浅谈电源电涌保护器

李宗哲, 胡娟平, 程晓飞

(1.西安航嘉电子有限责任公司, 陕西 西安 710075;2.陕西省建筑设计研究院有限责任公司, 陕西 西安 710018)



浅谈电源电涌保护器

李宗哲1, 胡娟平2, 程晓飞2

(1.西安航嘉电子有限责任公司, 陕西 西安 710075;2.陕西省建筑设计研究院有限责任公司, 陕西 西安 710018)

介绍了电涌保护器(SPD)分类及工作原理,分析比较了用作电源SPD保护电器的熔断器、断路器的优缺点。电源SPD一般无需后备保护电器,但为了SPD失效后更换方便,最好串联断路器当作保护电器,进一步保证低压配电设备能够更加安全、可靠地运行。

电源; 电涌保护器; 保护电器; 熔断器; 断路器; 后备保护器

0 引 言

电涌保护器(Surge Protective Device,SPD)是限制雷电反击、侵入波、雷电感应和操作过电压而产生的瞬时过电压和泄放电涌电流的器件,至少包含一个非线性元件,为雷电防护装置体系中的重要组成部分[1]。

SPD具有泄流和限压两个作用。泄流就是把入侵的雷电流分流入地,让雷电的大部分能量泄入大地,使雷电电磁脉冲无法达到或极少部分到达电子设备。限压就是在雷电过电压通过电源线入户时,在SPD两端保持一定的电压(残压),而该残压又是电子设备所能接受的。泄流和限压两个作用可同时获得,即在分流过程中达到限压,使电子设备得到保护[2]。

应用于低压配电系统的电源SPD适用于对感应雷和雷击电磁感应或其他瞬态过电压造成的电涌进行保护。本文所描述低压配电系统是指海拔不超过2 000 m、额定频率至30 kHz、交流额定电压不超过1 000 V(有效值)、直流电压不超过1 500 V的系统或者相关设备。

1 SPD分类及工作原理

电源SPD主要分开关型电源SPD和限压型电源SPD。一般开关型电源SPD主要部件是放电间隙或气体放电管,没有电涌时具有高阻抗,当对电涌电压响应时能突变成低阻抗。限压型电源SPD最常用的主要部件是金属氧化物压敏电阻(MOV),没有电涌时为高阻抗,随着电涌电流和电压的增加,阻抗持续减小。

电源SPD的最大放电电流Imax是SPD不被损坏而能承受的最大放电电流,当超过该值或长时间工作于感应过电压状态,大于SPD所设计的最大吸收能量和放电电流时,SPD遭受冲击后可能会失效。电源SPD的失效模式有开路模式(开路或高阻抗)和短路模式(短路或低阻抗)。在开路模式下,被保护系统不再受保护,失效的SPD对系统几乎没有影响。为保证下一个电涌到来前及时更换失效的SPD,需要SPD失效后能明确指示SPD的状态。在短路模式下,短路电流流过失效的SPD使能量过度释放,可能引起火灾。为防止SPD失效后造成系统短路和保证系统供电的连续性,需要在SPD和系统线路之间串联保护电器,以便当SPD出现短路失效时,将SPD从系统中脱离,避免供电受干扰或中断。

限压型电源SPD的短路故障产生原因主要是电涌电流通过MOV产生的热击穿或电涌电流在MOV表面产生的放电而造成两极间金属性短路,其工频短路电流值因系统容量不同而不同(几百至几千安培)。SPD短路故障的另一类表现,即因失效的 MOV并未完全短路且有一定阻抗,流过MOV的故障电流使其发热燃烧,在没有完全开路前故障电流为几百毫安至几安培。

电源SPD的保护电器主要有熔断器、断路器、后备保护器(Special Circuit Breaker,SCB)等。当SPD放电电流小于SPD的标称放电电流In时,保护电器不能动作;当放电电流大于In或者Imax而造成SPD失效时,保护电器才动作。另外,主回路系统电压异常,出现暂态过电压,造成SPD动作,使SPD上有工频或者直流电流流过,或者SPD遭受冲击而造成SPD劣化,SPD的Uc值变低,SPD上有泄漏电流流过。如果有持续的电流流过SPD,就会造成SPD发热。如果SPD内部的热保护机构失效,就需要靠保护电器脱扣动作来避免SPD起火燃烧。这就需要在工频电流5 A以下能够可靠脱扣的SCB开关。设计的SCB开关在工频电流3 A、4 A脱扣,在一定电涌电流下不脱扣。

电源SPD内部一般有脱离机构,SPD与主回路连接的接点在SPD内部采用低温焊锡焊接。低温焊锡是低熔点易熔金属,一般熔点在120 ℃或140 ℃左右,当SPD的MOV上有电流流过而造成MOV本体温度达到低温焊锡的熔点120 ℃或140 ℃左右时,SPD内部脱扣机构动作,将SPD内部MOV的极片与主回路断开,从而避免SPD的温度进一步上升。电源SPD壳体一般有阻燃剂,以避免SPD起火而引发火灾。

当选用的SPD产品上有50 mA直流电流流过时,40 s低温焊点完全脱开,如图1所示。

图1 SPD内部低温焊点过热脱扣后图片

一般正规厂家生产的电源SPD起火燃烧的可能性较小。由于SPD内部过热脱扣保护用的低温焊锡价格较高,有些厂家为了降低成本,用普通焊锡来代替,这样就失去了过热保护功能;还有的厂家过热脱扣机构不合理,容易卡死,导致脱不开,再加上壳体采用低成本的不带阻燃材料,易造成SPD起火燃烧。

SCB也称为SPD专用外置脱离器,价格比断路器和熔断器高很多,是熔断器和断路器价格的10倍左右,使用成本高。从外形看,SCB与断路器基本相同,参量控制脱扣机构,通过电流实现选择性分断,冲击电流不脱扣,工频电流4 A脱扣,避免SPD起火。

熔断器、断路器、SCB后备保护器在冲击电流下残压值如表1所示。

电源SPD的保护电器最理想状态是雷电流通过时不断开,保持有效状态;当SPD劣化或电源出现异常时,SPD上有工频泄漏电流流过,达到起火边界值工频电流5 A前速断脱扣。

SCB能在工频电流3 A或2 A时速断脱扣,但在雷电流时不脱扣。如果SCB能可靠动作,才能起到SPD保护电器的作用。

SCB产品价格很高,在实际应用还不太多,主要应用在设计院特殊项目的设计中。目前,广泛用作SPD保护电器的还是小型断路器和熔断器。

表1 熔断器、断路器、SCB在冲击电流下残压值 V

2 电源SPD的保护电器

2.1 断路器

开关型电源SPD由于其损坏方式为开路,一般无需后备保护电器,但为了SPD失效后更换方便,还是串联断路器当作保护电器。

断路器用作保护电器,安装、操作方便,SPD失效时切断电源更换SPD比较方便,而且SPD失效对地短路后,易发现断路器脱扣。断路器状态通过断路器的电气附件状态指示接点的开关量信号来采集、上传、监测,也可以通过控制模块遥控断路器的分励脱扣电气附件来实现遥控断路器的脱扣,实现电源防雷的智能化。无论主回路是否有电,都不影响断路器状态的采集和脱扣的遥控。如果采集控制回路电源不是从SPD连接的主回路取电,则主回路线路的雷击或操作过电压造成的电涌就不会影响采集和控制回路。

根据Q/GDW 413—2010《电力系统二次设备SPD防雷技术规范》[3]表A.1,交流断路器耐冲击电流的能力如表2所示。 用于电源SPD后备保护电器的断路器的选配原则是在SPD标称放电电流In下不脱扣或损坏,当SPD短路失效时迅速断开,选用C脱扣曲线,断路器的分断能力必须大于安装处的最大短路电流。一般情况下,当SPD的In为40 kA时,断路器的额定电流不小于32 A;当SPD的In为20 kA时,断路器的额定电流不小于20 A。

断路器用作SPD的保护电器的缺点是残压高,存在一定的保护盲区,成本比熔断器略高;优点是更换SPD方便,故障断开后可手动操作复位,无需更换元件,具有过载和短路保护功能,方便实现遥控监测。

表2 交流断路器耐冲击电流的能力

断路器的额定电流/A充电电压/kV冲击电流/kA冲击试验结果2017．029．37未跳闸17．530．35断路器损坏3218．031．34未跳闸18．532．32断路器损坏5024．041．78未跳闸24．542．57断路器损坏6328．046．91未跳闸28．547．30断路器损坏

2.2 熔断器

熔断器用作保护电器时,需要采用延时断开的熔断体。熔断器更换时需要主回路断电,或者带电操作。熔断器的通断状态不能直观显示,需要主回路线路带电,才能使熔断器的通断指示回路工作。另外,主回路电涌电流流过熔断器和SPD时,有可能损坏熔断器的指示灯,造成误判。熔断器用作保护电器时,无法实现遥控断开、采集、联网监测。

熔断器的过电流工作曲线受环境温度影响大,对过电流的断开没有断路器可靠。座装的熔断器在受到8/20 μs雷电过电压冲击时,会使SPD无法正常工作;焊接的熔断器当SPD劣化后,不能在小于5 s的时间内断开,易发生短路和火灾危险[4]。

熔断器用作保护电器的优点是残压低,限流特性好,分断能力高,相对尺寸较小,价格较低;缺点是故障熔断后必须更换熔断体,无法实现遥控监测,保护功能单一,存在保护盲区,在持续的小泄漏电流下无法熔断。

根据GB/T 18802.12—2014《低压电涌保护器(SPD) 第1部分:低压配电系统的电涌保护器性能要求和试验方法》[5]附录P,单次电涌下熔断器的耐受性,用I2t进行波形计算,并且与熔断器生产厂商提供的弧前值I2t(1 ms)比较,来推测熔断器单次电涌耐受能力。

对于32 A的gG型圆管式熔断器,典型弧前值为1 300 A2·s。具有24 000 A2·s弧前值的100 A gG型圆管式熔断器,能够耐受8/20 μs波单次冲击电流计算值为

根据GB/T 18802.12—2014表P.1,gG型圆管式熔断器单次8/20 μs波电涌耐受能力计算值及试验值如表3所示。

表3 gG型圆管式熔断器单次8/20 μs波电涌耐受能力计算值及试验值

典型额定电流/A弧前值I2t/(A2·s)计算值/kA试验值/kA258007．653213009．6763750023．117801450032．2251002400041．4301254000053．440

SPD配置熔断器或断路器的整定值如表4所示[6-7]。

表4 SPD配置熔断器或断路器的整定值

保护级别放电电流(8/20μs)/kAInImax整定电流/A断路器熔断器一级80/60/4080以上50100/80/40二级40/2050～803240/32三级2025～4020～1632四级1015～201020

3 结 语

目前,SPD成为保护电子信息设备安全的重要环节。本文主要介绍了电源SPD的保护电器,以便在以后的设计、施工、维护、使用中更加便捷有利,进一步保证低压配电设备能够更加安全、可靠地运行。

[1] 建筑物防雷设计规范:GB 50057—2010[S].

[2] 建筑物电子信息系统防雷技术规范:GB 50343—2012[S].

[3] 电力系统二次设备SPD防雷技术规范:Q/GDW 413—2010[S].

[4] 低压电涌保护器(SPD) 第1部分:低压配电系统的电涌保护器性能要求和试验方法:GB 18802.1—2011[S].

[5] 低压配电系统的电涌保护器(SPD) 第12部分:选择和使用导则:GB/T 18802.12—2014[S].

[6] 电工术语 避雷器、低压电涌保护器及元件:GB/T 2900.12—2008[S].

[7] 刘兴顺.建筑物电子信息系统防雷技术设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

Discusssion on Source Surge Protective Device

LI Zongzhe1, HU Juanping2, CHENG Xiaofei2

(1.Xi’an HangJia Electronics Co., Ltd., Xi’an 710075, China;2.Shaanxi Architectural Design & Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710018, China)

This paper introduced the classification and working principle of surge protective device(SPD),and analyzed the advantages and disadvantages of fuse and circuit breaker which were as the protective appliances of power SPD.The power SPD generally doesn’t required the backup protective appliances,but the circuit breaker is best as the protective appliance in order to change the disabled power SPD.It further ensures the low voltage power distribution equipments have the safe and reliable operation.

power; surge protective device(SPD); protective appliance; fuse; circuit breaker; special circuit breaker(SCB)

李宗哲(1969—),男,工程师,从事电涌保护器方面的工作。

TU 856

B

1674-8417(2016)11-0025-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.11.007

2016-10-08

胡娟平(1986—),女,工程师,从事建筑电气与智能化设计工作。

程晓飞(1988—),男,工程师,从事建筑电气与智能化设计工作。