关于SPD安装的几点思考

李国会, 张 晶

(中国建筑西南设计研究院有限公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

SPD的安装和接线直接影响着雷击时对设备的保护效果。在某工程现场验收巡查时发现,配电箱内SPD的出线端的接地线均接至PE排,但同时箱内PE排未有效接地。原因是图纸未明确如何接线,现场根据标准图集15D502中要求仅将配电箱外壳和就近LEB或MEB相连;另外,现多数情况下,SPD设置于进线开关之后;SPD接地线截面在设计图纸中未做要求,现场接地线截面规格做法不统一。本文对以上几种SPD的不同现象有几点不同理解和思考,就以上现象造成的影响,基于民用建筑中最为常见的TN系统为例,对电源级SPD的几种做法展开分析研究。

1 SPD接地线是否接地的影响

1.1 SPD接地线是否接地的规范要求

在实际项目中发现,配电箱内PE排有与附近的等电位端子箱MEB或LEB(局部等电位或辅助等电位本文不做讨论)相连、和未连接两种不同情况,某配电箱内SPD安装示意图如图1所示。

图1 某配电箱内SPD安装示意图

为了搞清楚SPD合理的接地方式,梳理了部分相关规范的要求。GB 50057—2010中附录J中所示,SPD仅在总箱处直接与MEB连接,后续的分箱的SPD仅与PE排相连[1],GB 50057—2010中TN系统的配电线路电涌保护器安装位置示意图如图2所示。GB 50343—2012中第5.4节中内容显示,每一级的SPD接地线除了与PE线相连外,均与等电位接地端子板(MEB或LEB)相连[2],GB 50343—2012中TN-S系统的配电线路电涌保护器安装位置示意图如图3所示,两本规范的做法不尽相同。已经作废的YDT 5098—2001《通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范》第5.0.3条要求SPD接地线应就近接地,替换规范YD 5098—2005《通信局(站)防雷与接地工程设计规范》描述为“在通信局(站)的建筑设计中,应在SPD的安装位置预留接地端子”,从该规范字面上理解,接地端子并不是单纯的等电位端子或保护接地线PE[3]。而GB 50057—2010中附录J.1.2-3中SPD接地线接至PE线或等电位端子板两者选其一即可[1]。

图2 GB 50057—2010中TN系统的配电线路电涌保护器安装位置示意图

图3 GB 50343—2012中TN-S系统的配电线路电涌保护器安装位置示意图

从以上规范要求可以看出,弱电系统相关规范强调要求各级SPD接地线(电源级,本文暂不讨论信号级SPD)除了连接PE线外均应就近接地,非弱电设备没有做强制要求。

1.2 SPD接地线就近接地的必要性

在实际工程中,配电箱内SPD接地线未就近接地的情况要更为常见,根据GB 50057—2010中所示,仅在第1级SPD场所将SPD接地线接到总等电位板,后续分配电箱SPD接地线不接地的话(仅连到PE排),会有什么影响,本文以TN系统为例进行分析。

(1) 雷电流传导至分配电箱时,雷电流会向其余通路传递,一部分继续往前,一部分往回接地处泄放。电源侧(从电源总箱或变压器低压侧)流过来的雷电流流过L1～L3和N线(4P形式)后,经过此4根导体上设置SPD流向PE排,则雷电流就只能沿着PE线往后传递至MEB处泄放。这时,PE线也会有雷电流通过,可能在其他处形成的电位差。

(2) 如果雷电流在别处泄放,就会泄放至PE线,图3中的多级SPD泄放的雷电流均在同一条PE线,且PE线沿着供电线路敷设,会在泄放回路中产生感应电流。从1.1节分析可知,GB 50057—2010和GB 50343—2012中规定有所区别,弱电设备附近设置的SPD接地线就地接地,雷电流可以就地泄放,从而避免产生感应电流影响其他弱电设备。

(3) SPD无论设置于进线开关前或后,但均在馈线分开关之前,SPD接地线就近接地,相比于雷电流在PE线传导至别处泄放的通道,雷电流就地泄放可以减小泄放回路的阻抗,进而减小下级设备的雷电流,有利于达到更好的多级SPD能量配合。

而若就地泄放,则会改善以上问题,具体如下:

(1) PE线是通过雷电流的基础通路,但不一定是距离最短的通路。由于PE线是随着供电系统敷设,设备至接地网或MEB距离较远。而通过接地装置泄流,可由柱内或其余建筑垂直金属构件直接连接至接地网,距离更短,于泄放也更为有利。

(2) 增加一条电源系统(PE)外的雷电流泄放通路,减小了PE线内雷电流的能量及在别处形成的电位差,减小了雷电发生时造成的危险概率。在分析部分项目遭受雷击的原因时发现SPD接地路由不通是原因之一,将PE排就近接地,增加了一条接地通路,极大地增加了SPD接地线有效接地的可靠性。

(3) 大楼的金属构件较多,分流路由多,分流后每条路由内流经的雷电流较小,可有效减小电磁干扰影响。

(4) 对于弱电系统,无论是规范要求,还是雷电流泄放分析,各级 SPD接地线应就近有效接地;而对于非弱电系统的供配电系统,规范没有强制要求SPD接地线是否就近接地(MEB总箱处除外),但考虑到现在配电箱内的智能控制系统模块、电表等设备也越来越多,同时考虑到安全问题,或有精密设备的场所,建议其各级SPD接地线也应就近有效接地,设计时可根据实际情况设置。

1.3 SPD接地线接地的形式

SPD接地线的接地方式有两种:一种是SPD接地线直接与等电位接地端子板连接接地(图2、图3中的等电位端子板均按已有效接地考虑);一种是SPD接地线和PE排连接,PE排再与等电位接地端子板连接接地,部分配电箱PE排是否有效接地就关系到SPD接地线是否有效接地。

SPD接地线接至配电箱PE排是配电箱接线最常见的情况,本文以此情况为基础进行分析探讨。若要实现SPD接地线的有效接地,则需要配电箱内PE排与MEB或LEB之间、LEB与接地极(网)可靠连接。

(1) 配电箱内PE排与MEB或LEB之间连接情况。

JGJ 242—2011《住宅建筑电气设计规范》中第10.2.2条规定,卫生间内LEB应包括卫生间内电源插座的PE线,其目的是考虑PE线引入房间外的故障电压,与插座相连的移动设备可能会造成人身触电事故[4]。GB 51348—2019中第12.7.7条规定:辅助等电位联结导体应与区域内的保护接地导体(PE)相连接[5]。GB 50057—2010第6.3.4条第5款要求:向电子系统供电的配电箱的保护地线(PE)应就近与建筑物的等电位连接网络做等电位连接。因此,从相关规范要求和SPD接地线应接地的做法理解,弱电系统配电箱内PE排与就近的等电位端子LEB或MEB相连。

配电箱内PE排和LEB相连后,无需再另外从LEB到配电箱体外壳做等电位连接线。若无法保证PE排和箱体有效连接,则应另外增设等电位连接线。

(2) 等电位连接端子的接地情况。

机房内有效的接线端子是等电位连接端子MEB或LEB。根据GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》规定,总等电位MEB是将多个接地端子连接在一起并直接与接地装置连接的金属板,GB 50054—2011《低压配电设计规范》规定,局部等电位连接LEB是在某一局部范围内将各导电部分连通[6]。

从上述可知,MEB均可做到有效接地。但局部等电位的主要目的是防止电击防护的措施,如卫生间LEB仅要求某局部区域的金属构件和板内的钢筋连接到LEB,并未强制要求LEB本身做到与大楼接地网连接接地。另外,根据标准图集15D502第4页:局部等电位联结可视为局部范围内的“总等电位联结”,但它与总等电位联结的关系并非总配电箱与分配电箱之间上下级的关系[7]。因此,从等电位的要求来讲,规范并没有强制要求LEB和MEB相连,实际上,如果设计未做要求,建筑物剪力墙、板内或柱子内钢筋并不能保证绑扎、焊接等有效连接。因此,LEB即使和柱内钢筋相连,也并不能保证LEB和接地网或MEB相连。

若机房内LEB无法保证和大楼接地网连接,即使配电箱PE排和LEB连接了,也不能做到有效接地。因此,有SPD的配电箱的机房内的LEB应做到有效接地(与大楼接地网或MEB连接)。部分电子信息系统要求机房LEB通过专用导线与大楼接地网相连,比如消防控制室、民用闭路监视室等,其余有电子信息设备(如较多精密仪器的实验室、医院等)的情况,设计时可根据实际情况综合考虑。

1.4 PE排与等电位端子板连接线截面

基于电击防护要求的局部等电位连接线截面一般是4 mm2的铜线,而SPD接地线是有截面要求的,其截面要求较多大于等电位连接线要求。因此,考虑到雷电流泄放通路时,应使PE排与LEB连接线截面不小于SPD接地线截面。

1.5 PE排接地的做法建议

有观点认为,配电箱内PE排虽不直接接地,但箱体外壳接地了,而箱体与PE排连接(配电箱PE排均已与箱体外壳相连,而有等电位连接并接地的场所,配电箱外壳也应接地),且SPD接地线与配电箱内PE排连接,客观上也使SPD接地了。针对一般的工频故障电压,PE排、箱体和等电位端子板相连,即使操作人员接触到PE排的故障电压,也不会有危险。但对雷电流造成影响,便不建议这样做,因为箱体与PE排的连接线截面积多数为2.5 mm2(图1可清楚看出PE排和箱体的连接线比SPD的接地线截面要小得多),可能并不满足SPD接地线的规格要求。另外,SPD接地端通过连接线、PE排、箱体和接地线至接地点泄放雷电流,无疑使箱体置于泄放回路,会使箱体外壳带有危险电压,不利于保护。

除了卫生间等处的LEB仅是为了电击防护要求,可不强制要求LEB与大楼接地网相连外,有条件时,在弱电系统每处有SPD的配电箱内PE排就近直接(不建议利用箱体外壳间接接地)有效接地。即LEB与大楼接地网有效连接,为节约成本,可以利用柱内钢筋将两者相连,设计时,LEB可与就近柱内钢筋相连,柱内钢筋应与接地网可靠连接,以满足有效接地要求,部分弱电机房LEB需根据规范要求单独与接地网相连,但仅是对末端机房处作要求,对于上级配电也应注意SPD接地线的有效接地问题。

综上,做到SPD接地线有效接地(除PE线路由外)是一个系统工程,每个环节均应可靠连接。认为配电箱PE排,甚至箱体外壳与机房LEB连接后便满足要求的传统认识应该改变(机房LEB不一定会与大楼接地网连接,PE排与LEB连接线截面积也不一定满足要求)。建议在设计图纸中明确如下内容:弱电系统配电箱PE排与LEB、LEB与接地网应可靠连接;配电箱PE排与LEB连接线截面积应不小于SPD接地线截面;施工方及配电箱成套厂等应明确做法;类弱电系统(如有精密 的实验室,医院等)也应参照执行。

2 SPD与进线开关位置关系

SPD有设于进线开关之后和之前两种情况,SPD的设置位置和设置原则也未受到关注。

设于进线开关之后的情况相比于开关之前的情况要多些,这种做法考虑到SPD及后备保护的检修,可安全操作和更换。更换和检修SPD时,可将进线开关断开,但考虑到SPD及后备保护开关检修需求较少,没有必要单纯地以便于检修为理由将SPD设置于开关之后,且还有其余涉及安全角度的因素影响SPD的安装位置。

GB 50057—2010中第4.5.4条要求:应在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的配电箱内的开关的电源侧装设电涌保护器。该条的条文解释为:“对节日彩灯,由于白天不使用,它和其他用电设备在不使用期间内,开关均处于断开状态,当防雷装置、设备金属外壳或带电体遭雷击时,开关电源侧的电线、设备与钢管、配电箱、PE线之间可能产生危险的电位差而击穿电气绝缘;另外,当开关断开时,如果SPD安装在负荷侧,从户外经总配电箱传来的过电压电涌可能击坏开关(因开关的电源侧无SPD保护),故SPD应装设在开关的电源侧”[1]。本条规定考虑了雷电流的流向对开关的冲击、设备绝缘破坏等影响。从雷电流流向来看,如果是从电源侧来的,需先流经进线开关,若雷电流过大,同时开关处于断开状态,雷电流传导的过电压、及导线电感长产生的感应电压可能会产生危险电位差而击穿、破坏开关。另外,也可能会造成电线、设备与钢管、配电箱、PE线之间产生危险的电位差而破坏电气绝缘。若雷电流先通过SPD,SPD的限压作用可以降低外部传导的过电压,减小后面的开关和设备的雷击危害。

因此,以雷电流的流向大小、概率和使用安全的角度分析SPD的设置位置。如果电源侧引入雷电流的概率和数值大于下级回路,建议将SPD设于开关之前;反之,可设于开关之后。为方便分析,本文模拟典型民用建筑内供配电网络,典型民用建筑内供配电网络示意图如图4所示,结合雷电流流向和不同SPD位置做如下分析。

图4 典型民用建筑内供配电网络示意图

(1) 雷电流大概率从上级回路流入。

针对变压器低压侧(包含室外引入的配电总箱)、楼层总箱处,雷电流从室外引入流向下级开关及线路,建议SPD设置在电源侧,即图4中的SPD1-2、SPD2-2位置。

对于第三级配电的分箱处,配电箱和所带的用电设备均在室内,且距离外墙的LPZ0和LPZ1区交界处较远。末端受感应雷的概率很低,不大可能从负荷侧流向电源侧,此种情况建议SPD设置在电源侧,即图4中的SPD3-2位置。

(2) 雷电流大概率从下级回路流入。

室外设备容易受雷击。当配电箱在室内,所带设备却在屋顶、外立面等室外时,雷电流从室外设备(负荷侧)引入的概率和数值大于从上级回路引入。这时建议SPD设置在负荷侧,即图4中的SPD6-1位置。

(3) 雷电流流向概率不明确。

有两种雷电流流向概率和雷电流数值不准确的情况。

① 一种是当配电箱和所带设备都在室外,均会遭受雷电流,雷电流的流向和数值不准确。GB 50057—2010给出了推荐做法,GB 50057—2010中第4.5.4条要求:应在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的配电箱内的开关的电源侧装设电涌保护器。从该条文的解释可知,是为了规避从户外配电箱引入的雷电流对开关的冲击。因此,此种情况其从上级回路引入雷电流的概率和数值大概率大于下级回路,此种情况建议按电源侧装设SPD,即图4中的SPD5-2位置。

② 另一种是第三级配电的分箱处,配电箱和所带的用电设备均在室内,但设备距离外墙较近。参考前文第a条分析,建议设于负荷侧,即图4中的SPD4-2位置。但当建筑高度较高时,比如超高层建筑,还应注意在建筑物上部占高度20%并超过60 m的部位,这部分靠外墙部位遭受侧击雷概率较大,其感应雷电流和概率也相对较大。

(4) 部分民用建筑的配电箱。

比如住宅户表箱的进线断路器带了剩余电流保护功能,且动作于跳闸,雷电流可能会使剩余电流保护断路器跳闸。再次遭受雷电流冲击时,可能会出现危险。这时,也建议在电源侧装设SPD。

综上,对于预期雷电流较大的线路(如第一级SPD处),且进线开关使用剩余电流保护附件或有些开关可能会出现断开情况时,应特别关注SPD和进线开关的相对关系。

3 SPD连接线与接地线截面

在防雷设计时,多数未对SPD接地线的截面有所关注,图纸中也多数未做出规定。SPD连接线和接地线截面过低会有如下问题。

(1) SPD连接线是雷电流的泄放通路,若截面过小,雷电流多次冲击后,可能会破坏导线的绝缘,有火灾危险。虽然单独一次雷电流时间短,但数值很高,也可能会产生较高的能量。

(2) SPD连接线和接地线截面积越大,电感就越小,雷电流流过时所产生的电感压降就越小(即图3中的L1和L2所产生的电感电压),导线所产生的残压值也相对小。因此,加大SPD连接线和接地线截面可减小被保护设备的残压。

(3) SPD故障损坏后,可能会造成对地短路。这时,如果上级保护开关没有及时断开回路,而SPD连接线和接地线因截面过小而无法承受故障电流,就可能发生火灾。

虽然增加SPD连接线和接地线截面积于安全有利,但SPD连接线和接地线也不宜过大,既不经济,也不容易接线安装(SPD多是导轨安装方式,若截面过大,不容易与SPD连接端子压接)。国家规范和相关规范对连接线和接地线有所要求。

(1) GB 50057—2010中的规定[1]。

连接单台或多台Ⅰ级分类试验或D1类电涌保护器的单根导体的最小截面,应按公式(1)所示:

Smin≥Iimp/8

(1)

式中:Smin——单根导体的最小截面;

Iimp——流入该导体的雷电流。

GB 50057—2010中连接SPD的导体最小截面(铜导体)如表1所示。

表1 GB 50057—2010中接SPD的导体最小截面的规定(铜导体)

(2) GB 50343—2012中的规定[2]。

现行规范GB 50343—2012把SPD的连接线分为了连接相线和接地线。GB 50343—2012对接SPD的导体最小截面的规定(铜导体)如表2所示。在本规范2021年的局部修订条文征求意见稿中,对SPD安装位置描述和截面大小做了调整。GB 50343局部修订版对接SPD的导体最小截面的规定(铜导体)如表3所示。

表3 GB 50343局部修订版对接SPD的导体最小截面的规定(铜导体)

对比表2和表3可知,GB 50343修订版对SPD类型描述与GB 50057—2010协调一致了。第一级(Ⅰ类)SPD接地线连接线截面由10 mm2加大到16 mm2,而第四级(Ⅳ类)的SPD接地线由4 mm2降低到1.5 mm2;SPD连接相线由2.5 mm2降低到1 mm2。

部分规范,比如规范YD 5098—2005中对SPD的相线连接线和接地线规格比前文规范高很多,YD 5098—2005对接SPD的导体最小截面的规定如表4所示。

表4 YD 5098—2005对接SPD的导体最小截面的规定

从以上分析可知,不同规范对SPD连接线和接地线的要求各不相同,可操作性也不强。对比了部分厂家产品的样本要求,发现部分品牌SPD的相线连接线和接地线规格大于上述规范要求值,部分品牌给出了接线的范围值。同时,咨询了部分厂家对SPD连接线的实际设置原则(SPD接地线和连接线是在配电箱内部,由成套厂接线完成,SPD厂家需提供给成套厂接线原则),给出的回复是,厂家会给出建议值,但不同厂家执行的规定不同,有的是按照GB 50057—2010和GB 50343—2012中的最低值,有的大于规范GB 50057—2010和GB 50343—2012中的规定值,有的是给出一个截面范围。没有统一标准,加上成套厂的选择权限较大,有时为了降低成本采用的导线截面规格较小,甚至不满足规范要求的最低值。因此,建议在设计时根据SPD的安装位置和预期雷电流大小对SPD的连接相线和接地线截面导体热稳定校验及接地故障保护校验,并在设计图中加以约束,以保证安全。

4 结 语

规范未明确考虑雷电流泄放对配电箱接PE排与等电位端子板连接线的要求,有条件时,弱电系统有SPD的配电箱内PE排应就近有效接地(等电位端子板应与接地网有效连接),并在设计图纸中明确。类弱电系统(如有精密仪器的实验室、医院等)也建议参照执行。SPD与进线开关的位置关系应根据雷电流的预期流向和概率综合考虑。为减少雷电流冲击的影响,建议进线开关避免使用带剩余电流保护附件的断路器。规范GB 50057—2010和GB 50343—2012对SPD连接线、接地线的截面要求是最低值,国内有些行业标准中规定的电涌保护器连接导线最小截面积比较大,可按行业标准执行,并应考虑对热稳定和接地故障的影响。