考慮其自身的耐沖擊電壓值亦為4kV(見表3)，大于前端配電箱SPD的電壓保護水平Up(≤2.5kV)，其現(xiàn)場配電箱也可不設置SPD。對于住宅、辦公套間內的末端配電箱，盡管末端連接有電腦等電子產品。由于使用者具有配電箱的所有權，但通常無維護SPD的能力。因此，除非有設備升出屋面或高層的側立面安裝，否則通常不建議安裝SPD，而其電涌保護應由在其上級層配電箱內設置的SPD提供。4.5Ⅱ級試驗SPD與Ⅰ級試驗SPD的替換關系在工程應用中，由于I級試驗(10/350μs波形)的SPD相對Ⅱ級試驗(8/20μs波形)的SPD造價通常更為昂貴，且電壓保護水平Up值更大。因此，當系統(tǒng)中預期每一保護模式的沖擊電流計算值較小時，可考慮采用Ⅱ級試驗SPD進行替代。GB51348—2019表11.9.5顯示I級試驗SPD的沖擊電流值Iimp(10/350μs波形)與Ⅱ級試驗SPD的標稱電流值In(8/20μs波形)為4倍的轉換關系。如用標稱電流值為80kA的Ⅱ級試驗SPD替換沖擊電流值為20kA的I級試驗SPD。而GB50057—2010第4.5.4條條文說明提出上述替換倍數(shù)為10倍的關系，如用標稱電流值為20kA的Ⅱ級試驗SPD(最大放電電流雷電流Imax值為40kA)替換沖擊電流Iimp值為2kA的I級試驗SPD。與此同時，文獻[9]及文獻[10]均認為該替換關系為10倍。因此，本文認為該兩種SPD電流參數(shù)的替換關系采用10倍是比較合適的。由于目前國內市場僅有少數(shù)品牌Ⅱ級試驗SPD的標稱電流In值做到了80kA，更多的品牌最大只做到了60kA。因此，本文建議當計算沖擊電流Iimp值(10/350μs波形)小于或等于6kA時，可采用標稱放電電流為10倍沖擊電流值的Ⅱ級試驗SPD進行替代，以節(jié)省造價。當計算Iimp值大于6kA時，建議依然采用I級試驗的SPD。4.6關于在屋面配電箱內開關電源側裝設Ⅱ級試驗SPD的理解GB50057—2010第4.5.4條要求對固定在建筑物外立面或屋面上的用電設備，其配電箱內應在開關電源側裝設Ⅱ級試驗SPD。對執(zhí)行本條的理解如下，當該配電箱設在屋面時，其電源側的電纜也暴露在LPZ0A區(qū)或LPZ0B區(qū)，如果將SPD設置在配電箱母排處，當雷電擊中電源側電纜且主開關斷開時，由于得不到主開關負荷側SPD的保護，電源側電纜可能將較大的雷擊電涌電流引入室內，且雷擊過電壓會擊穿電氣絕緣和損壞主開關。所以，此時應在主開關電源側裝設SPD，以防止直擊雷電流進入建筑物內，并保護電氣絕緣層和主開關。相關示意圖如圖4所示。圖4SPD安裝于屋面配電箱主開關電源側示意圖關于對屋面配電箱裝設Ⅱ級試驗SPD的理解，設計中應根據(jù)實際工程的分流條件進行計算，明確預期雷擊電流是否不大于6kA，以此來確定是否采用Ⅱ級試驗SPD來替代I級試驗SPD。當計算雷電分流較大時，常用的Ⅱ級試驗SPD可能達不到相應的泄流能力，此時應根據(jù)被保護裝置的耐沖擊電壓水平選擇裝設I級試驗SPD或I+Ⅱ級復合型SPD。如果只是為了與上級總進線配電箱處SPD的能量配合，而直接采用Ⅱ級試驗SPD，反而會對系統(tǒng)的安全性不利。

五、智能SPD與SPD監(jiān)控系統(tǒng)目前，國家產品標準要求SPD設置劣化指示，而美國相關標準《防雷系統(tǒng)安裝標準》NFPA780—2017也要求SPD應按產品要求且不超過7個月進行一次周期性檢查。但現(xiàn)實情況往往是，因人工監(jiān)管不便，導致長期疏于對SPD的維護?；诖?，為提高SPD的使用安全且便于維護管理，一種在傳統(tǒng)SPD的基礎上增加監(jiān)測、通訊、后臺數(shù)據(jù)