SPD与后备保护断路器配合性能研究*

刘 璇，王林峰，许延贺，刘宝全，毕晓蕾，高 剑，姜 辉，张长秀，刘 娟

(1.中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 2660712.中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司，陕西西安 7100163. 中国石化销售股份有限公司重庆石油分公司，重庆 400010)

0 前言

电涌保护器(Surge Protection Device, SPD)的安装可以限制电路上的瞬时过电压，是石化企业雷电防护的常用措施之一。依据GB18802.1、GB50057和GB /T 21431标准规定: 安装在电路上的电涌保护器，其前端宜有后备保护装置，用以防止当SPD不能阻断工频短路电流而引起发热和损坏时的后备过电流保护。目前使用的过电流保护器一般为断路器和熔断器，通常存在以下问题：在雷电流冲击下，无法耐受大电流，易误脱扣、易损坏，致使SPD防雷保护失效，损害后端设备；雷电流冲击电流残压高，使设备防雷保护可靠性降低；SPD常年使用后漏电流增大劣化失效、配电线路发生异常过电压时，断路器不能快速分离，导致SPD起火。

1 SPD后备保护断路器性能测试

1.1 电涌耐受性能测试

在SPD的测试标准IEC 61643-1:2011中，使用了两种波形的冲击电流，一种是10/350 μs波形的冲击电流，表征的是雷电直击产生的电涌电流；另一种是8/20 μs波形的冲击电流，表征了雷电感应在线路上产生的电涌电流。标准对SPD提出了相应的耐受要求，由于后备保护断路器和SPD串联使用，因此也相应地必须满足这些耐受要求。以下通过大量的试验，研究了不同系列的断路器对冲击电流的耐受性能。

对于8/20 μs电涌，表1给出了实验所得从10 A到100 A断路器的最大耐受电流值

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，断路器对8/20 μs电涌的耐受水平的大体变化趋势为随着额定电流的提高而提高，但是并不是每一级断路器都严格满足。

表1 不同型号断路器最大8/20 μs冲击耐受水平

由表2可见，普通断路器对10/350 μs波形的冲击电流的耐受能力是十分有限的。对于最大额定电流125 A的断路器，它能耐受的10/350 μs波形冲击电流的峰值仅为4.11 kA，对于32 A额定电流的断路器，能耐受的仅仅只有1.32 kA，这对I级SPD来说实在太小了，因此对于32 A以下的就没有必要去寻找其耐受冲击电流。

表2 断路器在10/350波形下的试验结果

1.2 工频过电流保护性能测试

进行断路器5 s工频耐受试验(图1)，在施加负载电流下模拟雷电冲击。观察工频电流下，断路器能否实现快速分断，防止SPD起火，起到保护电路的作用。

图1 工频耐受试验原理

在施加5 s工频标称电流下，样品断路器均不能实现分断。冲击SPD使之发生损坏条件下，交流负载下损坏的SPD出现脱扣、冒烟、甚至开始着火燃烧。实验结果如表3所示。

表3 工频耐受试验结果

目前选用的断路器和熔断器后备保护装置的额定电流一般都比较高，所以当SPD支路出现较低的短路电流时，将达不到断路器或者熔断器的瞬动值，短路电流将无法被及时切断，这时SPD极易起火、爆炸。例如C曲线瞬动脱扣值为5～10倍的额定电流

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，如选用C16做后备保护，当SPD出现80 A以下工频续流不会瞬动脱扣，在这个电流下SPD已经起火燃烧。

1.3 普通断路器失效原理分析

一方面，当大的雷电流经过时，由于断路器无法承受而脱扣，SPD保护失效，雷电流不能彻底泄放，损害后端设备。这是由于普通断路器从进线端到出线端线路过长，并且还有感性元器件(电感线圈)串联在线路中，如图2所示。用来感应出磁场进行断路器额定负荷动作时的动能，当雷电流通过时会因为震荡效应和长线效应造成感升电压升高。雷电流作为高频脉冲会产生很强的电动势，造成断路器无法顺利通过雷电流，误动作脱扣。

图2 普通断路器示意

另一方面，断路器要完成超过5 A工频电流保护动作，动作电流就必须小于 5 A，这与承受雷电冲击电流不误动作相矛盾。例如，要在雷电流

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为15 kA的作用下不动，需要选用额定电流为几百安培的断路器；要在工频电流不大于5 A时瞬时分断，与“几百安培”才不断的需求相矛盾，无法匹配。SPD常年使用后漏电流增大劣化失效，但电流值未达到断路器脱扣值，不能分离，导致SPD起火。电网暂态过电压导致SPD瞬间击穿短路失效，断路器不能快速分离，导致SPD起火。

2 新型SPD专用断路器设计原理及性能测试

对于用作SPD后备保护的过电流保护器的要求有两点：当雷电流通过断路器和SPD串联回路时，要求保护器不动作，使得电涌能够被SPD进行泄放；当工频电流通过，SPD短路失效的时候，要求保护器能够切断短路过电流。

2.1 设计原理

新型SPD专用断路器利用雷电流持续时间短暂这一特性，对雷电流进行选择性通过，对在断路器电路中持续时间超过脱扣时间的工频电流实现阻断，工作原理如图3所示。雷电流冲击时，利用磁饱和原理，当电流传感器的一次侧雷电流达到设定阈值后，二次侧电流将不再增大。此时电磁铁是否动作，其能量(

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t

)只取决于通流的时间，由于雷电流的瞬态过渡时间为微秒级，时长非常短，电磁铁能量太小，不足以动作分断，实现“不该断时不能断”的功能。

图3 保护工作原理

发生工频短路时，由于其短路电流的暂态过渡时间为毫秒级，装置利用了短路电流与雷击电流故障过渡时间的千倍数量级差异特性，经过对电流传感器和电磁铁的特殊设计，使其可以识别不同故障状态过渡时长的电流，并析出工频不大于5 A的小电流，瞬时分断，实现“应该断时可靠断”的功能。

2.2 耐受冲击电流的性能

对新型SPD专用断路器进行8/20 μs、10/350 μs雷电流波形冲击测试试验，观察冲击后的现象，并测试了新型SPD专用断路器的残压，结果如表4所示。试验结论表明，当有雷击发生时，串联在防雷器前端的专用外置脱离器能保证雷电流经过时不脱扣、不损坏，保证防雷器件功能持续有效。

表4 新型SPD专用断路器冲击试验结果

额定电流63 A的断路器耐电涌冲击电流的水平对于8/20 μs波形大约为32.7 kA，对于 10/350 μs 波形大约为2.06 kA。而使用 SPD 通流容量越来越大，显然用断路器作为SPD的后备保护存在耐冲击电流的配合问题。SPD专用外置脱离器不脱扣冲击电流大于80 kA(8/20 μs)/ 25 kA(10/350 μs)，确保雷电流通过SPD快速泄放入地。且雷电冲击残压低，在同等冲击电流下，明显低于普通断路器。

2.3 分断工频电流的性能

当电源出现异常暂态过电压使SPD导通发生短路时，断路器应具备分断短路电流能力并能迅速断开电路。当SPD发生劣化，致使启动电压降到低于电源电压时，其工频漏电流会迅速增大，当漏电流比较小时SPD热脱扣机构能够断开电路，当工频漏电流大于5 A时，SPD易起火，断路器必须在引起SPD起火前断开电路，防止火灾的发生。新型SPD专用断路器分断工频电流性能测试结果见表5。

表5 新型SPD专用断路器分断工频电流性能测试结果

从过电流分断数据看，普通断路器的脱扣电流值约为额定电流的5～7倍，符合断路器的脱扣曲线。说明普通断路器的确不能及时分断小的工频电流。而新型SPD专用断路器在任何工频电流值下分离时间比SPD起火时间小，能够确保SPD不起火，工频续流脱扣值小于5 A。从TOV试验数据看，普通断路器在通过1 200 V暂态过电压时，虽能实现分断电路，但不够及时，导致SPD损坏或起火。而新型SPD专用断路器能快速分断电路，解决了工频续流不脱扣、电源异常SPD起火的问题。

3 结论

本文针对现有普通断路器，进行了相关试验分析，研究了SPD与后备保护断路器的配合性能。一方面，当大的雷电流经过时，由于断路器无法承受而脱扣，SPD保护失效，雷电流不能彻底泄放，损害后端设备；另一方面，SPD常年使用后漏电流增大劣化失效，但电流值未达到断路器脱扣值，不能分离，导致SPD起火。针对目前防雷行业没有SPD专用配套过电流保护装置的现状，研发了新型SPD专用断路器，实现雷电安全泄放和短路电流保护的双重功能，解决了现有断路器雷电流冲击误脱扣、易损坏，工频续流不脱扣、电涌保护器起火等问题。