从热熔化值角度研究低压配电线路熔断器与SPD后备保护器匹配问题

谢宝永 黄柳卿 罗志勇 刘仲达 吴经尊

摘要 安装在配电线路上的熔断器和安装在浪涌保护器前端后备保护器的热熔化值都有各自的选择标准和原则，当两者的热熔化值不匹配时，就不能保证配电线路供电的稳定性和设备的安全性，为此，本文通过研究分析，提出了两者热熔化值匹配的模式和两者热熔化值不匹配的解决方案，为电气设计、安装提供了实际可行的指导性建议。

关键词 热熔化值 熔断器 后备保护器

1.引言

对在低压配电线路中，通常采用熔断器进行配电线路的短路或严重过载保护，为此不少专家学者对熔断器的选择应用多了很多分析和研究[1]。为了把配电线路上的浪涌电流排泄到大地上，使被保护的设备或系统不受冲击而损坏，因此在配电线路上安装电源浪涌保护器（SPD），与此同时，在SPD前端安装后配后备保护器，用以对SPD不能阻断工频短路电流和SPD损坏时后备过电流进行保护，对于SPD前端后备保护器的选用方法也有不少专家学者做了研究[2、3]。但在工程实践中目前还没有人分析低压配电线路熔断器与SPD后备保护器应该如何匹配，本文从低压配电线路熔断器与SPD后备保护器不相匹配的情况下出现的问题开始分析，研究两者如何匹配的方案。

2. 配电线路熔断器与SPD后备保护器不匹配时产生的后果

2.1 低压配电线路熔断器热熔化值的选型原则

熔断器是为了向配电线路提供短路或严重过载保护保护，因此熔断器选择应考虑它的额定电流、时间/电流特性和它的热熔化值。熔断器允通热熔化值（I2t）必须低于导线可能承受的热熔化值值。对于故障持续时间不超过5s，导线的热熔化值耐受值可由下式确定[4]：

I2t=k2S2（1）

式中：S是导线的截面积，单位为mm2；

k是系数，取决于导线材料和绝缘能承受的极限温度。k值根据导线和绝缘不同的组合情况决定。

2.2 SPD后备保护器热熔化值的选型原则

SPD前端的后备保护器是对SPD不能阻断工频短路电流和SPD损坏时后备过电流的进行保护，因此它必须具有低压配电线路熔断器的保护连接SPD的导线能力，同时为了使得SPD正常排泄浪涌电流和限制浪涌电压，后备保护器又必须具有通过一次8/20μs波形的SPD标称电流或者10/350μs波形的SPD冲击电流的能力，已知道浪涌电流的峰值Icrest及其波形，可以按下列公式[5]进行估算浪涌电流的I2t值。

I2t=256.3×（Icrest）2（2）

I2t=14.01×（Icrest）2（3）

其中：Icrest——浪涌电流峰值（kA）；

I2t——单位为A2.s

2.3 配电线路熔断器与SPD后备保护器的热熔化值匹配

在配电线路中，配电线路熔断器与SPD后备保护器安装方式通常如图1所示。

图1 配电线路熔断器器与SPD后备保护器安装示意图

F1——配电线路熔断器，F2——SPD前端后备保护器

如果配电线路熔断器F1（以下简称F1）和SPD前端后备保护器F2（以下简称F2）的热熔化值都按各自的保护要求做选型：

当F1的热熔化值大于F2的热熔化值时，SPD失效而产生后备电流，会使F2首先熔断，从而保护SPD连接导线，而F1不会熔断，而保证配电线路的正常运行，保证供电的连续性。

当F1的热熔化值小于F2的热熔化值时，SPD失效而产生后备电流或SPD连接导线短路电流流经F1、F2，在F2熔断前，F1首先熔断，从而引起了供电中断；另外当配电线路出现SPD能排泄的的浪涌电流时，该浪涌电流的I2t值小于F2的I2t值，而大于F1的I2t值时，虽然能保证了设备免受浪涌电流冲击损坏的可能性，但F1会熔断，同样会造成供电的中断。

从上面分析可知，为了保证供电的连续性，需要选用F1的热熔化值大于F2的热熔化值，但如果为了保证供电的连续性，而刻意选择较小热熔化值的F2，当浪涌电流进入配电系统时，F2熔断，使得浪涌电流不能通过SPD排泄到大地上，SPD就失去了保护设备的作用，无法保证设备的安全，使用电设备遭受浪涌电流的冲击而损坏。

3. 解决问题的措施

如果配电线路熔断器和SPD前端后备保护器的热熔化值不匹配，将会产生两种问题，一是SPD就失去了保护设备的作用，无法保证设备的安全性，二是不能保证供电的连续性。

3.1 保证设备安全性

为了设备不免受浪涌电流的损坏，配电线路中所安装的SPD的冲击电流（Iimp）或标称放电电流（In）是要符合国家规范[5]的要求，因此安装在SPD前端的后备保护器的热熔化值必须大于SPD冲击电流Iimp（10/350μs波形）或者SPD标称放电电流In（8/20μs波形）的热熔化值。因此F2的热熔化值的确定是根据SPD的选型来确定，例如，假设按国家规范要求安装I级试验的电源SPD其冲击电流为20kA，根据式（2），在该SPD前端的后备保护器F2的热熔化值确定如下：

I2t=14.01×（Icrest）2=256.3×202= 102520（A2·s）

因此F2的热熔化值必须大于102520（A2·s）才能保证该电源SPD能起到正常的保护作用，保证设备的安全。如果选择安装热熔化值小于102520（A2·s）的 后备保护器，当20kA（10/350μs波形）浪涌電流进入配电线路时，F2熔断，浪涌电流无法通过SPD排泄到大地而进入用电设备，从而损坏设备。

3.2 保证供电的连续性

配电线路上熔断器热熔化值的选择是根据配电线路的I2t耐受值来决定，当用电设备功率较小，而使用配电导线的截面积较小，从而决定着配电线路上的熔断器的热熔化值也较小，这时就会出现F1的热熔化值小于F2的热熔化值的情况，根据上面分析得知，这种情况的出现，就不能保证供电的连续性。例如，配电线路上采用截面积为2.5mm2多股铜线，按式（1）计算，k值取115[4]：

则I2t=（k×S）2=（115×2.5）2= 82656.25（A2·s）

因此，若配电线路上选择热熔化值为82656（A2·s）的熔断器，当20KA的浪涌电流进入给配电线路时，F1首先熔断，出现供电中断的情况，无法保证供电的连续性，这种情况为配电线路熔断器和SPD前端后备保护器的热熔化值不匹配。但由于两者的热熔化值都不能随意改大或改小，要解决两者不匹配的问题，经过研究分析，我们提出了如下的解决方案：

在配电线路熔断器F1的热熔化值和SPD后备保护器F2的热熔化值都按各自选型原则选择合理的热熔化值的前提下，F1的热熔化值大于F2的热熔化值是属于相互匹配，但如果出现F1的热熔化值小于F2的热熔化值时，会出现供电中断的可能，为了使浪涌电流能顺利流经F2，從SPD排泄到大地，而不损坏设备，也不至于使F1熔断，就必须让浪涌电流在到达F1前排泄到大地上去，所以把SPD与配电线路的连接点设置在F1之前，如图2所示：

图2，将SPD移到配电线路熔断器之前的安装示意图

F1——配电线路熔断器，F2——SPD前端后备保护器

这种安装方式，既可以保证配电线路和设备的安全，又可以保证供电的连续性。如果用电设备产生的过电流或者短路电流，这时F1发生熔断，保护了配电线路和设备。如果是因为SPD损坏或连接SPD导线发生短路儿产生过电流，这时F2发生熔断，不会影响配电线路的供电连续性，如果是外部浪涌电流进入配电线路，浪涌电流首先经SPD排泄到大地，从而避免损坏用电设备。

4结论

从本文上述分析得知，配电线路熔断器的热熔化值和SPD前端后备保护器的热熔化值都有各自的选择标准和原则，按常规的安装模式，当配电线路熔断器的热熔化值大于SPD前端后备保护器的热熔化值是属于两者相互匹配，当配电线路熔断器的热熔化值小于SPD前端后备保护器的热熔化值是属于热熔化值不匹配，这时可能会导致供电中断，出现不能保证供电的连续性情况。如果刻意选用热熔化值小的SPD前端后备保护器，SPD前端后备保护器的热熔化值小于配电线路熔断器的热熔化值，这样会使设备的安全性得不到保障，因此在这种情况下，本文提出了，将SPD安装位置前置与配电线路熔断器前的设计方式，这样既可以保证供电的连续性，又可以保证设备的安全性，为电气设计、安装提供了实际可行的指导性建议。

参考文献

[1] 伍炬能 浅谈10kV配电线路中跌落式熔断器的特性及应用，价值工程，2011年16期

[2] 马双武，保险丝与防雷器件的联合应用，安全与电磁兼容，2004.6：27-29

[3] 李敏，SPD中后备保护器件选用问题的研究，科技创新导报，2010，NO.02：14-16

[4] GB16895.5-2012低压电气装置，北京：中国标准出版社，2012

[5] GB50057-2010建筑物防雷设计规范，北京：中国计划出版社，2011.

作者简介

谢宝永，（1966出生），男，研究生，高级工程师，长期从事建筑物电气电子系统安全检测工作