智能建筑物供配电系统中电涌保护器的配置

王 艳

（中国能源建设集团天津电力设计院有限公司，天津300400）

水电站

智能建筑物供配电系统中电涌保护器的配置

王 艳

（中国能源建设集团天津电力设计院有限公司，天津300400）

电涌是由雷电、电源切换及大型设备开、关操作导致的瞬态过电压，可造成敏感电气设备的一次性损坏和提前老化。通过对低压配电系统接地方式的介绍及电涌对电子系统设备的潜在危害性分析，在智能建筑物供电电源系统设计中应结合相应接地系统对电涌保护器进行配置。

电涌；电涌保护器（SPD）；接地方式；防雷接地；统一接地体

1 低压配电系统的接地方式

低压配电系统，电压一般为380/220V，我国广泛采用中性点直接接地的运行方式，设置中性线N和保护线PE。TN系统、TT系统、IT系统为常用的接地方式。电气系统接地的主要作用是防止发生触电事故，保证人身安全以及给雷电电流提供一个低阻抗通路，使雷电电流安全地流入大地而不造成危害。低压配电系统接地在建筑物供配电设计中占有非常重要的地位，智能建筑物低压配电系统宜采用TN-S系统。

TN系统电源端有一点直接接地，电气装置的外露可导电部分通过保护中性导体或保护导体连接到此接地点。根据中性导体和保护导体的组合情况，TN系统又分为TN-S、TN-C、TN-C-S方式［3］：

1.1 TN-S系统

整个系统中保护导体与中性导体是分开的［3］，即是一个三相四线加一个PE线的接地系统，如图1。

图1 TN-S系统

1.2 TN-C系统

整个系统中保护导体与中性导体是合一的，PEN线是严禁断开的，如图2。

图2 TN-C系统

1.3 TN-C-S系统

TN-C系统和TN-S系统两个接地系统组成，在整个系统中PE线与N线是部分合用的，分界面在N线与PE线的连接点。保护PE线与中性N线分开后就不能再合二为一，如图3。

图3 TN-C-S系统

2 智能建筑物供配电系统的电涌来源

电涌又被称为瞬态过电压，是电路中出现的一种瞬间（一般为百万分之一秒）的电流、电压波动。

智能建筑物弱电系统的电涌一般来自系统外部和内部，主要来源有以下几个方面：

2.1 雷电电涌

雷电击中电力线路或通信数据线路，放电回路瞬间通过线路流过巨大的雷电流，并以光速向线路两端涌去，在线路上产生很高的直击雷过电压，直接破坏相连的敏感电气设备。

雷电没有直接击中电力线路或通信数据线路，但导线上产生了大量失去雷云电荷束缚的自由电荷，迅速向线路两端涌去，出现很高的感应过电压，侵入建筑物内部，危害敏感电气设备。

2.2 操作电涌

电力公司的大型公用输电网开关的关合操作，会在线路上产生操作过电压，破坏与之相连接的重要电气设备。

系统内部的电涌，80%以上均产生于建筑物内部的电气设备。如电焊机、空气压缩机、空调、电梯、泵、复印机等电感性负荷的频繁启停。

3 电涌的主要危害

3.1 对电子系统产生危害

建筑物防雷设计规范把由敏感电子组合部件构成的系统定名为电子系统。根据统计数据，近年来由雷电造成的电子系统损坏呈上升趋势。电子系统对雷击电磁脉冲敏感度高，反应速度快，耐瞬态过电压、过电流能力很低，且设备昂贵，当电流、电压超出其承受的范围后，会造成硬件和软件的故障，损失大，甚至还可能造成人身伤害。

3.2 对电子系统中信号线、信号接口产生危害

随着现场总线、网络交换机、通信交换机的大量应用，电涌可能通过引下线、侧击雷及地电位环路等复杂方式绕过上级保护装置，通过通信线路对通信接口包括以太网接口、现场总线接口、同轴电缆接口、程控交换机接口、通讯接口及通讯设备造成损坏。

3.3 对电气系统产生危害

电气系统是由低压供电组合部件构成的系统，也称低压配电系统或低压配电线路［1］。电气系统中的断路器、负荷开关、熔断器等电气设备的选择主要考虑短路时的过电压和过电流值，而电涌产生的过电压和过电流远大于设备的额定耐受值，从而造成电气设备误动作及损坏等后果。

在智能建筑物内，要求保护接地的设备非常多，有强电设备、弱电设备及一些正常情况下不带电的导电设备与构件，必须采用等电位连接、保护接地及各种功能接地。在正常情况下，各接地极间电位差为零，当电涌电流流入时，电位突升，通过接地系统对电气设备造成危害。

3.4 对UPS不间断电源产生危害

大型计算中心、网络中心、大型通信枢纽、银行、通信、导航、雷达、监控系统等重要场所均设置有UPS不间断电源，UPS能为电子系统内的敏感设备提供高质量，持续可靠的供电电源，保障了电子系统的持续安全运行，当UPS受到电涌损坏时可能导致电子系统瘫痪，严重时可能引发安全事故。

4 电涌保护器的配置

4.1 智能建筑物电子及电气系统防雷设计的必要性

雷害对象不仅仅是建筑物本身，还包括了建筑物内大量的电气、电子系统设备，这些设备由于灵敏度高，耐压值低，很容易受到感应雷电所形成电磁脉冲的干扰。所以，电涌是电气工程设计中不可忽视的重要因素，因此在国家防雷规范中，加进了电涌保护器（Surge Protective device，以下简称SPD）的选型，利用SPD的非线性特性限制瞬时过电压和分走电涌电流达到保护电气、 电子系统设备的目的［1］。GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》详细规定了电气、电子系统选用SPD的要求。

建筑物内部所安装的电气设备和微电子设备越来越多，越来越昂贵。除了设备本身的价值外，其重要性、不可间断性及运行所产生的价值无疑更重要、更昂贵，电子及电气系统防雷设计也更加重要。

建筑物电子及电气系统防雷是一个系统工程，必须综合考虑：①要防护直击雷；②要防闪电电磁脉冲。综合防雷设计就是将外部防雷装置和内部防雷装置作为整体统一考虑。

4.2 电涌保护器配置原则

（1）在建筑物的进线入口处即主配电盘上安装电涌保护装置，作为第1级保护，在分配电盘及配电箱上安装电涌保护装置，作为第2级保护。同一线路上游和下游的SPD应做好能量上的配合。

（2）电子及电气系统前加装电涌保护装置，选择SPD时应考虑其类型、功能、性能参数、信号传输方式、接地要求、安全性等因素。

（3）电子系统中信号线、信号接口前应加装电涌保护装置，对于大型的、重要的电子系统的信号线路，应设置智能型SPD及其监控系统。

（4）在UPS不间断电源前应加装电涌保护装置。

4.3 加装防电涌保护装置的技术要求

（1）被保护设备额定冲击耐受电压应等于或大于电涌保护器的有效电压保护水平。

（2）防电涌保护装置（SPD）应尽量靠近被保护的设备，连接线尽量短，SPD级联安装时，通过选择SPD的通流量、响应时间、安装位置来实现SPD之间和SPD与被保护设备之间的配合。

（3）对于大型重要的电气、电子系统，应设置智能型SPD及其监控系统。

（4）加装SPD后应确保原系统工作正常。

4.4 供电电源系统的SPD设计

按电气、电子系统的重要性、使用性能和价值确定防护等级，划分为A、B、C、D级。供电电源系统的SPD应根据电气、电子系统的防护等级采用不同的防护措施：

（1）A级应采用4级SPD进行保护，最后一级应采用多级集成SPD；

（2）B级应采用3级SPD进行保护，最后一级应采用多级集成SPD；

（3）C级应采用2级SPD进行保护；

（4）D级应采用1～2级SPD进行保护。

供电电源系统各级SPD选用取决于SPD之间、SPD与被保护设备之间的能量配合，各级限压型SPD之间的线路长度不小于5m，开关型与限压型之间的线路长度不小于10m，否则应在其间加退耦器件。智能建筑物安装很多重要的电气、电子设备，应当在电源进线处（TN-S系统或TN-C-S系统）和电子设备供电处根据设备耐过压的能力装设多级SPD。

图4～图5为TN-C-S、TN-S两种接地系统电源电涌保护器SPD安装图。

图4 TN-C-S系统电涌保护方式

图5 TN-S系统电涌保护方式

“1级SPD”设置在总配电柜开关下口，通流容量要求：8/20μs 100kA，对经由大厦电源进入的电涌进行抑制。“2级SPD”设置在分配电柜开关下口，通流容量要求：8/20μs 40kA。 “3级SPD”加装在重要设备配电系统或工作电源前，通流容量要求：8/20μs 5～20kA，一般在有消防控制中心、设备监控室、程控交换室、安保监控室等楼层的配电盘或进入监控室的配电柜上安装。

5 结语

（1）当智能建筑物低压配电系统采用TN系统时，应采用TN-S或TN-C-S系统的接地方式，电子信息系统配电线路必须采用TN-S系统的接地方式，并且共用一个总接地装置。

（2）电源SPD的选用要严格按BG50057-2010《建筑物防雷设计规范》要求进行防雷设计，避免雷击及雷电过电压防护不当造成线路电涌损失，同时建筑物必须将外部防雷装置和内部防雷装置统一考虑，最终将电涌对电气、电子设备的破坏降到最低，最大限度地避免由此带来的损失。

［1］GB50057—2010，建筑物防雷设计规范［S］.

［2］DB/T29-58—2010，雷电电磁脉冲建筑防护标准［S］.

［3］GB 14050—2008，系统接地的型式及安全技术要求［S］.

［4］钦林学.供电系统中电涌保护器的设置和选用［J］.煤炭技术，2007（12）.

［5］叶蜚誉，史有德，沈立棠.建筑物电源电涌保护设计若干问题［J］.电气工程应用，2003（1）.

［6］史子龙.电涌保护器在低压配电系统中的应用［J］.中国石油和化工标准与质量，2011（12）.

The configuration of surge protection device of power supply system in intelligent buildings

WANG Yan
（Chinese Energy Construction Group Tianjin Electric Power Design Institute Co.Ltd,Tianjin 300400,China）

Surge is by lightning， power switching load and some other large equipment， leading to transient overvoltage，can cause sensitive electrical equipment of one-time damage， disorder and premature aging.In this paper， the grounding of the low-voltage distribution system type，as well as the introduction to the surge of expensive electrical equipment potential hazards of analysis，in electrical engineering design should be combined with the corresponding grounding system，of SPDs in intelligent building power supply system configuration.

surge；surge protection device （SPD）；grounding type；grounding for lightening；unified grounding body

TM7

B

1672-9900（2015）06-0086-04

2015-09-23

王 艳（1972-），女（汉族），陕西户县人，高级工程师，主要从事电气设计及管理工作，（Tel）13920765667。