SPD的过电流保护分析

高连月 孙晓娇 王建军3

（1.中钢集团安徽刘塘坊矿业有限公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司）

浪涌保护器（Surge Protective Device，SPD）也称电涌保护器，在我国某些标准中又被称为“防雷器”、“防雷保安器”，它是一种用于带电系统中限制瞬态过电压和分泄电涌电流的非线性防护器件，用以保护电气或电子系统免遭雷电或操作过电压及涌流的损害［1］。

中钢集团安徽刘塘坊矿业有限公司选矿厂、提升机房等各配电房的低压进线柜中就装有SPD 模块及其过电流保护器，如图1所示。

该公司SPD 前端的过电流保护器多采用熔断器，在进行雷电防护装置年度检测时，需要对SPD 模块进行压敏电压和泄露电流的测试，此时需断开过电流保护器后，将SPD 模块卸下来，当过电流保护器采用熔断器时，断电就需要带电操作，且熔管也不易插拔。为此，动力部门的电气维修人员提出将熔断器改为普通微型断路器，便于SPD模块断电及检测。

1 SPD过电流保护的作用

现行的国家标准与行业标准中都提出在安装SPD 的引接线上要串联过电流保护装置，如《建筑物防雷装置检测技术规范》（GB/T21431—2015）中5.2.8.6 条就有如下规定：“安装在电路上的SPD，其前端宜有后备保护装置。后备保护装置如使用熔断器，其值应与主电路上的熔断器电流值相配合，宜根据SPD 制造商推荐的过电流保护器的最大额定值选择，或应符合设计要求。”［2］SPD 过电流保护器在配电系统（以TN-S系统为例）中的安装位置如图2所示。

SPD前端安装过电流保护器，一方面是便于迅速切断SPD 故障支路，另一方面是为防止配电开关越级脱扣而导致整个供配电系统断路，同时，也为防止在非正常工况下SPD 失火。具体来说，此过电流保护装器具有以下作用。

（1）过电流保护器能在配电系统电源出现异常状态过电压时快速断开SPD支路，以保护SPD防止其熔穿。

（2）过电流保护器能在SPD发生劣化且工频漏流增大至其内部热脱扣器无法断开SPD内部电路时，迅速断开SPD支路，以防止SPD起火进而引发火灾。

（3）过电流保护器能在系统遭受雷击并通过SPD支路泄放雷击电流时不发生误断，以保证SPD 处于有效防护状态。

（4）方便维护，更换SPD 时只需断开过电流保护装置即可，无需整个电路停电。

规范上虽然提出SPD 前应该装设过电流保护器，但对过电流保护器的种类、电气参数、技术类别等并未做详细、明确的说明，这使得在实际工程中出现了许多虽然安装了过电流保护器，但仍然无法对SPD失效或故障提供有效保护的情况。

2 过电流保护器的选择

以上分析可知，过电流保护器应具备如下性能。①分断SPD 支路的预期短路电流；②耐受能力大，可通过SPD的电涌电流不断开；③分断SPD内部热脱扣器所不能断开的工频电流。通俗的说就是，该工作的时候保证动作（分段金属性短路的短路电流），不该动作的时候不要误动作（雷电流来的时候不误动作），该动作的时候保证动作（分断非金属性短路及类似的、幅值不大的故障电流）［2］。

因此，选择SPD 过电流保护器时主要按以下3 个标准：①发生涌流时的耐受能力，过电流保护器在正常工况下应能承受雷电流的冲击，且不能发生误动作；②电压的保护水平，在SPD 线路正常泄放涌流时，过电流保护器上的残压要尽可能低；③发生工频过电流时的保护能力，过电流保护器应能分断预期短路电流和小短路电流，从而保护SPD 免受短路电流的破坏。

目前，实际工程中多采用微型断路器或熔断器作为过电流保护器，下面对这2种保护器进行分析。

2.1 雷电冲击电流的耐受能力

断路器的通断主要靠内部电磁铁，根据通过的电流产生的电磁力，推动机构完成脱扣。电磁力与电流对磁链的变化率有关，雷击电流属于短时间内通过大电流（电涌流从几千安到几十千安在约微秒到几百微秒的时间内通过SPD 线路），普通微型断路器电涌耐受能力低，会发生雷击时脱扣器跳开的情况，此时SPD 失效，无法泄流。据了解，ABB 公司曾送多款微断到北京测试中心进行测试，发现16 A 的空开经过40 kA 的雷电流冲击就会跳开。若选用大容量的塑壳断路器，则无法兼顾与工频电流的配合，且塑壳断路器体积较大，价格贵，占用进线柜空间。

在要求高分段能力时，熔断器比断路器更为经济可靠。对于8/20 μs 冲击电流波形，熔断器上通过电涌电流能量可按式（1）估算

式中，I2t为电涌能量，A2s；Icrest为电涌电流峰值，kA。

只要熔断器的弧前I2t值大于电涌冲击电流的I2t值，就符合耐受一次涌流的要求。比如：为耐受一次9 kA，8/20 μs 的雷电冲击电流，熔断器内熔断体的最小弧前值需大于I2t=14.01×92=1 134.8 A2s 即可满足要求，而额定电流为32 A 的圆柱形gG 熔断体的典型弧前I2t值约为1 300 A2s，可选择此规格熔断器。

2.2 电压保护水平

有试验数据表明，在遭受同等标称放电电流In（即8/20 μs 电流波的峰值［3］）时，熔断器的残压值明显小于断路器，对比见表1。

2.3 工频短路电流

过电流保护器为断路器时，当系统处于非雷击状态但SPD 有损坏且引起短路时，断路器的整定值大于1.5 倍的SPD 漏电流值即可，但瞬时动作整定值需按该处短路电流校验。因SPD 的漏电流值很小，而短路电流值通常很大，故此保护整定值范围将会很宽，从数安培到几十安培，甚至可能数百安培，存在很大的保护盲区［4］。

过电流保护器为熔断器时，只要达到公称熔化热能值，熔断器就会切断电路，跟电流的性质没有关系，且熔丝熔断时间与通过电流呈反时限特性，保护盲区小。

2.4 SPD的有效电压保护水平

《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343—2012）中5.4.3-8 条规定：“电源线路浪涌保护器在各个位置安装时，浪涌保护器连接导线应短直，其总长度不宜大于0.5 m。有效保护水平Up.f应小于设备耐冲击电压额定值UW”［3］，如图3所示。

由图3可得公式

而断路器本身内部结构中就有若干匝电感线圈，以保证线路短路时电磁脱扣器能够脱扣。但是此电感线圈长度较长（有的线圈相当于单根长度约为3 m 左右的直线），这将远超于上述规范中规定的长度0.5 m，也加大了SPD 导线上的电压降。断路器的电感线圈加大了ΔUL1的值，根据式（2）、式（3），SPD的有效电压保护水平Up.f也相应增加，无法满足式（4）的要求。而熔断器并不存在此方面的问题。

3 总结与展望

由上述分析可知，SPD前过电流保护器采用普通微型断路器时，容易在雷电流泄放时误动作，误断SPD 保护电路；在冲击电流下的残压较高；存在较大保护盲区等缺点。更重要的是，断路器内部电感线圈的存在，加大了SPD 的有效电压保护水平，使其不能满足使用要求，这一缺点也是对微断的“一票否决”。熔断器虽然也存在着电涌冲击容量小，型号参数等不易选择，不易安装和维修等缺点，但相对于微断来说，还是比较安全的。故该公司内部动力部门的电气维修人员提出的将熔断器改为普通微型断路器这一做法并不可行。

目前，一些SPD 制造商（如施耐德等公司）研究生产了专门与SPD 协调配合的专用后备保护器SCB（Special Circuit Breaker），它与断路器类似，集成了断路器与熔断器的优点，能在一定程度上解决雷电冲击电流下不误断，并能兼顾电涌耐受能力与分断SPD低短路电流，避免SPD 起火，同时，易于安装、维修。但是价格较高，主要应用在一些特殊项目中，普通项目还未完全推广普及。随着日后技术发展越来越成熟，SCB的价格会随着批量生产，变得与普通微断器、熔断器一样便宜，届时，SCB 当作为SPD 过电流保护器的首选。