电涌保护器在石化低压配电系统中的应用

罗琪

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

电涌保护器在石化低压配电系统中的应用

罗琪

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

电涌是危害电力系统安全运行的主要因素之一，石化行业多采用安装电涌保护器的方法来抑制低压配电系统电路中产生的电涌，结合石化工程项目应用实例阐述了如何在石化低压配电系统中选择和安装布置电涌保护器。

过电压；电涌保护器；参数；级间配合

电路在雷击或接通、断开电感负载时常常会产生很高的瞬间过电压，这种瞬间过电压被称为电涌，是一种瞬变干扰，可分为雷击电涌和切换电涌。雷击电涌是雷电直接击中电线、接闪杆时由于电阻、电容、电感耦合而引入电线，或雷击某地造成不同地之间的地电位不均衡等原因在有源或无源导体上产生的瞬态过电压，对电子设备可造成毁灭性打击；切换电涌是指操作开关分断电源、电力网中大型感性或容性设备的投切等原因产生的过电压，切换电涌不如雷击电涌高，但出现频繁，对电子设备同样会产生不同程度的损害［1］。电涌是危害电力系统安全运行的主要因素之一，目前对于低压配电系统电气电子设备的电涌保护多采用安装电涌保护器的方法来抑制电路中产生的冲击电压，石化行业也是如此。

电涌保护器SPD（Surge Protective Device）是一种用于带电系统中限制瞬态过电压和导引泄放电涌电流的非线性防护器件［2］。低压配电系统中用以保护电气或电子设备免遭雷电或操作过电压及涌流的损害。其在石化系统的相关要求如下：

（1）电力系统无电涌时，SPD不应对系统正常运行产生影响；

（2）电力系统出现电涌时，SPD能控制电涌电压和分走电涌电流 承受预期通过的雷电流而不损坏；

（3）电力系统出现电涌时，SPD在电涌过后切断工频续流，恢复到高阻抗状态。

同时，石化系统还对电涌保护器标准符合性进行认定管理，以确定SPD是按照标准规定进行了审查、检验、监督并确认符合相关技术法规及标准。

1 防雷系统工程

防雷是一个综合的系统工程，这个系统的基本构成框架如下图1。

图1 防雷工程体系Fig.1 Lightning protection system

由此可见防雷的整个系统工程是先通过外部防护将大部分雷电流直接引到地下共用接地网泄放，再通过内部防护对整个系统实现等电位联接，局部做屏蔽保护，最后才是过电压保护（即安装SPD）。 一个有效的防雷系统应该包括直击雷的保护、接地网络以及过电压抑制，环环相扣，缺一不可。雷电流的直接泄放是外部保护的目标，等电位的联接在内部防护中至关重要，只有做好这些，SPD才能起到有效的过电压保护作用，如果只是安装SPD而没有其他的保护，也是没有意义的。

2 电涌保护器的作用

SPD的作用是泄流和限压。

泄流：让大部份入侵的雷电流能量通过等电位联接、接地装置等泄放到大地，致使到达保护设备的闪电电磁脉冲很少或者没有。

限压：在入侵的雷电流通过电源线路进入建筑物的时候，把SPD两端的电压限制在一定的数值内，并且保证被保护设备在这个数值范围内是可以承受的。

这两个功能同时获得，即在分流过程中达到限压，使电子设备受到保护。

3 电涌保护器的种类及在石化行业的应用

3.1 按设计类型分类

电涌保护器按设计类型的具体分类见表1。

表1 电涌保护器依照设计类型的分类Tab.1 The design type classification of SPD

3.2 按用途分类

按用途分为电源系统SPD和信号系统SPD两种类型，在石化系统有大量使用，并且还有相应的检验项目要求。

（1）电源系统SPD：交流、直流、开关电源保护等，适用于变电所配电柜，直流屏等系统的配电保护，涉及检验项目见表2。

（2）信号系统SPD：低频、高频、天馈信号保护等，适用于机柜间、信号系统柜、网络机房等设备保护，涉及检验项目见表3。

表2 电源系统SPD检验项目Tab.2 The test items of power system SPD

表3 信号系统SPD检验项目Tab.3 The test items of signal system SPD

4 电涌保护器选择的重要参数

SPD的最大持续工作电压UC：使SPD不动作，不烧损的连续施加在其两端最大运行电压有效值。要求高于系统中可能产生的最大持续工作电压UCS。

SPD的暂时过电压的评估UT：施加在SPD上并持续一个规定施加的试验电压，以模拟在暂时过电压（TOV）条件下的应力［3］，要求UT＞UTOV（LV）（由低压系统中故障出现的暂时过电压）。当高压系统发生接地故障时，SPD能在引起的暂时过电压下安全性失效或者正常工作。当低压系统发生故障时SPD可以承受故障引起的暂时过电压。

SPD的标称放电电流In：流过SPD具有8/20波形的电流峰值，用于Ⅱ类试验的SPD分类以及Ⅰ类、Ⅱ类试验的SPD的预处理试验［2］。

SPD冲击电流Iimp：由电流峰值IP、总电荷Q和能量比W/R所规定的脉冲电流［2］，一般用于Ⅰ类试验，波形为10/350 μs。

SPD的电压保护水平Up：是表征SPD限制接线端子间电压的性能参数［2］，其值应大于限制电压的最高值。

SPD的有效电压保护水平Up/f：反映了电涌保护器限制电涌过电压的能力［2］。通常为SPD两端引线的感应电压降与Up之和。

5 电涌保护器的安装

5.1 SPD的安装位置及在石化系统的应用示意

一般要求在防雷区的分界处选择安装SPD，第一级SPD保护应安装在LPZ0A、LPZ0B与LPZ1的交界处，通常应选用Ⅰ类试验的浪涌保护器，在有些石化项目中也有选择Ⅱ类试验SPD。第二和第三级SPD应分别安装在LPZ1与LPZ2、LPZ2与LPZ3的交界处，可选用Ⅱ类或Ⅲ类试验的SPD。根据石化系统设计的要求，第一级一般在变电所总配电处，第二级一般选在变电所分配电处，第三级一般加在变电所或现场终端设备电源。石化低压配电TN-S接地系统的SPD安装位置见图2。

图2 石化低压配电TN-S系统的电涌保护器安装位置示意Fig.2 The SPD installation position layout of petrochemical engineering low voltage TN-S system

5.2 SPD的接线形式

SPD安装的位置随着石化低压配电系统的接地形式的不同而改变，最基本的接线形式为对地法（“4+0”）接线模式和N-PE法（“3+1”）接线模式，详见图3的接线图。

图3 电涌保护器的接线模式Fig.3 The wiring type of SPD

不同接线形式SPD的安装位置也是不同的，详见表4。

表4 电涌保护器的安装位置Tab.4 The installation position of SPD

5.3 SPD安装的注意点

设备和SPD之间应等电位联接，为了避免SPD的连线形成过大环路，不降低过电压保护的有效性，通常要求SPD两端的引线总长度小于0.5 m。如果不能达到这个要求，可以使用凯文接线法，这种方法可以使电感效应显著降低。

为了防止已受到保护的线路和未受到保护的线路之间产生二次浪涌，线路应屏蔽隔离，或者各线路之间要保持相应的空间距离，切忌各线路之间近距离平行敷设。

SPD一般装在断路器之后，具有抑制雷击过电压和防止操作过电压的作用。若是装在断路器前，则不能防止操作过电压。

SPD应该安装在漏电保护开关的前面，以减少漏电器误动作的机会，如果安装在漏电保护器的后面（应尽量避免），则要求RCD在泄放浪涌电流时不会脱扣动作。

在TN系统中PEN或PE导线必须和主接地排可靠连接，电力系统提供的PEN导线不能做为防雷保护单一接地。

基于安全原因，电源线路SPD安装时应串联后备保护装置，通常可选熔断器、断路器或专用后备保护器，当SPD不能切断工频短路电流时，过电流保护器动作并使其从回路中断开，以免影响系统供电或本体过热引起火灾、爆炸或SPD的维护。选择后备保护装置的标称电流的时候要注意主回路的电流要大于支路电流，通常上下级额定电流需符合IEC标准规定的过电流选择比为1.6∶1的要求。

6 SPD的级间配合

当安装一个SPD不能将总的威胁设备安全的过电压值降到被保护设备能耐受的安全范围内的时候，我们就需要考虑通过安装多级SPD来逐级削弱低压配电系统的过电压，以达到保护的目的。选择SPD的时候要注意各级的标称放电电流要大于泄放的电涌电流。通常为了在第一阶段就泄放掉大部份的侵入雷电流，第一级的SPD选择通流量大的，第二级及以后的SPD的通流量就可以选比较小的。表5为保护配置的一般原则。

表5 SPD多级保护配置的一般原则Tab.5 The general principle of SPD's multi-level protection

多级保护能量配合要求为：从前级到后级，通流量A＞B＞C，残压值A＞B＞C；动作配合要求为：从前级到后级，响应时间A＞B＞C。各级SPD级间能量以及动作时间的配合是选择SPD的时候需要重点考量的因素。一般规定安装在后级的SPD不能比安装在前级的保护SPD先动作，所以各级SPD之间会有一个保护线路的概念，这个线路的长度可以通过理论估算确定：电压开关型和限压型SPD的响应时间分别为100 ns和25 ns，雷电波在电缆中的传播速度v是1.5×108m/s，在2级SPD响应时间差内传播的距离是s = vt = 1.5×108×（ 100-25）×10-9= 11.25 m，由此可知只要第一和第二级SPD之间距离不小于11.25 m就可以保证第二级SPD不会比第一级先动作，由于SPD实际响应时间有一定的误差，一般取值15 m。同样如果保护器件都是限压型的，假定实际响应时间误差为25 ns，那么s = vt = 1.5×108×25×10-9= 3.75 m，也就是说只要两级SPD之间距离不小于3.75 m就可以达到前级SPD先动作的目的，为保险起见，一般取值5 m。如果各级之间的SPD不能满足上面理论计算的距离要求，可以加装退耦装置，这在石化系统电信专业用得较多，一般采用电阻并取决于雷电电流峰值。

7 电涌保护器在石化项目中的设计实例

以某石化装置变配电楼为例，结合国家规范和石化行业要求，阐述了实施SPD的整个过程。该变配电楼0.4 kV系统从上级变电所引入2路不同母线段电源，每路1根5芯电缆，连接至0.4 kV开关柜，单母线分段接线，负责0.4 kV电动机、低压动力和照明配电。该变配电楼的接地型式为TN-S系统，和边上建筑物距离30 m，楼长52.5 m，宽21m，高10 m，所处地区年平均雷暴日Td为94.4 d/a，14年间平均地闪密度为15.81次/（ km2·a ），土壤电阻率为315.35 Ω·m。

7.1 确定该项目所在区域的雷击大地密度值Ng

一般该值取项目所在区域测得的地闪密度和通过年平均雷暴日计算的雷击大地密度的平均值。

参照GB 50343—2012 附录A.1可知由雷暴日计算的雷击大地密度值Ng= 0.1×Td= 0.1×94.4 = 9.44次/（ km2·a ），而区域测得平均地闪密度值为15.81次/（ km2·a ），两者的平均值为（9.44 +15.81）/2 = 12.625 次/（ km2·a ），因此该项目的雷击大地密度Ng取值12.625次/（ km2·a ）。

7.2 确定变配电楼建筑物防雷等级及是否需要安装雷电防护装置

（1）变配电楼及入户设施年预计雷击次数N

参照GB 50343—2012 附录A.1可得：

变配电楼截收相同雷击次数的等效面积为［4］：

式中：L、W、H分别为变配电楼的长、宽、高。

变配电楼年预计雷击次数 N1= K×Ng×Ae= 1 ×12.625×0.013 5 = 0.17次/a

式中：K为校正系数，本楼为非空旷孤立非金属屋面建筑物，一般取1。

低压埋地电源线缆入户设施截收面积 Ae1=2×ds×L×10-6=2×315.35×30×10-6= 0.018 921 km2

架空信号线缆入户设施的截收面积 Ae2= 2 000×L×10-6= 2 000×30×10-6= 0.06 km2

式中：ds表示埋地引入线缆计算截收面积时的等效宽度，单位为m，其数值等于土壤电阻率的值，最大取500。L是线路从所考虑建筑物至网络的第一个分支点或相邻建筑物的长度，单位为m，最大值为1 000。

入户设施年预计雷击次数 N2= Ng×（ Ae1+Ae2） = 12.625×（ 0.018 921 +0.06 ） = 0.996次/a

由此得出变配电楼及入户设施年预计雷击次数N = N1+N2= 0.018 921 +0.996 = 1.01次/a

（2）最大可接受年平均雷击次数Nc

参照GB 50343—2012附录A.2及本项目的实际情况来确定建筑物的各类因子取值，详见表6（本项目特点除C6外具有石化行业的共性内容）。

综合以上取值，可得变配电楼建筑物相关的因 子 C = C1+C2+C3+C4+C5+C6= 1+2.5+0.5+1+1+1.2=7.2。

在确定了C的值之后，变配电楼最大可接受年平均雷击次数Nc也就同时确定了，Nc=5.8×10-1/C = 5.8×10-1/7.2 = 0.080 6 次/a

（3）通过比较得出结论

表6 建筑物各类因子取值Tab.6 The various factor's values of the structure

①由于变配电楼及入户设施年预计雷击次数值N大于最大可接受年平均雷击次数值Nc，按照GB 50343—2012 4.2.3的规定，变配电楼应采取雷电防护措施，即一套系统的综合防雷工程，而这个工程中不可缺少的一个环节就是SPD。

②同时按照GB 50057—2010 预计雷击次数大于0.25次/a，故应划为第二类防雷建筑物，雷电流值取150 kA。

7.3 确定SPD的重要参数

（1）估算雷电流的分流值

通过计算可知本变配电楼已划为第二类防雷建筑物，参照GB 50057—2010雷电流值取150 kA。一般石化项目假定总雷电流I的50%流入建筑物的防雷接地装置中，而其余的50% Is进入各种设施（外来电力线、通讯线、金属管道等）间分配。变电所引来的2路进线，每路1根5芯电缆，按无屏蔽层考虑，则：

SPD1的通流量I1（350）为

式中：I为雷电流值；I1（350）为流过10/350 μs的放电电流值；I1（20）为流过8/20 μs的放电电流值；n为埋地或者架空金属管、电源及信号线缆总数目；m为每一线缆内导线的总数目。

雷电流流经SPD1 后，考虑会有50%残余电流作用于SPD2 上，则SPD2 的标称通流量为：I2= I1×50% = 62.75 ×50% = 31.38 kA； 同理，则SPD3的标称通流量为：I3= I2×50% = 31.38×50% = 15.69 kA。可得本项目各级SPD的通流量的最低值要求，详见表7。

表7 各级SPD通流量最低值Tab.7 The lowest current of different levels of SPD

（2）确定SPD的最大持续工作电压Uc

本项目为TN-S接地系统，参照工业与民用配电设计手册表13-33来确定所选SPD的Uc，要求L和N的电压值不小于1.15倍的相电压，即1.15×220 = 253 V；L和PE线间的电压不小于1.15倍的相电压，即1.15×220 = 253；N和PE线间的电压不小于相电压。可得本项目SPD Uc取值的最低要求，详见表8。

表8 SPDUc最低值Tab.8 The lowest Uc value of SPD

（3）确定SPD的耐受暂时过电压评估UT

根据GB 18802.12—2014 6.2.1.2表5可知，连接至TN-S系统每一相和PE线间SPD耐受的暂时过电压（TOV）值为1.55×1.1×220 = 375 V，故选择UT＞375 V。

（4）确定SPD的电压保护水平Up和有效电压保护水平Up/f

本项目选择的第一级SPD为电压开关型，直接装在被保护的开关柜内部，保护距离小于5 m，由GB 50057—2010 6.4.6可知，Up即为Up/f，取值小于被保护设备的绝缘耐冲击电压额定值，查表GB 50057—2010 6.4.4可知耐冲击电压额定值为6 kV。

本项目选择的第二级及以后的SPD为限压型，直接装在被保护的配电柜或者配电箱内部，保护距离小于5 m，由GB 50057—2010 6.4.6可知，其Up/f= Up+ΔU = Up+0.2 Up= 1.2 Up（式中：ΔU为SPD两端引线的感应电压降），取值小于被保护设备的绝缘耐冲击电压额定值，查表GB 50057—2010 6.4.4可知分配电线路、终端设备的额定值分别为4 kV和2.5 kV，即第二级SPD的Up≤Up/f/1.2 = 4/1.2 = 3.3 kV； 第三级SPD的Up≤Up/f/1.2 = 2.5/1.2 = 2.08 kV。

本项目所选SPD的Up值可总结为表9。

表9 各级SPDUP取值Tab.9 The UP values of different levels of SPD

7.4 确定SPD的安装位置

本项目选择的电涌保护器安装在防雷区的交界处，第一级SPD1安装在LPZ0区和LPZ1区界面处，即总配电处，第二级SPD2安装在LPZ1区和LPZ2区界面处，即分配电处，第三级SPD3安装在LPZ2区和LPZ3区界面处，即终端设备处，具体位置见下面图4。

7.5 确定SPD的接线形式

最基本的SPD接线形式为对地法（“4+0”）和NPE法（“3+1”）2种，选用的时候要综合考虑所装地区的接地系统和项目的具体情况。本装置为TN-S系统，故原则上这2种接线形式都是可以采用的。以下为两者的简要比较：

（1）保护范围：对地法保护的范围为L-PE间和N-PE间，N-PE法保护范围为L-N间和N-PE间，2种都具有良好的纵向保护功能，但是横向保护功能N-PE法优于相对地法。

（2）开关动作：对地法电涌保护器连接在相线和PE线之间，回路阻抗包括供电变压器电阻、导线电阻、接地电阻，N-PE法电涌保护器连接在相线和N线之间，回路阻抗包含供电变压器电阻、导线电阻，可见N-PE法的回路阻抗较低，故障电流也较大，相比对地法接线方式更易跳闸。

结合这个项目考虑到通常线与线在同一电缆中或在平行走线中在L—N之间的雷击过电压概率很小，主要集中在L—PE之间以及有些终端用户不允许随意跳闸，故此装置选择对地接线法，而一般石化低压配电系统也均采用此接线法。

7.6 SPD的最终选型

根据7.3、7.5的描述和计算列出对SPD各参数要求，满足了极间保护，具体见表10 。

结合厂家的样本，选择合适这个项目的SPD，SPD详细参数见表11，最终选择的产品完全满足对SPD的参数要求，对整个项目低压配电系统起到有效的过电压保护。

图4 SPD的具体安装位置Fig.4 The detailed installation position of SPD

表10 电涌保护器的参数要求Tab.10 SPD's parameter requirements

8 结束语

电涌的损害在我们的日常生活和工作中是非常常见的，电网、雷击、爆破，这些都是电气电子设备的隐形致命杀手，如防护不当，会使电气电子设备误动作，严重时会造成电气电子设备永久性损坏。因此为了提高电气电子设备的可靠性和安全性，必须对电涌采取防护措施，而电涌保护器的应用就显得尤为重要。本文对电涌保护器的原理、作用、选择、安装做了简单的阐述，并结合具体项目实施谈了一些在石化低压配电系统中的应用心得，只有严格按照国家标准和行业特点选择和安装电涌保护器，才能确保浪涌保护器的可靠性，实现有效的过电压保护。

表11 电涌保护器的最终选型Tab.11 The final selection of SPD

［1］周至敏，纪爱华.电磁兼容技术：屏蔽、滤波、接地、浪涌工程应用［M］.北京，电子工业出版社，2007

［2］GB 18802.12—2014低压电涌保护器（SPD）第12部分低压配电系统的电涌保护器选择和使用导则［S］

［3］中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册［M］.第三版.北京，中国电力出版社，2005

［4］GB 50343—2012建筑物电子信息系统防雷技术规范［S］.

Application of SPD in Low Voltage Distribution System in Petrochemical Industry

Luo Qi
（SINOPEC Shanghai Engineering Co.，Ltd，Shanghai 200120）

Electric surge is one of main factors harming safe operation of power system.In petrochemical industry，SPD often is used for depressing electric surge occurred in low voltage electric distribution system.In this article，combined with practical example in petrochemical engineering project，selection，arrangement and installation of SPD in low voltage electric distribution system were depicted.

over voltage； SPD； parameter； level cooperation

TM 52

A

2095-817X（2016）04-0035-008

2016-05-25

罗琪（1983—），女，工程师，主要从事石化电气设计。