有关压敏型SPD后备保护器研究 (1).pdf

304 EPEM 2023.7 下电力装备Electric Equipment有关压敏型SPD后备保护器研究厦门市气象灾害防御技术中心 陈 琳摘要：后备保护器（SCB）是SPD发挥功能的核心保证，由于某些SPD的SCB存在保护盲区无法确保安全与质量。本文分析了压敏型SPD的失效特性，介绍了两种后备保护装置，探讨了一种新型后备保护器。关键词：压敏型SPD；后备保护器；失效；雷击电涌保护器（SPD）也称防雷器，可减少雷电环境下，操作电气系统或静电原因等产生的冲击电压；其通过对瞬态过电压和分泄电涌电流进行抑制，从而为各类仪器仪表、电子元器件及线路等提供有效的安全防护。SPD 作为一种防雷装置在电力系统及相关行业中有着普遍应用，发挥着重要作用。SPD 配置是否恰当直接影响到其安全功能的发挥，如果配置不合理则会使得防雷效果不佳，导致电器件损坏。一般雷击电流和较小的工频电流是引发 SPD 故障的主要主因有，由于一些SPD 的后备保护装置兼容性不强，无法同时满足这两种保护功能，使得 SPD 的过流故障保护盲区较大，存在安全风险。1 压敏型 Spd 的工作特性和失效原因1.1 SPD 的工作特性SPD 在电路网中采用并联方式，一端接入电源，另一端接地释放电涌电流。SPD 工作中一般有两种状态：第一种是常规或在额定电压下的高阻状态，阻值达到兆欧级，电路关系上基本上属于开路；第二种是瞬态过电压时的低阻泄放状态。SPD在雷击电涌或瞬态过电压出现时，变为低阻状态，便于及时泄放电涌电流，同时抑制瞬态过电压，避免造成电气设备损坏。一旦雷击电涌或电涌过电压结束后，SPD 会在短时间内恢复到之前的正常高阻状态。1.2 SPD失效原因SPD 在电网中长期带电保护电器元件的安全，在长期多种过电压、过电流的作用下，SPD 也会出现失效问题，其中影响最为突出的因素是雷击电流和小工频电流1：首先，在雷电天气下，如果 SPD能对自身所承受雷电流的电涌进行安全泄放，那么就不容易造成损坏失效；但如果雷电量过强或频繁侵袭时，超出 SPD 的承受范围，其在泄放电涌的过程中同时释放出大量的热能，就容易造成产品的脱扣或损坏，甚至可能发生爆炸危险；其次，基于SPD 的电压敏感特性，电路中的电压一超过既定的阈值就会有电流产生。在复杂的电路环境中，过压过载等经常发生且引发的原因具有多样性，如断路器开关的频繁开合，变频器等频繁启闭等，在这些过电压现象的长期影响下 SPD 的敏感性就可能下降而失效。2 Spd 的后备保护方法为实现电气设备和设施的防雷保护，可以将SPD 与过电流保护器进行串联使用，比较常见的过流保护器为熔断器和断路器。串联后，一旦 SPD 出现劣化短路失效，则熔断器和断路器就可起到过电流保护的作用；主要有 SPD 熔断器过流保护、SPD断路器过流保护，SPD 热脱扣过流保护三种方法（如图1所示）。图1 Spd 的三种过流保护方法2.1 SPD 熔断器式后备保护2023.7 下 EPEM 305电力装备Electric Equipment通过计算防雷器在8/20s 波形下的最大单次冲击能力，从而对熔断器的额定值进行科学配置，确保能够对短路失效后的 SPD 进行有效保护。表1为基于标准 IEC61643-12:2002下，熔断器耐受冲击能力试验的规格与尺寸数据，经过简化处理后的峰值电流典型值与实际测试值之间的对比情况。表1 基于简化公式的峰值电流典型值和实际测试值对比熔断器额定电流/acylgGnHgG弧前值/J计算值/ka实测值/ka比值弧前值/J计算值/ka实测值/ka比值258007.650.66-3213009.670.73-40250013.4100.75-50420017.3150.87-60750023.1170.73-801450032.1250.78-1002400041.1300.72208.8050.57125400053.4400.753311.3070.62160-6015.30100.65200-10019.75150.72250-20027.93200.76315-30031.21250.73根据以上内容可知，熔断器过流保护具有结构简单、附加残压低（相对于 MCB 而言）、分断能力强等特殊优势2。然而，也应认识到常规熔断器后备保护器始终存在过流保护盲区的缺陷，特别是当电路中存在工频小电流时，电路断路难以进行及时断开分离，同时因为自身的体积较大，因而较难实现故障遥信功能。2.2 SPD 断路器式后备保护一般情况下，使用电磁脱扣和灭弧装置的 SPD断路器，其过流保护中 SPD 可以获得更高的电涌耐受能力。表2中的 MCB-63和 MCCB-126两种断路器中都含有电磁脱扣器件，当有雷电流通过时其残压相对较高，就会导致 SPD 的电压保护水平被拉低。即便是按 SPD 的最大通流量来设计 MCB的配置方式，虽然可在一定程度上降低雷击时断路器的脱扣可能性。但是依然难以解决较大雷电电流和 MOV 劣化状态下工频故障小电流对保护功能的影响3。此外，MCB 还存在分断能力上的较大局限性，就算 MCB 的分断能力达到15kA，也同样无法对 T1、T2级 SPD 安装位置的预期短路电流进行安全分断。表2 不同小型断路器耐受冲击电流的情况对比断路器类型最大单次冲击计算值/ka最大预处理冲击耐受能力/kaGB18802.12011中 in优选值/ka对应的imax值/ka10/350s下最大单次冲击/kac1014.210.6610-c1622.214.71020-c2022.920.31020-c2530.124.21530-c4038.025.11530-c5033.126.115301.061c6334.726.120402.069mccB-63-60120-mccB-126-26.0003 Spd 后备保护器优化设计研究基于8/20s（波前时间/半峰值时间）条件下的雷电冲击电流，其电流近似频率约50kHz，同条件下的工频电流频率所对应的时间周期为20s，二者之间的频率差值高达1000倍4。可以利用二者之间的不同幅频特性，针对差异电流设计不同的电路通路，并就整合应用方案进行优化。3.1 工频小电流通道设计压敏电阻在工频电流超过5A 时，仅需短短数秒就会因电流过大致热而发生燃爆现象，通过将热双金属片增设到小电流通道上能够实现问题解决。热双金属片由至少两个金属或合金层的材料组成，这些材料的热膨胀系数各不相同。通过将接动触头、执行机构、过电流线圈、热双金属片、电感矢量模块等按照标准顺序规范地与电源输入端进行接入；设计电流定位3A，过流时间限定在7s 之内。当电流通道上如有电流通过时，热双金属片受热出现弯曲，随着电流加大，其弯曲程度随之增加，在达到一定位置时即可切断电源，实现电网脱离。图2 热双金属片动工作原理图3.2 雷击大电流通道设计为避免在雷击大电流下，SPD 后备保护装置出306 EPEM 2023.7 下电力装备Electric Equipment现误脱扣的故障，应对原有的电流通道进行优化。电源输入端、放电型开关管和输出端子有序接入，根据不同大小雷击电流可以选用不同规格型号的开关装置，如 Type 型（20kA120kA 多种类型可选），Type 型（25kA、50kA 等类型），所选开关应与 SPD 的参数条件相匹配。图3 雷击大电流通道设计方案图3.3 预期短路的分断能力设计实际环境下，SPD 可用于 LPZ0、LPZ1等多种区域场合，而在电网中也存在与其相匹配的预期短路分断电流，这就要求在设计 SPD 后备保护器时，必须考虑设计参数和结构是否符合预期短路分断能力的要求5。本文中，笔者初设新型 SPD 后备保护器的预期短路分断能力为100kA，结合小型断路器的电磁脱扣器原理来进行设计。如图4所示，当电路中的电流通过环形线圈时即形成电磁作用，使得动、静铁芯进行紧密吸合，动铁芯带动脱扣杆对动触头机构进行不断撞击，直到机构失衡而与静触头进行分离，由此实现电路断开。图4 小型断路器电磁脱扣示意图3.4 两种电流通道的整合设计基于工频小电流和雷击大电流的不同幅频特性，本文设计了具有三层外壳结构，包含两条不同电流通路的 SPD 新型后备保护装置（如图5所示）。其中，工频小电流通道介于保护器装置的第一、二层之间，可以发挥甄别、判定、分断电路等作用；雷击大电流通道位于装置的第二、三层之间，日常处于开路状态，雷击情况下各等级的雷电流可经此通路实现安全泄放，确保 SPD 对电气设备的保护功能不受影响。实际应用方面，在 SPD 回路上串联 SPD 后备保护器，并接入电网使用，雷击大电流根据不同的雷击等级合理选用和进行配置。图5 新型 Spd 后备保护装置示意图综上所述，基于现有的 SPD 后备保护器设计缺陷，难以同时兼顾处理雷击大电流和工频小电流，一方面在存在电源系统故障或 SPD 过流短路等情况下，就会出现因电流值过小而无法及时启动后备保护装置的问题；电路未断开情况下，工频电流持续通过会导致 SPD 过热起火并烧坏；另一方面，SPD后备保护器在弱电流下虽然被艰难启动，但难以招架过大的雷电流冲击，此时就会造成 SPD 丧失正常泄放雷电流的功能，同样起不到防雷保护作用。本文结合不同电流性质提出一种新型 SPD 后备保护器的设计思路，通过将不同类型的过电流引至不同的电路通道，实现安全、有效的过流处理，将大幅提升 SPD 的防雷保护性能。参考文献1李欣,刘宝全,等.电源 SPD后备保护装置失效模式分析 J.建筑电气,2013,5.2陈华晖,沈云新,等.SPD 专用后备保护器的研究J.建筑电气,2020,10.3王一平.电涌保护器与后备保护开关电器极数的选择与配合 J.现代建筑电气,2017,9.4 谢宝永,林世祺,等.电源 SPD后备保护器对雷电流的分断能力试验和匹配分析 J.价值工程,2015,32.5 殷要红.具有后续保护的 SPD后备保护方案 J.农村电气化,2017,9.