低压电源中电涌保护器后备过电流保护器的选择分析*

2016-08-24殷春生罗国华朱延爱裘文君

现代建筑电气 2016年6期

关键词：电涌熔断器保护器

殷春生,　罗国华,　朱延爱,　裘文君

(杭州市富阳区气象局, 浙江杭州　311400)

低压电源中电涌保护器后备过电流保护器的选择分析*

殷春生,罗国华,朱延爱,裘文君

(杭州市富阳区气象局, 浙江杭州311400)

在防雷设计中,不仅要关注电涌保护器的安全性能,通常还要为其配置后备过电流保护器。介绍了低压电源系统存在的电压异常情况,在考虑电涌保护器安全性能的基础上,从相关标准要求、试验情况及工程实践经验方面分析了后备过电流保护器的选择,并给出过电流保护器选择的合理建议,可为电气设计人员提供参考。

低压电源; 电涌保护器; 过电流保护器; 小型断路器; 失效模式

0　引　言

低压电源系统中的电涌保护器(Surge Protective Device,SPD)在工作期间,需要承受电源系统上的各种电压,并有可能导致危险。限压型SPD失效模式主要以短路为主,通常在防雷设计中均会为其配置后备过电流保护器[1-4]。因后备过电流保护器所在位置的特殊性,所以选择的后备过电流保护器应具备两种功能:可以承受所在位置的电涌电流,不会因电涌电流的冲击而引起频繁断开;在SPD失效时应及时从供电线路断开,避免由于SPD短路引起主回路万能式断路器断开而导致的设备断电情况出现。过电流保护器的这两种功能互相矛盾,因通常情况下过电流保护器在短路情况下分断速度越快,其额定电流越小,同时额定电流越小,过电流保护器的电涌承受能力越低。因此,为电涌保护器选择合适的后备过电流保护器是目前防雷行业的一个难题。

1　低压电源系统存在的电压异常情况

SPD长期安装在电源线路上,除了需要抑制小概率事件的雷击过电压之外,长期承受低压电源系统的工作电压。当低压电源系统中的送、配电设备发生故障或用电设备的运行状态发生变化时,电源系统的工作电压会发生波动。金属氧化物圧敏电阻(MOV)器件是一种电圧敏感电器,工作电压的变化会引起产品性能的变化,甚至引发安全性事故。

1.1中高压电源系统故障导致的过电压

对于低压电源系统,常见的电源系统故障是供电系统最末一级10 kV/0.38 kV变圧器内部发生高压接地故障,如图1所示。

图1　10 kV/0.38 kV电源系统故障情况

在小接地电阻的供电系统中,由于上一级变压器采用小接地电阻的接地方案,会通过故障变压器大地与上级变压器的小电阻接地装置输电线路形成很大的故障电流。该故障电流在流过最末一级变压器的接地线时,会因为接地电阻的存在引起变压器外売电位的大幅升高。由于低压电源系统的各相线电压以外壳电位为基准,导致整个三相电源系统对地电位大幅升高。故障会引起连接在低压电源系统中所有设备的相线与地线之间的电压大幅增加,而相线对中性线之间的电压仍保持正常。连接在低压电源系统相线和地线之间的SPD受到严重的影响。

1.2低压电源系统故障导致的过电压

低压电源系统常见的另外一种故障是中性线缺失(见图1)。连接到用户设备的电源线路从末端变压器接出,在故障情况下中性线端子从连接处脱落,造成电源系统无中性线,连接在相线和中性线之间的设备得到的电压不一样,完全由电源系统连接设备的阻抗决定。

2　SPD后备过电流保护的相关标准要求

GB 18802.12—2014(IEC 61643.12)《低压电涌保护器(SPD) 第1部分:低压配电系统的电涌保护器性能要求和试验方法》[5]第6.2.4.3条规定:“当SPD和过电流保护器或剩余电流动作保护器(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,过电流保护器动作是可以的。对于可复位过电流保护器,如断路器,不应被这种电涌损坏”。在上述条款的“注1”中写明,“在能遭受大电流的地方,如果In大于过电流保护器所在的位置的实际耐受能力,过电流保护器件动作电流可比In低,在这种情况下SPD标称放电电流的选择取决于电涌性能。”

GB 50689—2012《通信局(站)防雷与接地工程设计规范》[6]第9.2.6条规定:“在电源SPD的引接线上,应串接断路器或熔断器。断路器或熔断器的标称电流不宜大于前级供电线路断路器或熔断器的1/1.6倍。当设备交流供电回路电流小于10 A时,且已在回路中加断路器,可不在防雷器前另加断路器或熔断器。”

GB 16895.22—2004(IEC 60364-5-53:2001)《建筑物电气装置第5-53部分:电气设备的选择和安装隔离、开关和控制设备第534节:过电压保护电器》[7]第534.2.4条规定:“防止电涌保护器短路的保护是采用过电流保护器F2,应当根据电涌保护器产品手册中推荐的过电流保护器的最大额定值选择。如果过电流保护器F1的额定值小于或等于推荐用的过电流保护器F2的最大额定值时,则可省去F2”。同时,附录A中的TN系统SPD安装图示中给出了电源装置的过电流保护器及防雷器的过电流保护器的各自安装位置。

GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[8]、GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》[9]没有对过电流保护器的要求进行明确的文字描述,仅在GB 50343—2012中提出“电涌保护器应有过电流保护装置和劣化显示功能”,但在所有SPD安装图示中SPD支路上均有后备过电流保护器的示意。

3　对标准的理解

GB 18802.12—2014第6.2.4.3条给出了过电流保护器的电涌耐受能力和分断能力两种功能矛盾时的选择倾向。对于处于同一个雷电分区的设备(配电拒),按照标准要求设计的SPD通流容量一致,与之配套的后备过电流保护器的额定值通常也相同,但这些处于同一雷电分区配电箱的开关容量常会有差异,即有些断路器额定值较大,有些则较小。所以应先根据配电柜所在雷电分区来确定SPD的通流容量,然后再选择后备过电流保护器的额定值,若主断路器的额定值等于或小于正常情况SPD应配置过电流保护器的额定值时,可适当降低过电流保护器的额定值,以使其与主断路器的额定值匹配。

对于SPD后备过电流保护器与供电系统主开关额定容量的关系,GB 50689—2012第9.2.5条中进行了明确,要求“断路器或熔断器的标称电流不宜大于前级供电线路断路器或熔断器的1/1.6倍”。

当按照GB 18802.12—2014及GB 50689—2012,为SPD配置的后备过电流保护器的额定值小于或等于SPD所在供电线路的断路器额定值时,GB 16895.22—2004规定SPD后备过电流保护器可以省略。因此,当用户考虑断路器后方设备不能因防雷器的维护更换而断电时,则仍应安装后备过电流保护器,为SPD的维护提供方便。

4　后备过电流保护器的耐电涌性能

在实际工程实践中,大多选择小型断路器(Miniature Circuit Breaker,MCB)作为后备过电流保护器。这是因MCB可复位,一旦在所处位置出现较大的电涌电流时可即时分断,但仍可人工复位;MCB作为后备过电流保护器,可在被保护设备不断电的情况下只断开SPD支路开关而对SPD进行在线监测。因此,本文只对MCB的试验情况进行介绍。

通过对多个品牌常用规格的MCB进行过雷电流冲击试验,总结出以下规律:

(1) MCB耐电涌特性不稳定。同品牌、同规格、同批次的C特性32 A MCB,其电涌耐受能力不同,如一个可以耐波形8/20 μs、幅值为20 kA的雷电流冲击10次(间隔1 min),而不会分断,但另一个可能只耐受2次同量级的冲击就会分断。

(2) 不同品牌的MCB耐电涌特性有较大差异。通过对多个品牌MCB进行冲击电流试验,得出不同品牌MCB虽然规格都相同,但试验结果各不相同。某品牌C特性2P MCB的试验结果如表1所示,试验方法按照GB 18802.1—2014《低压电涌保护器(SPD) 第1部分:低压配电系统的电涌保护器性能要求和试验方法》[10]第7.6.4条的要求进行。

表1某品牌C特性2P MCB的试验结果

MCB额定电流/A通过的8/20μs试验电流量级/kA试验次数/次1010151610152515153225l563251510035l5

(3) MCB极数越多,流通量越高。通过试验发现,极数越多,MCB通流量越高,主要因多极MCB分断时需更强的电动斥力使动触头、静触头断开。

综上所述,在选用任何一种新品牌、新规格的MCB时,应先对其进行冲击电流试验,以了解其电涌耐受能力。

5　MCB特性的选择

GB 10963.1—2005《电气附件家用及类似场所用过电流保护断路器第1部分:用于交流的断路器》[11]中,根据断路器的瞬时脱扣电流分为B型、C型和D型。GB 10963.1—2005中断路器的瞬时脱扣电流范围如表2所示。

由表2可知,应根据被保护负载短路电流的不同选择不同特性的断路器。通常,B型断路器一般用于短路电流较小的负载,如白炽灯、电加热器等电阻性负载及住宅线路的保护;D型断路器一般用于需要较大的驱动电流、保护特性不灵敏的设备,如电动机、变压器、电磁阀等,用于避开起动时瞬间大电流,避免产生误动作;通用的负载一般采用C型断路器,如建筑照明、动力配电系统的线路保护等。

表2　GB 10963.1—2005中断路器的瞬时脱扣电流范围

注:对待定场合,也可使用至50In。

从经济的角度看,C型断路器是大批量生产的,较经济,而B型、D型断路器只用于一些特殊的场所。

6　结　语

(1) 应为SPD配置过电流保护器,一是作为SPD短路失效的后备保护,二是为SPD的维护和在线监测提供方便,维护或更换SPD时只需断开后备断路器,不必断开主回路断路器,避免被保护设备由于SPD维护而中断运行。

(2) 为避免在实际应用中MCB出现因雷电流耐受水平太低而频繁跳闸的情况,在选用任何一种新品牌、新规格的MCB时,应与SPD配套进行雷电流试验,了解其耐电涌特性,从而做出合理选择。

(3) 一般情况下选择MCB时,100 kA的SPD应选择C特性100 A MCB作为后备过电流保护器;60 kA的SPD应选择C特性63 A MCB;40 kA的SPD应选择C特性32 A MCB。当选择熔断器时,冲击放电电流20kA的SPD应选择250 A的熔断器;冲击放电电流15 kA的SPD应选择200 A的熔断器;最大放电电流40 kA的SPD应选择125 A的熔断器;最大放电电流25 kA的SPD应选择80 A的熔断器。

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(4) MCB的电涌性能及分断能力矛盾时,应优先选择MCB额定电流。

(5) 由于MCB的耐电涌特性,在雷雨季节时应对SPD及配套的过电流保护器加强巡检,及时对由于雷电流冲击而分断的MCB进行复位,确保下次雷击时被保护设备的安全。

[1]黄丽雄,王宏民.电涌保护器后备保护装置的选用原则[J].现代建筑电气,2015,6(10):30-34.

[2]姚军.微型断路器的选择使用[J].电世界,2000(3):4-6.

[3]尚克粉,门殿良,尚现有.微型断路器的选择与使用[J].电气时代.2004(12):119-120.

[4]吴振华,蔡振新.低压配电系统用SPD后备保护的选择与应用[J].电气工程应用,2007(2):.

[5]低压配电系统的电涌保护器(SPD)第12部分选择和使用导则:GB/T 18802.12—2014[S].

[7]建筑物电气装置第5-53部分:电气设备的选择和安装隔离、开关和控制设备第534节:过电压保护电器:GB 16895.22—2004[S].

[8]建筑物防雷设计规范:GB 50057—2010[S].

[9]建筑物电子信息系统防雷技术规范:GB 50343—2012[S].

[10]低压电涌保护器(SPD) 第1部分:低压配电系统的电涌保护器性能要求和试验方法:GB 18802.1—2011[S].

[11]电气附件家用及类似场所用过电流保护断路器第1部分:用于交流的断路器:GB 10963.1—2005[S].

Analysis About Selection of Backup Overcurrent Protective Device of Surge Protective Device in Low Voltage Power Supply System

YIN Chunsheng,LUO Guohua,ZHU Yan’ai,QIU Wenjun

(Fuyang Meteorological Service, Hangzhou 311400, China)

We not only pay close attention to the safety performance of surge protective device(SPD) in lighting protection design,but also collocate the backup overcurrent protective device.This paper introduced the existing low voltage differences in low voltage power supply system.Based on considering the safety performance of SPD,the selections of backup overcurrent protective device were analyzed in aspects of relevant standard stipulations,testing situations and engineering practical experiences.The reasonable selection suggestions of backup overcurrent protective device are provided.It could provide references for electrical designers.

low voltage power supply; surge protective device(SPD); overcurrent protection device; miniature circuit breaker(MCB); failure mode; safety performance