电源SPD在恶劣雷击环境中的应用效果

2012-12-07李军正陆力源陆炳权吕先金

浙江气象 2012年4期

李军正陆力源陆炳权吕先金

(1.台州市气象局，浙江椒江318000;2.台州市椒江区气象局，浙江椒江318000)

0 引言

电涌保护器(Surge Protective Device)简称SPD，是用于限制瞬时过电压和分泄电涌电流进行保护设备的器件，同时也是等电位连接中的重要器件，其作用是将不能直接参加等电位连接的带电体使用SPD与接地装置连接。主要用在低压配电系统和信息系统中，对雷电过电压、电气系统操作过电压、雷击电磁脉冲方面进行防护。

防雷工作实践中发现，大部分的设备雷电灾害事故是由雷击电磁脉冲(含闪电电涌和辐射电磁场)侵入形成雷电暂态过电压造成的，而且呈逐年上升的趋势。对此，常用的防护措施是屏蔽、等电位和安装SPD，其中等电位和安装SPD在电子信息系统防雷改造工程中是最有效、最方便的措施。处在恶劣雷击环境中的临海市青岭收费站的防雷改造工程就是一个典型的实例。

1 项目基本概况

104国道临海青岭收费站所处的环境如图1所示:东面为灵江水系、西南面到西北面被山体环抱，小山顶上还矗立着高压输电线路、通讯基站等多个高大铁塔。防雷规范中明确指出江湖边上、山坡下、土山顶部、山谷风口、特别潮湿处，以及山顶上或旷野处的孤立建(构)筑物都是最易遭受雷击的区域，而收费站这样的特殊地理环境无疑使之大大增加了雷击概率。临海青岭收费站所在地，2011年全年共有21个雷暴日，但收费站GPS定位与浙江省雷电监测定位系统监测数据显示:2011年收费站周围5 km范围内地闪共有670个，最大正负地闪强度分别为64.6和－128.9 kA，其地域地闪分布状态如图2所示。

据介绍，收费站从2006年7月起的短短1年多的时间里，在其周边区域就多次发生强闪电落地现象，并且经常造成配电房的电源跳闸、收费设备损坏、工作人员胆战心惊的情况，严重影响收费工作的开展。

2 项目设计方案

2.1 增设直击雷防护设施

如图1所示，两块广告牌的高度与办公楼屋脊高度相当，但超过收费棚高度，它们的直击雷防护措施此前已通过验收。考虑到收费站附近区域在雷雨季节经常发生云地闪现象，为了尽量不让雷电直接击在收费棚和办公楼屋顶，在收费棚南边广告牌的一根钢构立柱上设置主动式提前预放电接闪杆。

2.2 内部防雷措施改造

此项目属于改造工程，因此业主单位只同意对配电房、办公楼的电源安装SPD的改造方案，对其它方面的防雷设施均不考虑改造。

2.2.1 第一级电源SPD

由于配电房经常因雷击而跳闸，因此在配电房的低压侧配电屏上安装通流容量较大的SPD，其模式为4P(如图3)，单个模块的技术参数为:最大持续运行电压Uc=385 V，最大冲击电流Iimp=25 kA，电压保护水平Up＜4.0 kV。

图3 第一级SPD安装图

2.2.2 第二级电源SPD

在办公楼的每个楼层配电箱总进线处安装一组SPD，作为第二级电源保护。SPD选用8/20μs波形的产品，其模式为4P(如图4)，单个模块的参数为:最大持续运行电压Uc=385 V，最大放电电流Imax=60 kA，标称放电电流In=30 kA，电压保护水平 Up＜2.0 kV。

图4 第二级SPD安装图

2.2.3 第三级电源SPD(设在中心机房内)

收费站的中心机房位于办公楼二层西面房间(也就是靠近收费亭的位置)。机房内有1套UPS供电设备、1个小型的金属设备机柜、1个视频监控台，其中金属设备机柜中放置视频监控设备和收费系统设备。

由于UPS除了向机房内的弱电设备供电外，同时还向收费亭内的弱电设备供电，因此安装在UPS前端的电源SPD通流容量不能过小。SPD仍然选用8/20μs波形的产品，其模式为2P(如图5，最左边的是有声报警模块)，单个模块的参数为:最大持续运行电压Uc=385 V，最大放电电流Imax=40 kA，标称放电电流In=20 kA，电压保护水平 Up＜1.5 kV。

图5 第三级SPD安装图

2.3 等电位及接地

办公楼为3层框架结构，中心机房位于二层，在机房的内立柱主筋中引出接地端子，并对机房内的设备金属柜、金属视频监控台、防静电地板金属支架等金属物体，以及电源线路PE线采取等电位接地措施。

3 电源SPD的参数选定过程和依据

设计方案中对电源线路SPD的选取是按照GB 50057—94《建筑物防雷设计规范》(2000年版)、GB 50343—2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》的要求，并综合考虑了现场实际环境因素。

1)电源总配电箱处SPD冲击电流值Iimp的确定。

根据GB 50057—94《建筑物防雷设计规范》(2000年版)，确定收费站为二类防雷建筑，雷电流幅值为150 kA;无屏蔽层的电力线从室外架空进入配电房，配电方式为为TN－C系统，且无其它管线进入配电房，则每个SPD通过的电流为i=150/2/3=25 kA。

因此选用I级分类试验的SPD时，其冲击电流Iimp≥25 kA(10/350μs)。

2)SPD的电压保护水平UP要小于相应位置设备的绝缘耐冲击过电压额定值UW(表 1)。

表1 配电线路各种设备绝缘耐冲击过电压额定值U W

3)在民用建筑的380/220 V供电系统中，SPD最大持续运行电压Uc最小值应符合表2要求。

由于我国的380/220 V的供电系统存在着允许供电电压偏差超过额定电压的10%和谐波使电压幅值加大的情况，以及在TT供电系统中，相线对地线的最高持续故障电压可能达到标称电压220 V的1.55倍，因此应根据具体情况提高SPD的Uc值。

4)电源SPD两端引线的截面积大小应按照不小于表3的要求进行施工。

表2 SPD最大持续运行电压U C最小值规定

表3 SPD连接铜导线最小截面积

4 SPD在雷击事件中的实际应用效果

本工程于2007年12月18日进行现场勘测，12月25日双方同意设计方案并签署合作协议，2008年1月10日工程完工。在这长达4年多的时间里仅仅接到过一次雷击损坏设备事故报告。事后确认这次雷击造成设备损坏的位置均是信号端口。

雷击事故发生在2010年7月10日15时左右，12日上午接到通知，13日上午与雷击事故调查人员一同赶往现场。

1)据当事人描述，雷击时看到一个火球直接击中收费棚处，产生强烈火光，雷声极大;收费亭内多名收费员有身体发麻的感觉，并受到严重惊吓，幸好并无其他大碍。

针对雷击位置问题，分析认为应该是提前预放电接闪杆发挥作用。现场用剩磁测试仪在安装有提前预放电接闪杆下的广告牌钢构立柱上检测出的剩磁数据为0.65 mT。

2)据机房负责人介绍，这次雷击事故发生后，配电房和办公楼内的电源均未出现跳闸现象，经检查SPD也未损坏。但是中心机房内的控制收费系统的一台服务器和一些辅助小设备受损、两个收费岗亭内的终端设备受损，致使收费站一段时间内停止收费工作。由于所有受损设备均被厂方拿回去修理，现场无法看到具体受损情况。

为了确定受损设备的具体损坏位置，雷击事故调查负责人现场与厂方技术人员通话确认，对方明确告知设备损坏的位置均为信号端口，电源端口完好无损!

另外，据收费站负责人介绍:就在“7·10雷击事故”的前几天还发生了雷击山顶高压输电线路事故，造成位于如图1所示的高压输电铁塔处的高压变压器烧毁，但收费站只是配电房跳闸、办公楼各个配电箱中的断路器(含SPD前端的断路器)断开，设备和SPD均安然无恙。其实山顶上的高压输电铁塔离收费站不到500 m的距离，出现这么严重的雷击事件却无任何损失，这在实施防雷工程之前是难以想象的事情!

由此可见，本工程中设置的电源SPD在雷击电磁脉冲防护方面发挥了重要作用，确保了被保护设备的安全运行。