AC660 V变频系统中电涌保护器的选型应用

摘要：参考《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010）、《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—2006），分析了如何根据被保护设备的具体功能、建筑物、线路敷设方式等情况进行SPD选型，以便合理选择适用于660 V配电系统的SPD产品。

关键词：电涌保护器（SPD）;接线方式;技术参数

0    引言

某一环保装置的配电设计，基于技术经济评估，对一台电机功率为400 kW的变频离心风机采用380/660 V等级的低压供配电系统。案例背景中电涌保护器（SPD）的主要保护对象是以大功率电子器件为主要组成的400 kW变频器。

本文根据《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010）[1]、《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—2006）[2]，结合现场实际运用情况，以电涌保护选型设计的基本问题——SPD的基本参数选择、SPD的布局和保护模式为出发点，结合背景论述380/660 V变频配电系统中SPD的设计选型：

（1）通过在配电总柜的进线端安装SPD，对660 V系统的相线、中性线、信号线和变频器实现等电位，进行过电压保护;

（2）通过安装在变频器柜出线端的SPD进行过电压防护（为了论述方便，以下简称进线端SPD和出线端SPD）。

1    過电压及防雷区的划分

1.1    防雷区的划分

将需要保护的空间划分为不同的防雷区，以各防雷区交界处的电磁环境有明显改变作为划分不同防雷区的特征。

配电室装有防雷装置，并完好地进行了等电位连接。根据表1所示防雷区（LPZ）定义和划分原则，此660 V系统配电装置安装于防雷区LPZ1区内。

1.2    过电压的类型

产生瞬间过电压的原因主要有两大类：内部过电压和大气过电压。大气过电压主要是指直接雷、感应雷，配电系统所布置场所不可能遭受直接雷击。

660 V配电系统的上级变压器和与之配套的6 kV高压开关柜在同一层配电室内，可以确定的是：

（1）进线端的SPD可能遭受内部的操作过电压和来自变压器中性点接地和进线电缆所引起的感应雷电影响;

（2）出线端可能受到来自出线电缆的感应雷影响。

2    SPD的参数选择

2.1    保护模式

共模保护模式为L相线或中性线与PE之间设置SPD的接线方式。

差模保护模式为L相线与L相线、L相线与中性线之间设置SPD的接线方式。

CT1接线就是指在L相线、中性线与PE之间设置SPD。

CT2接线即俗称的“3+1”接线，就是在L相线与中性线之间设置SPD，同时在中性线与PE线之间设置SPD。

本案接地采用TN-S系统，但由于系统只提供主电源运行一台400 kW的变频电机，控制电源由AC380/220 V回路提供，所以未引中性线母排至变压器进线柜（安装上端SPD于此柜，660 V配电总柜）。SPD的接线安装于L—PE之间，采用共模保护模式、CT1的接线方式。目前电涌保护器的保护模式大部分是共模保护（L—PE、N—PE）。电涌保护器的接线同时要遵从最短原则，连接导线应尽可能短而直。

需要强调的是，SPD的上端安装微型断路器可以避免电涌保护器动作时的电流同时引起上级漏电保护装置误动作的可能，SPD只能限制瞬态电涌电压，不能承受电网过大的、异常的暂态过电压（暂态过电压是指电网故障引起的持续几个周波或几秒的工频过电压），上端断路器可以一定程度地保护SPD不被击穿，并在需要时及时切断故障，保护人员和设备安全。

2.2    电压保护水平

笔者认为：一般而言，当受保护设备具有足够的过电压承受能力时，在靠近配电干线的配电盘处设计一个SPD就足够了;在有敏感设备的情况下，电压保护水平加上线路上感应过电压不足以保护设备时，在被保护设备处装设第二级SPD。

低压变频器所用元件IGBT能承受的电压是1 500～1 800 V，电压再高，元件就会损坏。本案中安装进线端SPD和出线端SPD的目的主要是考虑到受保护系统中此敏感设备的过电压承受能力Uw。

SPD设计级数的选择，核心是SPD的电压保护水平Up应至少与被保护电气设备的冲击耐受水平Uw相匹配。受保护设备的耐冲击电压额定值Uw应大于SPD的Up，并适度考虑一些裕量。

2.3    最大持续运行电压

SPD需长期接入电源电路，承受电源上各种电压作用而不劣化。考虑系统的接地类型、电网的正常波动、调节和谐波等，SPD的持续工作电压Uc应符合表2规定。

对于380/660 V三相系统中的SPD，这里Un1=380 V，最大持续运行电压Uc=1.15×380=437 V。

2.4    通流容量

通流容量与电流波形（特别是波长）有关。本案主要是限制沿线侵入的雷电电涌和雷电感应，因此通常选择以8/20 μs波形，用Ⅱ级试验检验，以最大放电电流Imax和标称放电电流In表征限压型电涌保护器，Imax可按2In计。

引述《工业与民用配电设计手册》第三版第832页文字如下：“为抑制从配电线路引入的大气过电压和内部操作过电压，在正常情况下装设对于防止大气过电压（由间接的、远处雷击引起的）和操作过电压保护通常是设计Ⅱ级试验的SPD，在必要时设计Ⅲ级试验的SPD。”所以本案中根据参数选择合适的Ⅱ级试验的SPD。对于任一保护模式的SPD，标称放电电流In均不应小于5 kA，三相系统In按接于相线与PE之间的每个SPD的4倍选取，不应小于20 kA（8/20 μs）。

本案选择In=20 kA、Imax=40 kA的Ⅱ级试验的SPD。

3    产品选型

罗列所选参数如表3所示。

一般情况下：

（1）电压保护水平越低，保护效果越好。

（2）通流容量越高，雷电下安全性越好。但是通流容量越大，SPD的价格越高。

（3）最大持续电压越高，长期安全性越好，但是最大持续运行电压升高，电压保护水平也水涨船高。

根据所罗列的参数寻找最适合的产品，目前市场上的电涌保护器主要有施耐德电气公司旗下梅兰日兰品牌的PRD系列和ST系列产品、ABB公司的OVR系列产品、正泰公司的Nu系列产品等。

翻阅ABB公司OVR系列产品选型手册，最适合本案的产品型号为OVR BT2 1-40-440。

（1）应用于第二级保护，Ⅱ级试验，限压型电涌保护器;

（2）单级，最大放电电流Imax=40 kA;

（3）持续工作电压Uc=440 V，电压保护水平为1.8 kV。

翻阅施耐德公司的电涌保护器产品，最适合本案的产品型号是iST 1P-40-440和iPR 1P-40-440。

（1）应用于第二级保护，Ⅱ级试验，限压型电涌保护器;

（2）单级，最大放电电流Imax=40 kA;

（3）持续工作电压Uc=440 V，电压保护水平为1.5 kV。

综合比较，iST和iPR的电压保护水平在参数上更能满足本工程的需要。同时，所选的这些系列产品都存在这样一个问题：它们都是针对交流50/60 Hz、额定电压230/400 V的系统，没有明确表示能够在660 V系统中使用。但我们依旧能根据需要、根据每一个参数的需求比对来选出合适的规格型号，比如本工程最后選择了施耐德iPR40系列的二级电涌保护器，在使用中也证明可以无差别地实现电涌保护功能。尽管如此，还是希望市场能够进一步完善660 V标称电压的产品。

4    结语

综上所述，不能孤立地对待电涌保护器的设计，必须对建筑物的具体情况及被保护设备的具体功能、耐受电压、绝缘情况进行认真分析。另外，基于规范和标准正确选择合理的接线方式（CT1、CT2）和技术参数（In、Ic、Imax、Ip等）对于保证电气设备的安全和正常使用尤为重要。

[参考文献]

[1] 建筑物防雷设计规范：GB 50057—2010[S].

[2] 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—2006[S].

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

收稿日期：2020-04-24

作者简介：周鹏（1987—），男，江苏扬州人，工程师，研究方向：供配电工程设计、施工。