SPD后备保护装置选择与应用探讨

熊小俊， 杨 媚

(中国建筑设计院有限公司， 北京 100044)

1 SPD的发展起源及现状

SPD最早出现于19世纪末期，用于架空输电线路，防止雷击损坏设备绝缘而造成停电，故称“Surge Protective Device(浪涌保护器)”。20世纪20年代，出现了铝浪涌保护器，氧化膜浪涌保护器和丸式浪涌保护器;30年代出现了管式浪涌保护器;50年代出现了碳化硅防雷器;70年代由日本松下公司首先发明了以金属氧化物陶瓷为主要部件的金属氧化物浪涌保护器。SPD发展至今，在高压输电线路、微电子及民用建筑等领域得到了广泛的应用。然而，SPD虽在保护电气系统和重要的电气电子设备免遭雷击过电压的损坏中起到了重要作用，但SPD也经常因选择使用不当导致自身故障甚至引起火灾等事故发生。因此SPD后备保护的选择使用不容忽视。

2 SPD工作原理及分类

SPD保护功能主要用于限制瞬态过电压和分泄电涌电流。瞬态过电压一般包括大气过电压和操作过电压。当雷电落在建筑物或者建筑物附近以及输电线路或输电线路附近，会侵入或感应出数十千伏的瞬态过电压，并沿着线路侵入配电回路而损坏电气电子设备。为了保护电气系统和重要的电气电子设备免遭雷击过电压的损坏，配电系统和通信信号系统必须安装电涌保护器。按照工作原理划分，SPD可分为以下三类。

2.1 电压开关型电涌保护器

无电涌出现时为高阻状态，当电涌电压达到一定值时SPD突变为低阻抗。通常采用放电间隙、充气放电管、硅可控整流器或三端双向可控硅元件做电压开关型电涌保护器的组件。具有不连续的电压、电流特性。适用于LPZ0A区或LPZ0B区与LPZ1区界面处的雷电流浪涌保护。

2.2 限压型电涌保护器

无电涌出现时为高阻状态，随着电涌电流和电压的增加，阻抗连续变小。通常采用压敏电阻、抑制二极管作限压型电涌保护器的组件，也称“箝压型”电涌保护器。具有连续的电压、电流特性。因其响应时间快、劣化情况易检测、没有续流、成本低，故常用于LPZ0B区与LPZ1区及以上雷电防护区域内的雷电电磁脉冲导致的过电压或操作过电压保护。

2.3 组合型电涌保护器

由电压开关型元件和限压型元件组合而成的电涌保护器，主要是利用开关器件的大放电电流，以及限压元件的电压限制特性，使得整体SPD参数更完美。其特性随所加电压的特性可以分为电压开关型、限压型或电压开关型和限压型皆有(测试波形不会改变器件特性)。

3 SPD后备保护设置的必要性

根据SPD工作原理及元器件自身特点， SPD内部防雷芯片在正常使用情况下会受到多次雷电流冲击、操作过电压、高温、高湿等影响，导致防雷芯片老化、劣化。通常流过限压型(采用压敏电阻)SPD的初始漏电流一般≤40μA，市场部分电涌保护器初始漏电流<5μA，但承受额定通流放电后，漏电流开始逐步增大，并且随着放电次数的增加，漏电流持续增大，当漏电流增加到一定值时(通常单阀片不应超过1mA)，SPD开始升温发热，劣化速度变快，极易引起火灾。除此之外，在当高能量电涌冲击或线路工频故障，SPD发生短路失效时，若无线路保护，不能将故障线路及时断开，也将导致配电线路发生火灾，甚至SPD爆炸。综上，切断线路SPD内部芯片的漏电流和线路工频短路电流是设置SPD后备保护的主要原因。

4 SPD后备保护选择要点

根据SPD漏电流及工频短路故障电流的大小及产生原因，通常SPD后备保护采用内部保护和外部保护两种形式，并同时设置。

4.1 SPD的内部保护

有效控制SPD内部漏电流是SPD内部保护的关键。市场有些产品初始漏电流很小，但使用后会有很大增幅，变化率很高。与之相反的是，市场上另一些电涌保护器初始漏电流比较大(5～30μA)，但经受多次额定通流放电后，漏电流却增幅很小，这是一项非常重要的指标。漏电流变化率高的电涌保护器，安全性、可靠性及使用寿命都较低，漏电流变化率越低，电涌保护器使用的安全性和可靠性以及使用寿命越高。当SPD内部漏电流增大时，SPD内部温度升高至限值，内部通过低温焊锡或机械式金属弹片等热保护装置脱扣(不同厂家产品内部装置有所不同)，迅速断开与电源的连接，保障SPD安全。因此也不应过分追求小的漏电流，而是应该更关注SPD使用过程中漏电流的变化率，通常应≤200%。

4.2 SPD的外部保护

当过载的能量电涌冲击或线路工频故障(短路/ 暂时过电压(TOV))时，由于续流的存在或气体膨胀产生巨大压力，脱扣点不能保证是温度最高的熔穿点，造成SPD对地短路，持续的短路电流导致SPD发热、起火。因此，当SPD前加装后备保护装置后，在SPD发生短路失效时，后备保护装置断开，线路得到保护。

(1)电涌的耐受能力

SPD正常工作时，电涌电流不仅仅是流过SPD，也会流过线路上的其他所有设备，包括SPD后备保护装置。为防止电涌电流正常流过时不发生后备保护设备的误动作，导致SPD防雷失效，应合理选择后备保护设备的耐受能力。下文就以熔断器为例进行分析(分析结果表明：相同额定电流的断路器电涌耐受性能优于熔断器)。

熔断器的耐受性主要取决于弧前值，即I2t，根据GB/T 18802.12-2014《低压电涌保护器(SPD)第12部分：低压配电系统的电涌保护器选择和使用导则》附录P，弧前值计算公式为：

(1)

(2)

式中，Icrest为电涌单次冲击电流(单位kA)，I2t单位为A2·s。

根据GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》要求，取Ⅰ级试验电涌保护器冲击电流为12.5kA；Ⅱ级试验电涌保护器In≥5 kA(Imax取In的两倍计算)。

根据以上公式计算：对于10/350波形：I2t=256.3×12.52=40 047(A2·s)，对于8/20波形：I2t=14.01×102=1 401(A2·s)。由于受预处理和动作负载试验影响，熔断器的性能将降低，故实际使用时应考虑0.5～0.9的降低系数。

参见表1，可以准确选择后备保护装置整定电流。否则，流过后备保护器的雷击冲击电流的能量太低，不会使后备保护动作；雷击冲击电流的能量远远高于后备保护的弧前积分值(即燃弧值，I2t)，则又会使后备保护会发生爆炸。除机械损坏的后果外，雷电流可能会以电弧形式继续流过已爆炸的后备保护，并产生后续的影响。

单次冲击耐受能力和通过全部预处理/动作负载试验的耐受能力的比值的示例 表1

(2)工频过电流的短路保护

当SPD自身的短路耐受能力或短路分断能力大于安装处的预期短路电流时，则认为SPD已具备保护功能，此时可无需安装外置的后备保护器；但普通SPD一般无法满足目前供电系统的预期短路电流。因此在SPD短路失效并无法有效分断短路电流时，SPD应设置后备保护器并能分断相应的预期短路电流。

(3)与上级开关的保护配合

后备保护应采用具有C型脱扣曲线的延时脱扣器，其额定电流根据SPD的最大放大电流Imax来选择;或采用熔断器，与上一级熔断器实现选择性配合(配合比为1/1.6)。当上一级过电流保护器的额定值小于SPD引线回路里的过电流保护器的整定值时，SPD后备保护则不起作用，可省略或选择小一级整定值。

4.3 不同类型后备保护装置比较

现行市场SPD生产厂家采用的后备保护器元器件类型较多，纷繁复杂。常见类型有SPD专用后备保护装置(SCB)、一体式熔断器(FU)、塑壳断路器(MCCB)，微断(MCB)等。如何选择后备保护器类型及主要参数一直没有明确规定及准确数据，甚至不同产品技术人员有许多不一致观点和宣传，给设计人员造成不少困惑。表2为各产品类型作为后备保护使用的特点分析。

各产品类型作为后备保护使用的特点 表2

5 结束语