建筑物低压配电系统电涌保护器能量配合分析
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摘要：低压配电系统中，实现电涌保护器（Surge Protective Device，缩写成SPD）之间有效的配合，确保发生雷击瞬间各级SPD依次按级启动，从而保护设备免遭雷电损坏，需要对SPD各种能量配合方案进行分析，选择更优的解决方案。本文通过行波理论分析SPD前后级的关系，提出各级电源SPD与被保护设备能量配合基本原则和方法，对实际工程问题具有重要指导意义。
Abstract： In low-voltage power distribution system， in order realize the effective coordination of Surge Protective Device（SPD） and ensure that SPD at all levels successively start by grade in the lightning instantaneous， so as to protect equipment from lightning damage， it is necessary to analyze different SPD energy cooperation solutions and choose a better solution. Based on the traveling wave theory， this paper analyzes the relationship between the before and after level of the SPD， proposes the basic principle and method of energy cooperation between all levels of SPD power and protected equipment， which has important guiding significance to the actual engineering problems.
关键词：低压配电系统；电涌保护器；行波理论；能量配合
Key words： low-voltage power distribution system；Surge Protective Device；traveling wave theory；energy cooperation
中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）21-0144-03
0 引言
最近几年，SPD的级间配合问题越来越受到国内工程人员高度重视，有些规范中提出了级间配合问题，但对指导实际工程解决级间配合问题缺乏可操作的方法。本文根据理论计算并结合实际情况，对低压配电系统内的SPD级间以及与被保护设备配合问题进行分析，提出一个可行的SPD能量配合方案，希望更好地处理SPD能量配合问题。
1 SPD级间的行波理论分析
低压配电系统过电压防护，通常采用多级SPD加以保护，一般第一级采用电压开关型SPD，以泄放大的雷电流；第二级采用限压型SPD，目的是使电压保护水平小于被保护设备的绝缘耐冲击电压额定值。在这种情况下，就会出现前后级保护的配合问题，因此我们可用行波理论来分析一下SPD前后级的关系。
雷电发生瞬间，雷电波沿着电力电缆侵入，首先到达电压开关型SPD，由于电压开关型SPD内放电间隙有响应时延，约为100ns，限压型SPD内限压元件的响应时间较快，一般为25ns。因此我们应该保证在侵入波到达限压元件之前让放电间隙动作，或者前后限压型SPD依次按级启动。下面我们用行波理论来分析一下前后级的关系。
从资料了解到波在电缆中的传播速度为V=1.5×108m/s，限压元件的响应时间T小于等于25ns，放电间隙的动作响应时间T为100ns。那么，波在这个时间差（100-25）ns内向前行进的距离S为：
S=V×T=（1.5×108m/s）×[（100-25）×10-9s）]=11.25m
从计算结果可知，如果SPD1元件和SPD2元件之间的距离（电缆）大于11.25m，就能够保证在到达后级SPD2之前让SPD1先动作，从而达到将强的雷电流先泄放入地的目的。考虑到防雷元件性能差异造成实际响应时间的误差，一般情况下应将开关型SPD与限压型SPD之间的距离考虑得更长一些，选用15m是较合适的。
同理，如果前后级均为限压型SPD，响应时间均为30ns，但考虑到其实际响应时间的误差，那么为了保证前级先动作，则两级保护间的距离应该为：
S=V×T=（1.5×108m/s）×（30×10-9s）=4.5m
考虑到其实际响应时间的误差，选用5m是合适的。
在实际的工程中，有时很难保证开关型SPD和限压型SPD之间的距离（电缆）大于15m，因此，我们通常采用集中电感来等效这个距离[2]。一般情况下，导线的L0约为1.6×10-6H/m，为了等效15m和5m长导线分布参数的电感量，则集中电感分别为：
L15= L0×S =1.6×10-6H/m×15m=24μH
L5=L0×S=1.6×10-6H/m×5m=8μH
计算可知，我们可以分别用电感量为24μH和8μH的集中电感来等效15m和5m长的导线。
2 SPD与被保护设备的能量配合基本原则
低压配电系统中，通常SPD安装在各防雷区交界处及被保护设备处，其允许的电压保护水平UP和残压值必须满足被保护设备绝缘水平和抗冲击性的要求。特别是信息系统设备时，可能需要装设多级SPD以逐级削减雷电瞬态过电压能量，直到满足保护设备的安全性要求。SPD能量配合的一般原则是SPD电压保护水平必须小于如下被保护设备绝缘耐冲击电压额定值。（表1）
3 电涌保护器的能量配合方法
3.1 基于静态伏安特性的配合（图1）
该配合方法是SPD之间除了线路外不附加任何退耦元件，其能量的配合可用它们的静态伏安特性来实现。当SPD间有足够的线路距离时，利用线路的自然电感的阻滞作用，可使后级SPD的电流较前级SPD小，实现SPD级间能量配合。
根据上面行波理论分析，只要电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不小于15m，限压型SPD间的线路长度小于5m，就可以利用两级SPD间的自然阻抗实现能量配合，保证多级SPD不出现盲点。
但是在实际施工中，往往建筑物比较小，SPD间没有足够的线路距离。比如线路是电缆时，解决办法是在施工时可以加长电缆线的长度，将加长的线盘绕成圈以减少空间（应考虑圈与圈之间分布电容和绝缘水平）。
3.2 利用线路分布阻抗或设退耦元件的配合
在实际施工中，由于受场地限制，难于满足安装条件要求，SPD间没有足够距离时，可以利用线路的分布阻抗或设专用退耦元件（电阻元件主要用于信息系统中，电感元件主要用于电力系统中）来达到SPD级间配合的目的。若采用电阻退耦，电流波前梯度是决定性参数，若采用电感退耦，必须考虑电流波形，即di/dt。电流波前梯度和电感量越大越容易实现能量配合。低压配电系统中，可采用退耦元件来等效距离长度，电压开关型SPD与限压型SPD间串联的退耦元件的电感量不小于24μH，限压型SPD间串联的退耦元件的电感量不小于8μH。
3.3 采用触发型SPD实现配合方法
触发型SPD的电子触发电路能保证后续的SPD不超过其能量耐受能力，可以用触发型SPD达到配合。这个方法不需要退耦元件。
4 SPD防护系统基本配合方案
4.1 应用这些方案时，应充分考虑组件的能量容限及其分散性，也应保证SPD接线两端足够短直。
4.2 方案a、b属于限压型SPD的配合，具有连续的伏安特性。方案Ⅰ选用的各级SPD的残压Ures相同，级间无退耦元件或仅用线路阻抗来实现。方案Ⅱ选用的各级SPD的残压Ures呈台阶式，逐阶级升高。
4.3 方案c前级是开关型SPD和限压型SPD之间的配合，后面是限压型SPD之间的配合。这种方案能快速减小冲击电流，从而大大减小后续SPD的“压力”。
4.4 方案d中多级联SPD组合成含有双端口模块系统。双端口SPD模块必须与系统中的其它SPD按方案a、方案b或方案c进行充分配合。
5 结束语
5.1 本文根据行波理论计算，对建筑物低压配电系统内的SPD级间以及与被保护设备配合问题进行分析，提供上述a、b、c、d四种常见SPD能量配合方案供选择，希望对处理SPD能量配合实际问题具有指导意义。
5.2 在实际的工程中，往往受场地限制，难以保证SPD之间的距离符合规范要求，可以利用退耦元件来等效这个距离。
5.3 SPD能量配合的一般原则是SPD电压保护水平必须小于被保护设备绝缘耐冲击电压要求，同时满足被保护设备的抗扰水平要求。
5.4 各种能量配合方案应根据实际情况优化选择。
5.5 SPD系统是否实现了配合，可以采用配合试验，计算机模拟、仿真标准脉冲参数、用已证实厂家配合好的SPD组合系统等方法加以验证。
参考文献：
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