电涌保护器后备保护装置的选用原则

2015-03-22黄丽雄王宏民北京ABB低压电器有限公司北京0076ABB中国有限公司北京0005

现代建筑电气 2015年10期

黄丽雄, 王宏民[.北京ABB低压电器有限公司, 北京 0076； .ABB(中国)有限公司, 北京 0005]

电涌保护器后备保护装置的选用原则

黄丽雄1, 王宏民2
[1.北京ABB低压电器有限公司, 北京 100176； 2.ABB(中国)有限公司, 北京 100015]

低压配电系统的防雷保护中广泛地使用电涌保护器。电涌保护器在使用过程中有可能出现突然的短路故障,而此时电涌保护器内置脱离器无法快速断开安装点的短路电流,故必须安装后备保护装置以确保低压配电系统安全、可靠的运行。依据国内外标准对于后备保护装置的要求并结合实际试验结果,给出后备保护装置的选用原则,以供电涌保护器制造商和相关用户参考。

电涌保护器；短路故障；后备保护装置；低压配电系统

0 引言

高敏感性、低抗扰度电子电气设备的广泛使用,对低压配电系统的瞬态过电压的防护提出了更高的要求,故电涌保护器(Surge Protective Device，SPD)的使用也日益广泛。

SPD在使用过程中均可能出现短路故障。电压开关型SPD在电涌电流流经后,会出现工频续流,如果该续流电弧未能自行遮断,将造成SPD短路失效。电压限制型SPD在各种外加电应力及外界因素作用下,其性能和参数会发生变化,流经的泄漏电流逐渐增大,严重时出现击穿现象,造成短路故障,如果故障不及时切除,SPD因过热将导致起火甚至爆炸,直接影响配电系统的可靠运行。

由于存在上述的安全隐患,SPD前端必须安装或配备相应的切除短路故障的保护装置,即需要配置后备保护装置,一般选用断路器或熔断器。

1 IEC和国家标准对SPD后备保护的要求

GB 18802.12—2014《低压配电系统的电涌保护器(SPD)》和IEC 61643-12:2008要求,SPD和过流保护器或者剩余电流动作保护器(Residual Current Protective Device,RCD)配合时,在标称放电电流In下,建议过电流保护器或RCD应不动作。然而,当电流比In大时,则可以动作的;对于可复位过电流保护器,如断路器,不应被这种电涌损坏。对于开关型SPD,除非其熄灭值为安装点预期短路电流的续流时,否则不需要与上一级的SPD过电流保护器配合。同时,标准提供了一种基于I2t值进行后备保护的选取方法,但仅提供了熔断器的一个配合表。

GB/T 21431—2008《建筑物防雷装置检测技术规范》要求,安装在电路上的SPD,其前端应有后备保护装置过电流保护器。如使用熔断器,其值应与主电路上的熔断电流值相配合,即应当根据SPD产品手册中推荐的过电流保护器的最大额定值选择。如果额定值大于或等于主电路中的过电流保护器时,则可省去。

GB 18802.1—2011和IEC 61643-1:2005要求,若制造商声称过电流保护装置的最大额定值,那么过电流保护装置需要随SPD进行以下试验。

(1) 动作负载试验。对于I类试验SPD的后备保护装置,需要承受值为In或冲击电流Ipeak(两者取较大值)的15次8/20 μs正极性冲击电流,以及0.1、0.25、0.5、0.75、1.0倍的Ipeak的10/350 μs冲击波形各一次;对于Ⅱ类试验需要承受值为In的15次8/20 μs正极性冲击电流,以及0.1、0.25、0.5、0.75、1.0倍的Imax的8/20 μs冲击波形各一次;对于Ⅲ类试验需要承受值为In的15次8/20 μs正极性冲击电流,以及0.1、0.25、0.5、0.75、1.0倍的Uoc的1.2/50 μs开路电压正负各一次。在动作负载试验中,各类SPD的后备保护装置不应动作,试验后应处于正常工作状态。

(2) 短路耐受能力试验。在试验中SPD及其后备保护装置需进行声明的短路耐受能力试验(试验电流为Ip)和低短路电流试验(试验电流为最大过电流保护额定电流的5倍或300 A,两者取较大值);对于电压开关型SPD,其工频续流值Ifi低于声明的短路耐受能力时需进行补充试验,试验过程中后备保护装置应能及时地切断相应的短路电流,以保证SPD在试验中不损坏或安全地失效。

(3) 由高(中) 压系统故障引起的暂时过电压(TOV)下的试验。若制造商声称的为耐受模式,则试验过程中后备保护装置应不动作;若为故障模式,后备保护动作与否均可,但SPD应安全地失效。

现有标准中对SPD后备保护装置的要求不尽相同,同时存在不完整的方面,而一些制造商后备保护推荐方案也不够详细。GB 18802.12—2014和GB 18802.1—2011中对于后备保护装置的冲击电流耐受的要求不同,GB 18802.12—2014中仅要求在In及以下冲击电流下后备保护装置不动作,而GB 18802.1—2011中要求在Imax或Ipeak冲击下也应不动作。

在最新的IEC 61643-11:2011(代替IEC 61643-1:2005和GB 18802.1—2011)低压配电系统用SPD产品标准中,Ⅰ类和Ⅱ类试验SPD的动作负载试验仅在In下进行,Ⅲ类试验SPD仅在Uoc下进行,只是Ⅰ类试验需要进行冲击序列为0.1、0.25、0.5、0.75、1.0倍的Iimp的附加负载试验。

综上所述,SPD后备保护装置的基本要求应是能承受相应的冲击电流或者冲击电压而不动作,能及时地切除SPD出现短路故障时的故障电流。

2 试验内容

2.1 断路器冲击电流耐受能力的试验

2.1.1 试验背景

SPD后备保护装置一般是断路器或者熔断器。断路器用于SPD的后备保护装置时,具有可重复使用(即因故障断开后不必更换器件)、遥控遥信、冲击电流耐受能力强等优点,但电涌电流流过时残压较高,而熔断器的残压较低,故动作后必须进行更换,以免影响保护的可靠性。

熔断器是通过熔断一个或几个成比例的特殊设计的熔体分断过电流,并由此断开其所接入电路的装置。其I2t特性应满足以下要求:弧前I2t值不应小于规定的相应值,熔断I2t值不应大于规定的相应值。因此,IEC 61643-12:2008中提出了基于I2t值进行熔断器作为后备保护的选取方法。

断路器能接通、承载和分断正常电路条件下的电流,也能在规定的非正常条件下接通、承载一定时间和分断电流。在断路器的IEC标准和国家标准中均未对断路器的I2t值做出要求。实际上,各个品牌断路器的I2t值也有着较大的差异。断路器能通过的I2t值也随着外加预期短路电流值的不同而不同。同时,相较熔断器,断路器的动作机理更复杂,包括热脱扣、磁脱扣和电动斥力。

为了研究断路器选取以及其在冲击电流下的动作机理,设计了测试断路器冲击电流耐受能力的试验。

2.1.2 试验方案

依据GB 18802.1—2011的动作负载试验,设计了下面试验方案,以测试不同品牌、不同脱扣特性断路器的耐受冲击电流能力,即SPD 的最大放电电流值Imax和标称放电电流值In。

由于GB 18802.1—2011动作负载试验中,比In大的冲击仅有2次,故断路器在施加2次相同冲击电流情况下所能承受的最大电流峰值为其Imax值;同样地,断路器在施加15次相同冲击电流情况下所能承受的最大电流峰值为其In值。试验样品:品牌A的B特性和C特性断路器;品牌B的C特性断路器和隔离开关。需要指出的是,试验所选不同品牌的断路器结构设计有较大的差异,尤其是动静触头的设计,其I2t值也不相同,且同一个预期短路电流下相同电流等级的品牌A的I2t值比品牌B的低。另外,同品牌不同电流等级的不同特性产品动静触头结构是一样的,不同的是磁脱组件和热脱组件。品牌B隔离开关的机构与品牌B断路器的机构相同,仅仅取消了磁脱扣和热脱扣,其冲击电流下的动作仅靠电动斥力。

耐受电流值试验程序如图1所示。

图1 耐受电流值测试程序图

确定耐受最大放电电流值时,时间间隔按照GB 18802.1—2011动作负载试验的要求进行;确定耐受标称放电电流值时,时间间隔按照GB 18802.1—2011动作负载预处理试验的要求进行。

2.1.3 试验数据

试验测得品牌A的B特性和C特性断路器耐受的Imax和In值分别如图2、图3所示。

图2 品牌A的耐受Imax值对比图

图3 品牌A的耐In值对比图

品牌A和品牌B的C特性断路器耐受的Imax和In值分别如图4、图5所示。

图4 品牌A和品牌B的C特性断路器耐受Imax值对比图

图5 品牌A和品牌B的C特性断路器耐受In值对比图

品牌B的C特性断路器和隔离开关耐受的In值如图6所示。

图6 品牌B的C特性断路器和隔离开关耐受的In值对比图

2.1.4 试验数据及结果

(1) 由图2、图3可知,不同特性的产品,在电流等级相同情况下耐受冲击能力差异不大;同结构的断路器额定电流增大,I2t值增大,其耐受冲击电流值也有随之增大的趋势。

(2) 由图4、图5可知,不同设计结构的产品,在电流等级相同情况下耐受冲击能力有较大差异;不同产品,I2t值大的其耐受冲击能力值并不一定大。

(3) 由图6可知,断路器在冲击电流下的动作不仅仅与动静触头间的电动斥力有关。

2.2 断路器低短路电流能力的试验

2.2.1 试验背景

GB 18802.1—2011要求,如果制造商声称过电流保护装置的最大额定值,需要进行低短路电流的试验,试验电流为5倍的过流保护装置的额定值,电流施加时间为5 s。

目前,绝大多数制造商声称的后备保护装置为C特性断路器。断路器的标准要求C特性断路器在5倍额定电流下0.1 s内不动作。实际上,绝大部分的C特性断路器所声称的动作时间从1 s到20 s不等。在该试验电流下,即使是实际的低短路电流情况下,如果后备保护断路器不动作,则要求SPD本身能够耐受相应的电流或者内置脱离器能够断开电流。但由于SPD的设计多种多样,有的SPD内部不具备内置脱离器,或者内置脱离器的设计不足以断开相应的电流。所以,从实际安全考虑,后备保护断路器在短路情况下应该是越早动作越好。

2.2.2 试验方案

(1) 测试5倍额定电流条件下,不同品牌、相同电流等级、相同脱扣特性断路器的动作时间。

(2) 测试气体放电管的电弧遮断时间。

(3) 按GB 18802.1—2011中低短路电流能力的试验,进行不同SPD和不同脱扣特性断路器配合的试验。

2.2.3 试验数据

试验1:测得品牌A和品牌B的B特性及C特性断路器在5倍额定电流值情况下的动作时间,如表1所示。

表1 断路器在5倍额定电流值下的动作时间

试验2:测试气体放电管的电弧遮断时间均在半个周波内,即时间少于10 ms。

试验3:具体样品情况及试验结果如表2所示。

表2 具体样品情况及试验结果

注:SPD的氧化锌陶瓷体由同尺寸铜块替代。

2.2.4 试验数据/结果

(1) 在低短路电流试验中,B特性和C特性断路器均能够满足要求,但B特性能够更快地断开短路电流。

(2) 开关型SPD电弧遮断时间与B型断路器的磁脱扣时间相近。

3 结语

依据IEC和国家标准针对SPD后备保护装置的要求以及试验数据/结果,得出结论如下:

(1) 由于断路器在冲击电流下的动作机理不仅仅是动静触头的电动斥力,且其冲击耐受能力与I2t值并不直接相关,故选择断路器作为后备保护装置时不宜以I2t值作为唯一参考依据,而应以实际的试验验证为准。

(2) 由于不同设计结构的断路器在相同脱扣特性及额定电流等级下的冲击电流耐受能力具有较大的差异,故制造商声称的后备保护器型号不应笼统地给出断路器的额定电流值和脱扣特性,而应该明确产品的品牌甚至给出具体型号。

(3) 由于C特性的约定瞬时脱离器不脱扣电流倍数比B特性的高,鉴于短路时应更快速地切断故障电流,认为在能够满足冲击耐受能力和分断安装点预期短路电流的前提下,B特性断路器更适用于电压限制性SPD的后备保护装置。为了防止冲击电流后电压开关型SPD的续流引起的误动作,B特性断路器不建议用作此类SPD的后备保护装置。

[1] GB 18802.1—2011 低压电涌保护器(SPD) 低压配电系统的电涌保护器性能要求和实验方法 [S].

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[6] GB/T 21431—2008 建筑物防雷装置检测技术规范[S].

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[9] 李敏.SPD中后备保护器件选用问题的研究 [J].科技创新导报,2010(2):14-17.

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[11] 周茂祥,张吉林.低压电器设计手册[M].1992.

[12] GB 14048.1—2012 低压开关设备和控制设备总则[S].

Selection Principles of Backup Protection Device for Surge Protective Device

HUANG Lixiong1, WANG Hongmin2

[1.ABB Low Voltage Installation Materials Co., Ltd., Beijing 100176, China;2.ABB(China) Co., Ltd., Beijing 100015, China]

Surge protective device (SPD) is widely used in the lightning protection of the low voltage power distribution system.In the process of using SPD,the short circuit fault may occur.But at this time,SPD internal disconnector can’t quickly disconnect the short circuit current at the mounting point.Therefore,the installation of the backup protection device is necessary for ensuring the safe and reliable operation of the low voltage power distribution system.Based on the requirements of backup protection device in the domestic and international standards and integrating the actual testing results,the selection principles of backup protection device were given.It can provide references for the SPD manufacturers and relevant users.

surge protective device(SPD); short circuit fault; backup protection device; low voltage power distribution system