净水厂SPD 的选择

杨睿，陈三元

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010）

随着社会生产要求的提高，越来越多的精密电气元件投入到生产使用中，但雷电引起的过电压、操作过电压等会对各类电气元件造成致命的影响，由此，用于限制瞬态过电压和分泄电涌电流的器件——电涌保护器(surge protective device，SPD)也逐渐被广泛的使用。在设计过程中，设计人员却经常忽视了对SPD 的正确选择，出现SPD 的滥用，或者多级SPD 之间配合不当等问题。

1 电涌保护器选择原则

电涌保护器的选择，与被保护设备所在的建筑物防雷类别，室外引入建筑物的管线数量，线缆是否采用屏蔽层以及线缆的敷设方式等息息相关。而电涌保护器设置级数，应综合考虑保护距离、连接导线的长度、被保护设备耐冲击电压额定值等因素，与系统配电级数没有严格的对应关系。

2 电涌保护器选择案例

某净水厂包括变配电间(与送水泵房合建)、絮凝沉淀池、反冲洗泵房及滤池、加药间、脱水车间和综合楼等单体建(构)筑物。接地型式采用TN-S 系统，采用放射式配电，水厂配电系统简图如图1 所示，水厂设两台PLC，一台位于反冲洗泵房控制室内，另一台设在脱水车间配电室内与配电柜并列安装。

2.1 I 级试验电涌保护器的选择

依据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）并参考《城镇排水系统电气与自动化工程技术规程》（CJJ120-2008），水厂内各单体建(构)筑物防雷分类均为二类或三类防雷建(构)筑物。

根据规范要求，案例中水厂配电系统，SPD1～SPD6 均应选择I 级试验电涌保护器（电压开关型），并通过计算，确定SPD 的放电电流及电压保护水平。

电源总配电箱电涌保护器每一保护模式的冲击电流值，当电源线路无屏蔽层时按式（1）确定：

图1 某净水厂配电系统简图

式中：I 为雷电流，kA,其中二类防雷建筑物取150kA,三类防雷建筑物取100kA；n 为地下和架空引入的外来金属管道和线路的总数；m 为需要确定的那一回线路内导体芯线的总根数。

经过计算，冲击电流值列于表1 中，其中UW为耐冲击电压额定值，按《建筑物防雷设计规范》表6.4.4 选取。

通常放电电流越大，电压保护水平越高，残压也越大，价格也相对越贵。在选择I 级试验浪涌保护器的过程中，需要综合考虑经济性、安全性，选取合适的型号参数。根据表1 的计算值，由于加药间进线处的Iimp为15kA，选择Iimp为12.5kA 的电涌保护器不能满足冲击电流的要求，应选择25kA 或更大的冲击电流。在实际设计过程中，部分设计人员也考虑对于加药间等采用两路电源进线，以保证供电的可靠性，同时，也降低了冲击电流值，案例中当加药间回路n 取2 时，计算冲击电流值为7.5kA，选用Iimp为12.5kA 的电涌保护器能够满足规范要求。

表1 水厂各建筑物总配电柜(箱)SPD 每一保护模式冲击电流

2.2 多级电涌保护器的配合

《建筑物防雷设计规范》第6.4.5 条及《建筑物电子信息系统防雷技术规范》(GB50343-2012)第5.4.3 条规定了LPZ2 区和更高的区安装电涌保护器须满足的要求，但规范中又未明确规定是否必须设置二级或更高级的电涌保护器，因此对于后续防雷保护区内电涌保护器的设置，也未能引起电气设计人员的重视，甚至不设计电涌保护器。

根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》5.4.3.8 条规定，电涌保护器的连接导线总长度不宜大于0.5m。按满足规范的最不利情况考虑，取进线处电涌保护器连接导线总长度为0.5m，电涌保护器两端引线的感应压降△U=Ldi/dt 为3.75kV（雷电流按50kA，10/350μs，线路按L0=1.5μH/m），计及I 级电涌保护器的残压按1.3kV，两者之和约为5kV，超过I 类设备耐冲击额定电压值，足以对PLC 等造成致命伤害。因此，对PLC 等电子设备应该设置电涌保护器。

案例中反冲洗泵房PLC 单独设置在控制室内，PLC 到配电柜的距离大于10m，不需要另外设置退耦装置，脱水车间PLC 与进线开关柜并列放置在同一个房间内，上下两级SPD之间的距离小于10m，因此，按照规范要求，在两级电涌保护器之间应该加装退耦装置。由于退耦装置是串联在电源线路上，线路电流需满足退耦装置的额定电流要求，而退耦装置额定电流一般不大于100A，这样对线路电流的限制也制约了退耦装置的使用。案例中PLC 装置的线路电流不大，加装退耦装置，能够符合规范的要求。如果不设置退耦装置，为了保证上下级电涌保护器的距离要求，可以人为的将脱水车间低压配电柜与PLC 柜分开布置，或者仅增加配电柜至PLC的电源电缆长度，保证两级SPD 距离不小于10m。当电涌保护器具有能量自动配合功能时，电涌保护器之间的线路长度可不受限制，两级SPD 之间能量的自动配合，取决于各SPD生产厂家的生产能力和试验结果，只能参考各个SPD 厂家给出的推荐配合组合。一般II 和III 级试验电涌保护器，其标称放电电流不小于5kA 和3kA。

各类监测仪表作为水厂内不可缺少的重要组成部分，与生产的自动化以及生产活动的正常运行联系紧密，而这些精密的仪表，对过电压的耐受能力很低，在厂区各仪表箱的电源进线端子处，一定要并联电涌保护器，对仪表等特殊需要保护的设备进行第三级保护。电涌保护器的选择需要根据电源类型的不同（AC、DC）按照厂家提供的参数进行正确的选择。另外，对于絮凝沉淀池中露天设置的现场配电控制箱，也需要设置相应级别的SPD，防止配电控制箱内电气设备因雷击涌流冲击造成损坏。

3 结语

规范地选择SPD 对系统设备的安全有着重要的意义，本文通过一个净水厂配电设计说明SPD 的选择，希望引起设计人员对SPD 选择的注意，根据实际情况在同一个工程中尽量选择同一个设备厂家的产品，并符合规范要求，发挥SPD 应有的作用。