SPD保护距离与电压保护水平相互影响的分析探讨

2021-12-30李国会

现代建筑电气 2021年10期

李国会, 张晶, 刘明, 黄玥

(中国建筑西南设计研究院有限公司, 四川成都 610041)

0 引言

电涌保护器(SPD)为用于限制瞬态过电压和泄放电涌电流的电器,当电气线路中突然产生尖峰电流或者电压时,SPD能在极短的时间内导通分流,从而避免电涌对回路中其他设备的损害,对建筑内、外的用电设备的保护起到了非常重要的作用。在平时供配电设计SPD时,往往关心的参数有冲击电流、放电电流、电压保护水平、接线方式等,但忽略了SPD保护距离产生的影响。其实,SPD是有保护距离要求的,且与电压保护水平有一定关系的。如果SPD设置位置距离被保护设备过远,可能造成严重后果。

规范和标准对SPD的保护距离有一定要求。如GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》[1]、GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[2]等规范均有SPD保护距离要求部分的内容。SPD在工作时,SPD安装位置处的线对地电压限制在电压保护水平Up,若SPD和被保护设备间的线路太长,电涌的传播将会产生振荡现象,被保护设备终端开路时,设备终端的过电压会增至2Up,即使选择的SPD的Up小于设备的耐受电压,设备也可能会被损坏。另外,建筑物遭受到雷击时,加于Up上会降低SPD的保护效果,感应过电压随回路尺寸增加而增加,线路过长,会增加回路尺寸,相应降低SPD的保护效果。但是,在电压保护水平Up和保护距离均满足要求时,还要增设多余的SPD,属于过度设计,同样会造成成本增加,经济性较差,是不可取的。

因此,对SPD保护距离和电压保护水平互相影响的研究探讨具有非常重要的意义。

1 SPD保护距离对电压保护水平影响的理论分析

1.1 电压保护水平和设置位置

SPD的电压保护水平Up表征SPD限制接线端子间电压的性能参数,应小于被保护设备的冲击耐受电压。电压保护水平Up选择是否合理,直接影响被保护设备雷击时能否被安全保护。GB 50057—2010中对供配电系统Up的选择有明确的规定。

(1) 在电源引入的总配电箱处应装设Ⅰ级试验的SPD。SPD电压保护水平值应小于或等于2.5 kV。

(2) 在变压器低压配电屏上,当有线路引出本建筑物至其他有独自敷设接地装置的配电装置时,应在母线上装设Ⅰ级试验的SPD;当无线路引出本建筑物时,应在母线上装设Ⅱ级试验的SPD。SPD的电压保护水平值应小于或等于2.5 kV。

(3) 固定在建筑物上的节日彩灯、航空障碍信号灯及其他用电设备,应在配电箱内开关的电源侧装设Ⅱ级试验的SPD,其电压保护水平不应大于2.5 kV。

为取得较小的SPD有效电压保护水平,应选用有较小电压保护水平值的SPD。常见7种品牌产品SPD电压保护水平如表1所示。需要说明的是,Up为上述品牌产品提供的样本上标注值,其与放电电流或冲击电流、持续工作电压等因素有关。

表1 常见7种品牌产品SPD电压保护水平

从表1可知,各品牌产品的Up值差距较大,但考虑到SPD放电电流In的影响,结合规范仅要求不大于2.5 kV的原因,传统常规设计中,较为常规做法是按SPD产品Up值、设置位置和上下级配合关系来选择Up:第一级,Up为1.5～2.5 kV(大楼电源总箱或变压器低压侧母线上);第二级,Up为1.5～2.5 kV(楼层或区域总箱);第三级,Up为1.2～1.5 kV(分箱)。由于成本方面的考虑,除了含有弱电等特殊设备、室外设备外,第三级在较多情况下并未设置。

规范对电源的总配电箱或低压总配电柜及部分室外设备配电箱处的SPD的Up值限制在2.5 kV,其余应进行计算所得。设计时,如果仅按Up不大于2.5 kV限制值,且下级分箱不设置SPD的情况下,是否能满足保护要求?本文基于SPD保护距离和电压保护水平的影响来分析探讨。

1.2 保护距离和电压保护水平关系

为了分析保护距离和电压保护水平关系,需要引入有效保护水平Up/f的概念。根据GB 50057—2010规定,SPD有效保护水平Up/f=Up+ΔU,其中ΔU在后续SPD情况下为0.2Up,仅考虑感应电涌时,可不考虑ΔU(本文以常用的限压型SPD展开讨论)。根据以上可以得出:

Up/f=1.2Up

(1)

仅考虑感应电涌时,有

Up/f=Up

(2)

当被保护设备距离SPD的长度不大于10m且不计及SPD与被保护设备之间电路环路的感应过电压(通常情况下可满足标准GB50057—2010第6.4.7条第3款限制条件)时,保护距离影响一般可以不予考虑,本文暂不考虑小于10m情况,有

Up/f≤Uw/2

(3)

式中: Uw——被保护设备的耐受冲击电压。

(1) 振荡保护距离与电压保护水平关系。根据GB50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》中规定,若线路长度小于10m或者Up/fUw/2时,振荡保护距离为

Lpo=(Uw-Up/f)/25

(4)

根据式(1)和式(4),可以由Uw值和所保护SPD的Up值得出保护用的SPD的振荡保护距离Lpo,即SPD安装位置距离被保护设备的长度不能大于Lpo;Lpo与保护用SPD的Up成反相关,Up值越大,保护距离越小,即SPD电压保护水平Up值越大,保护距离越短,若SPD和设备间线路的长度超过保护距离Lpo,SPD无法有效保护设备。

(2) 感应保护距离与电压保护水平关系。根据GB50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》中规定,当采取减小磁场强度,如建筑物(LPZ1)或房间(LPZ2等后续防护区域)采用空间屏蔽,使用屏蔽电缆或电缆管道对线路进行屏蔽等措施后,可以不考虑感应保护距离Lpi。

当SPD与被保护设备间的线路长、线路未屏蔽、回路面积大时,应考虑感应保护距离,估算感应保护距离Lpi为

GB50343—2012中,Up为Up/f,因仅考虑感应电涌时,可不考虑ΔU,即Up/f=Up;Ks1、Ks2、Ks3可在GB50343—2012中附录B查询或计算得出。

需要说明的是,GB50343—2012中保护距离的计算公式是参考推荐性规范GB/T21714.4—2008[3]中的公式,并做了调整。在更新国家标准GB/T21714.4—2015中虽然未出现此公式,但在新规范中的第C.2.1、C.3.2、C.3.5等处强调了SPD保护距离对设备保护效果的影响及重要性,明确了SPD距离被保护设备越近,保护效果越好的原则。但GB/T21714.4—2015中暂无保护距离的定量化计算公式,设计时无法进行定量化复核及计算。为方便定量分析,本文暂按现行规范GB50343—2012中的公式作为分析公式使用。

2 SPD分析模型的建立

为方便分析建筑内用电设备保护用SPD的保护距离对其电压保护水平Up和安装位置的影响,本文以TN系统为例,参考标注图集15D503第73页,建立了一个典型的民用建筑内低压供配电中SPD安装分析模型。模型结合建筑物内各类型的用电设备的Uw值而建立。典型建筑内SPD分析模型如图1所示。

图1 典型建筑内SPD分析模型

根据GB 50057—2010第6.4.1条～第6.4.8条可知,除了电子信息系统外,其他部分重要的用电设备也有耐冲击电压限制要求,也需要保护。建筑物内的各种用电设备根据耐受电压值Uw,表征其绝缘防过电压的耐受能力。建筑物内220/380 V配电系统中设备绝缘耐冲击电压额定值如表2所示。

表2 建筑物内220/380 V配电系统中设备绝缘耐冲击电压额定值

图1模型体现了从低压配电房变压器低压开关柜或楼栋电源总箱(柜),至楼层或区域配电总箱(柜)、电力设备配电箱、计算机等需要保护的弱电设备配电箱等。根据表2中的用电设备分类原则,将上述用电设备、配电箱等与表2中的Ⅰ～Ⅲ类设备对应。保护用SPD设于相应配电箱内,而箱体与被保护设备之间的距离不得超过SPD的被保护距离。以上述模型为基础,对民用建筑内的SPD的保护距离与电压保护水平和安装位置的互相影响进行实际分析。需要说明的是,图1中每处配电箱所表达的SPD并非均需要,仅为方便分析设置位置所设置的模型,经过分析计算,部分SPD可不设置。

3 SPD保护距离对Up及位置影响分析

通过分析与表2中的Ⅰ～Ⅲ类设备相对应的民用建筑内常见的弱电设备、家用电器、风机、水泵和配电箱(柜)的不同特点,判断传统做法是否满足保护要求,并通过计算和分析,给出合理建议。其余未列出部分的用电设备,如插座、电梯等可结合表2的分类原则,参考文中方法进行计算分析。

根据规范的要求,按传统常见做法的Up值和设置位置,并就保护距离分别计算分析,验算是否满足要求,若不满足,提供建议做法。各品牌的标称Up值有较大区别,本文按表1中的所有Up数据中间值或常见值作为传统做法的Up值:第一级保护Up-c暂按2.5 kV;第二级保护Up-c暂按1.8 kV;第三级保护Up-c暂按1.5 kV。Up-c为常规设计中所选SPD产品的常见Up。

分析可知,采取部分的有效屏蔽措施后,可以不考虑感应保护距离Lpi:根据GB 50343—2012中第5.4.3条规定,建筑物(LPZ1)或房间(LPZ2等后续防护区域)采用空间屏蔽,使用屏蔽电缆或电缆管道对线路进行屏蔽等措施。结合GB/T 21714.4—2015中规定,分析常规设计中的屏蔽特点。

(1) 空间屏蔽。建筑或房间的空间屏蔽通常是由建筑物的自然部件构成,如板、墙中的钢筋等金属构件,同时根据规范GB/T 21714.4—2015中B.15.5条,雷电电磁场的有效空间屏蔽,其典型的格栅宽度不大于5 m。但常规设计中,除了弱电机房有严重电磁干扰时,如与变电所等干扰源贴临或距离较近时,会采取屏蔽措施,其余情况下均未做到有效的空间屏蔽。

(2) 线路屏蔽。可采用屏蔽电缆或敷设在封闭的金属管道内,甚至敷设在电缆托盘、电缆梯架及类似结构内、管道两端有效接地会增强其屏蔽性能。实际设计中,采用屏蔽电缆的情况较少,但采用金属桥架和金属导管敷设情况较为普遍(由于PVC管还有卤素的原因,使用较少,本文不考虑使用PVC管的情况)。

根据以上分析,通常设计中不能做到有效空间屏蔽,但可以做到线路屏蔽,因此本文暂不考虑感应保护距离Lpi。下文均按照上述条件设定为基础进行分析计算。

3.1 弱电设备

弱电机房设备,如弱电机柜、UPS等重要设备,属于Ⅰ类设备,Uw-Ⅰ=1.5 kV。其配电箱(柜)一般设于弱电机房内,且多为区域总箱,SPD多属于第二级防护。SPD至被保护设备距离,一般为5～30 m(机房面积较大时,距离可能会更大)。根据GB 50343—2012中第5.4.3条规定,通常在建筑物总进线处设置第一级SPD1,如果保护水平UP1不大于2.5 kV,其后的线缆采取良好的屏蔽措施,这种情况只需在电子信息设备机房配电箱内设置第二级SPD2,其保护水平UP2应低于电子信息设备能承受的冲击电压的水平,或不大于1.2 kV。

因此,如果机房内设置SPD的UP如果简单按第二级SPD设置,即为1.8 kV,便不满足规范要求。为满足规范的要求,此处Up1-c按1 kV,验证Up/f和Uw/2可知Up/f>Uw/2(当Up<0.625 kV时,才可忽略振荡保护距离的影响),应考虑保护距离的影响。将上述Up1(1.2 kV)和UW-Ⅰ代入式(4),得出弱电设备的振荡保护距离Lpo1=(1 500-1 200)/25=12 m,即SPD至被保护设备不得大于12 m,否则设备不能得到有效保护[4-7]。

根据以上计算结果,弱电机房内配电箱(柜)若安装SPD的Up值选择为0.625 kV以上时,且设备旁无另设SPD,需要考虑振荡保护距离的影响;Up=1.2 kV时,其保护距离为12 m。此距离较短,在比较多的情况是不满足距离要求的。另外,根据表1,Up值低于0.625 kV的产品较难选择,建议在设计时可尽量降低机房内配电箱SPD的Up值以增加保护距离,并在重要距离配电箱较远的机柜旁单独设置SPD。

3.2 家用电器

住宅家用电器和类似负荷属于Ⅱ类设备,Uw-Ⅱ=2.5 kV。常规做法是每户设置户内箱,因户内在一般情况下无重要的室外设备或弱电等重要设备,户内箱一般未设置SPD。但现在住宅户内有电视、电脑等重要设备。且也有不少住宅户内用电设备被雷电损坏的案例,因此住宅户内家用电器也需要保护。而常规SPD仅设置在楼层电井内表箱内,其SPD多采用第二级保护,电压保护水平Up2-c为1.8 kV。考虑公共走道和户内距离后,SPD至住宅户内家用电器距离,一般住宅为15～30 m,公寓每层面积较大,户数较多,相对会比较长,可能会超过50 m。

如果电井内户表箱处设置SPD的UP按第二级SPD设置,暂按1.8 kV分析,其小于Ⅱ类设备Uw-Ⅱ(2.5 kV)的限值要求。验证Up/f和Uw/2可知Up/f>Uw/2(当Up<1.04 kV时,才可忽略振荡保护距离的影响),应考虑保护距离的影响。将上述Up2(1.8 kV)和UW-Ⅱ代入式(4),得出Ⅱ类设备振荡保护距离Lpo2=(2 500-2 160)/25=13.6 m,即SPD至被保护设备不得大于13.6 m,否则设备不能得到有效保护。

此保护距离条件对于一般的住宅和公寓几乎满足起来较为困难。建议降低保护用SPD的Up值,以增加保护距离;当Up<1.04 kV时,忽略保护距离的影响。类似,Up值低于1.04 kV的产品较难选择,设计时也可尽量降低户表箱内SPD的Up值以增加保护距离。

理论上,在户内箱内另行设置SPD,是比较直接的解决方式。但户内配电箱内的小型断路器执行GB 10963系列标准,可用于家用及类似场所,供未受过专业训练的人员使用,且无需维护,损坏后可自行更换。而SPD属于专业电气设备,现阶段并不能满足规范和使用要求。另外,各种原因导致SPD起火的案例时有发生,SPD设置在住宅户内可能会带来火灾隐患。部分地方规范要求住户配电箱内不应设置SPD,也是基于这个原因。但住宅距离电井较远,表箱内SPD不能有效保护家用设备,或住宅有太阳能等室外设备等情况时,设置于户内箱还有一定争议,期待行业内出台相应的指导做法,规范住宅户内对SPD的使用。比如针对住宅户内重要的用电设备,是否可采用专用防雷插座,而户内箱不设置SPD,来规避风险等。

3.3 风机、水泵和配电箱内设备

风机和水泵等电动机负载、和配电箱内设备,属于Ⅲ类设备,Uw-Ⅲ=4 kV。风机、生活水泵等(不含潜水泵)多设于机房内,由区域总箱(柜)供电或总进线电源箱(或变电所低压开关柜)放射供电。潜水泵一般设于车库等公共场所,控制箱设于潜水泵旁。多数情况下,仅在总箱(柜)设置SPD,属于第二级防护,控制箱内并未设置SPD保护。对于设备内的风机水泵,若其配电箱设置SPD,SPD至被保护设备距离一般为5～10 m;其余情况,保护距离较长,最远可达到50～80 m。配电箱(柜)一般分为变电所低压开关柜,建筑总电源柜,区域总箱、分箱等类型。除分箱外的配电箱均会设置SPD,SPD和保护设备均在配电箱内,肯定不需考虑保护距离的问题。当分箱处未设置SPD时,对于分箱内设备也需要保护[8-9]。

如果风机、水泵配电箱处设置SPD和未设置SPD的配电箱的上级配电箱内SPD的UP按第二级SPD设置,暂按1.8 kV分析,小于Ⅲ类设备Uw-Ⅲ(4 kV)的限值要求。验证Up/f和Uw/2可知Up/f>Uw/2(当Up<1.67 kV时,才可忽略振荡保护距离的影响),应考虑保护距离的影响。将Up3(1.8 kV)和UW-Ⅲ代入式(4),得出Ⅲ类设备振荡保护距离Lpo3=(4 000-2 160)/25=73.6 m,即SPD至被保护设备不得大于73.6 m,否则设备不能得到有效保护。

73.6 m的保护距离对于建筑物内大部分情况可以满足,地下车库的部分总箱(柜)较远的部位的用电设备可能会不满足要求,设计时建议进行复核距离和所选择SPD的Up值,不满足时应降低SPD的Up值;在电动机控制箱和分箱内增设SPD也是一种解决方式。消防风机、水泵等消防设备是重要的用电设备,平时使用较少,损坏后不容易被发现。另外,雷电流也可能会产生火灾,因此SPD保护的不仅仅是设备本身,也是消防设备在以后需要运行时能正常使用的保障。同时,也是避免因雷电产生火灾的有效措施。因此,在防雷设计时部分消防设备也应归属于重要设备,并关注SPD的设置。