电源SPD的几种失效模式及解决方案

吕晓东

（吉林省辽源市气象局，吉林辽源，136200）

0 引言

1 电源SPD各种失效模式及成因

SPD失效类型很多，在此作简要归纳总结，并说明其成因，可能同一种现象由不同原因造成，同时同一种原因也可能造成不同的失效模式。

■1.1 失效模式1

在供电线路中安装电源避雷器，电源避雷器完好，但是该SPD不能起到应有的保护作用。这是一种常见的SPD失效模式，造成这种现象主要是因为在安装避雷器之前没有认真调查用电设备的情况和没有对避雷器进行筛选。SPD的Up(电源避雷器的保护水平)过高，当避雷器还没有实施保户时设备已经被击坏。

■1.2 失效模式2

在供电线路安装了电源SPD，造成对地短路故障，开路故障和放电电压升高等故障现象，可能造成火灾甚至危及人的生命安全，造成这种现象的原因可以分为三种：

①对避雷器的选用不正确，比如为了获得SPD更低的保护电压水平，却忽视了SPD的Uc（电源SPD的最大可持续运行电压），当通过雷电波时，避雷器被击坏。

②线路中的避雷器长期被操作过电压和雷电瞬态冲击电压的环境中，导致SPD自身损坏。

③在多级电源避雷器保护线路中，开关型SPD和限压型SPD以及限压型SPD与限压型SPD之间安装距离不够又没有加装退耦器，造成前级SPD没有动作，后级SPD先动作，由于通流量过大损坏后级SPD，且不能保护用电设备。如图1所示。

图1

在上述现象中限压型避雷器多数表现为短路故障，而开关型避雷器则表现为开路，短路和放电电压升高等现象。

乔木是构成秦安县林业植被的主体，可分为天然林乔木和人工造林乔木两大类。天然林乔木在郭集乡青林沟残存，仅5.67 hm2次生林；人工造林主要分布在黄土梁顶部、荒坡、沟壑及各村镇居民点、公路旁，是秦安县的主要林木。截至2001年，全县有乔木36科，54属，87种。

■1.3 失效模式3

供电线路中SPD与RCD（漏电器）和熔断器配置不恰当，由于SPD有自身损坏的情况，为了人身安全不得不将SPD与RCD及熔断器等器件配合使用。当安装的先后顺序不一样时，可能无法及时切断电源。在实际工作中我们经常将避雷器安装在RCD的下游[2]（按功率流动方向），如图2所示。

图2

这种安装方式可能会造成两种SPD故障，一种是在限制过电压时释放到保护线的浪涌电流可能会被上游的漏电断路器解释成漏电流，RCD将企图切断有关电路，造成漏电器误跳；另一种是电器设备的所有部分，包括避雷器，都易过载，可能会由于突然输入的高能量引起短路。如果设备故障，在设备裸露导电部分上产生的电流不会被清楚的辨认为是漏电流，漏电器不会切断电源，这样可能系统中有杂散电流的发生，也可能发生接触电击事故。

(4)电源SPD在线路中不能按要求保护设备，由于电源SPD可能会出现上述种种故障，因此人们把SPD与断路器配合使用，以防止漏电时能够及时的切断电源，但是又很多场合时不允许间断供电的，这样避雷器并没有完成应该完成的工作。如图3所示。

图3

与SPD串联的F2，如果F1的额定电流小于F2，此时F2不起作用，当SPD发生短路故障时，F1动作，切断电源。另一种就是当F1的额定电流大于F2时，F2动作，此时设备将失去SPD防护雷电冲击过电压。

2 针对电源SPD的各种失效模式及解决办法

(1)针对1.1中所述的电源SPD的失效模式要求我们在对用电设备安装电源SPD保护器件之前需要仔细了解电源的供电制式以及用电设备各种参数，比如用电设备的最大持续运行电压，对于不同的电源制式对SPD的参数要求也不同。如何进行SPD的选择在GB50057-94中也有详细规定，在此不再赘述。

(2)在上文1.2中提出的SPD失效模式中，第一点与前文的解决办法相同，第二点将在下文中详细介绍，这里主要说的是电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不宜小于提出个人看法，并提出加装退耦器的原因和好处。

根据行波理论，波在电缆中的传播速度为：

开关型电源SPD的动作响应时间t = 100 ns，限压型避雷器的响应时间t1=25 ns，Δt =75ns，所以：

由于避雷器元件的实际响应时间有一定的误差，故应该将开关型避雷器和限压型避雷器之间的距离至少大于12m，以达到保护效果。当然在实际操作中，我们可能无法达到该距离，因此可以在两级之间加装退耦器，如图1所示。

由该式可知Ures是SPD的性能参数不可改变，但是Ude却可以通过加装退耦器来增大，以达到增大SPD1两端的电压，使SPD1及时导通放电。加装退耦器还可以削弱雷电侵入波的峰值电压，进一步保护了用电设备。

(3)电源SPD与RCD及熔断器的配合使用是实际中应用较多的方式，也是最容易出错的地方，在本文中将作重点介绍。为了解决1.3中所述的问题可以将SPD接在RCD的上游，如图4所示。

图4

图4 中将SPD安装在漏电器上游，泄放的浪涌电流不再流经RCD，更不会被解释成剩余电流，在线路中不会产生误跳情况；同时RCD下游因故障设备产生的漏流可以被清除的识别，漏电断路器可以安全的断开[2]。

电源SPD与熔断器、RCD的配合使用在TN系统和TT系统也不尽相同，下面分别予以介绍。

①在TN系统中SPD失效短路故障后，导致相线对地短路成为接地故障，使PE线和其所接设备外壳带故障电压而引发电击事故。应该保证电气装置防简间接接触电击的措施继续有效，可用于SPD串接的过流防护电气切断电源，这是应为电流Id的通路为金属通路，Id的幅值大。如图5所示[1]。

图5

对于TN系统中，为了防止接地电弧火灾而在电源进线处装设防火RCD，这种安装方法和TT系统中同，在下文中详细介绍。

②在TT系统中SPD失效后的防电击措施比较复杂，因为TT系统有两个独立接地系统，因故障电流Id需要流经Ra和Rb两个接地电阻返回电源，不能用过电流保护器切断电源，同时为了不因SPD的失效引起供电中断，综合上面2、4图，需要将RCD安装在电源SPD的负荷侧，此时需要将SPD按照“3+1”方式接线，这样它只能造成相线和中性线之间爱你的单项短路，而单项短路为大短路电流的金属性短路，它可以由与SPD串联的过电流保护器来有效切断，如图6所示。

TN系统中同此接法相同，只是TN系统中没有直接接保护接地。在TT系统中，放电间隙可能因为通过大的雷电流幅值造成两极融化，此时TT系统变成了TN系统，在没有更换放电间隙之前都是以TN系统运行。TN系统需要满足防间接接触电击要求：

图6

同时要求Rb尽量小，以降低间接接触的接触电阻。这已经属于电力部门的范畴，在此不详细说明。

(4)为了能够使用电源SPD保护不能间断供电的系统的要求，对TN系统和TT在前文都已经提出解决办法，现在还可以对图3进行修改，希望通过对堆 的改建能够达到既不中断供电也要SPD能够保护用电设备，如图7所示。

图7

3 结束语

任何一门技术在使用过程中都会出现不同的不足之处，这些缺陷需要我们通过实践去发现、总结并解决。电源避雷器在实践中出现的故障模式还有很多，需要更深入的加以探讨。在实践中不断的发现和创新，在防雷工程设计施工过程中总会有这些瑕疵存在，防雷工作是关系到人民生命财产安全的问题，我们不能马虎，掉以轻心，要不断深入学习才能设计出更科学的工程方案。