民用建筑SPD的选型与应用

来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文
发布时间：2012-12-19浏览：78次

　　摘要：依据SPD的保护原理和雷击电涌电流及过电压数值的工程计算，结合现行设计规范从工程设计需求出发，给出民用建筑中SPD的选型和应用方法，为实际设计提供参考。

　　关键词：过电压,电涌电流, SPD,选型, 应用

　　1. 引言

　　当前，民用建筑强弱电系统的智能化水平越来越高，在满足快捷方便的同时，复杂敏感的先进电气电子设备的防雷问题愈加突出;国内外的民用建筑雷害事故案例和统计也表明防雷的极端重要性[1]。根据GB50057-1994《建筑物防雷设计规范》2000年版及IEC的(TC-81-雷电防护)标准，民用建筑防雷应考虑防直击雷、雷电波入侵、雷击电磁脉冲干扰，防生命危险等外部和内部措施[2]。SPD(电泳保护器)能限制瞬态过电压以及协放电涌电流。以保护电气电子设备免遭雷击或操作过电压和涌流的危害。实际民用建筑电气设计中，普遍存在无雷击工程计算数据及对SPD防雷原理和相互配合不当，导致的防雷设施中SPD选型及应用失误，给防雷效果带来隐患。因此，从工程设计实际出发，讨论SPD的选型和应用有重要意义。

　　2. SPD的选型

　　2.1. 雷击电涌电流和过电压

　　雷击过电压和电涌电流通过感应雷或者直击雷产生，其数值决定了SPD需要满足的泄放雷电流、限制过电压要求。

　　根据JGJ16-2008、GB50057、GB50343中防雷规定，民用建筑的防雷等级为二级和三级，在IEC1024-1-1标准中，制定了相应的冲击电涌电流参量，该参量是测试SPD泄放电流能力的主要参数之一。感应过电压是由静电感应或者雷击造成空间存在的瞬变脉冲电磁场，在民用建筑的变配电系统、进出的金属管道、导线等产生很高的过电压，该数据精确计算困难，在输电线路上的静电感应电压量级为百千伏，可看出已远超过设备耐压限值。直接雷击的瞬态电涌电压可通过式(1)[3]得到。

　　I：流经引下线雷电流幅值;Rp：接地装置冲击接地电阻，二类、三类防雷建筑分别为10Ω、20Ω;L0：引下线单位长度电感，工程计算取值1.5μh/m; ：雷电流陡度。hx：引下线过电压计算点高度。

　　2.2. SPD的类型

　　SPD的作用是在直接或间接雷击时，能释放雷击涌流以及箝压功能，使得被保护设备不因雷击或操作过电压及浪涌电流而损坏;同时，在不能破坏电气系统正常运行。基于上述目的，目前使用的SPD主要有以下类型：

　　(1)电压开关型。既是一个电涌电压控制的导通和高阻两种运行状态，当电涌电压超过规定数值时，SPD突然变为低阻，与使得巨大浪涌电流泄防至大地。

　　(2)限压型。与电压开关型SPD的区别是，阻抗随着电涌电压的增大，连续下降至低阻导通状态，其主要非线性原件是具有箝压功能的压敏电阻及瞬态抑制二极管，且其箝压水平较电压开关型要低。

　　(3)混合型的SPD。将电压开关型和限压型两种特性组合在一起的SPD，具体呈现那种特性由所承受的冲击电压决定。

　　(4)弱电系统专用SPD。现代民用建筑弱电系统日益复杂，各种电子设备逐渐渗透至建筑的各种功能中，基于电子设备本身对过压和过流的敏感和脆弱，该类SPD需针对不同的弱电应用系统来类型匹配。

　　根据上述SPD的类型可知，不同SPD表现出的箝压和泄流能力应与所处的应用环境遭受雷击后产生的电涌电压和电流数据相适应。否则，如SPD选择过大，则SPD保护能力浪费，且产生资金浪费;反之，选择过小则存在安全隐患，不能保证设备安全。因此研究雷击时在民用建筑电气系统中产生的电涌电压和电流值，以及分析被保护对象的防雷需求，对合理选择SPD至关重要。

　　2.3. SPD的保护级别

　　保护级别的级数取决于保护区交界处过电压和电涌电流的水平，以及用电设备的防雷要求。在民用建筑电气系统中，根据一般需设置三级SPD保护。分别是：

　　(1)LPZ0A或LPZ0B与LPZ1交界处：对应于电源进入总配电柜的进线端处。

　　(2)LPZ1与LPZ2交界处;对应于楼层总配电箱进线开关前端。

　　(3)LPZ3与LPZ3交界处;对应于弱电设备的电源箱进线开关前端。

　　2.4. SPD的图纸标注参数及参数确定

　　根据雷击电压和电涌电流，IEC规定了3级冲击分类试验程序，并特别对电子系统用SPD给出测试类别及波形参数，以检验SPD的放电能力，相关试验分类及程序在文献[3]中有详细说明。试验程序测试的SPD主要参数有最大持续工作电压、标称放电电流等数项，但在工程设计中，图纸上通常只需要标注：

　　(1)电压保护水平Up：SPD限制接线端子间的电压值，以保证被保护设备处在耐压范围内，避免过压损坏设备。设计中，Up与SPD引线两端的感应电压总和要小于被保护设备的绝缘耐压值的0.8倍。对民用建筑~220/380V的配电系统，设备的冲击电压耐受参考值[4]及图纸中标注Up见表1：

　　(2)最大冲击电流波形Iimp，规定SPD需满足何种冲击分类试验程序。在设计中，与SPD的保护分级一一对应，根据GB50057-1994(2000年版)规定和IEC61312，试验程序见表1。建筑物电气总进线的SPD采用10/350μs ，而不是8/20μs波形的原因是，前者的泄放电涌电流能力是后者的约20倍，具有很大的泄放容量;同时，该SPD安装处的雷电流参量本身为150kA，10/350μs的波形。因此，很多实际工程中在电源端选择8/20μs是不合理的。

　　(3)标称放电电流In：SPD承受预期雷电涌流的能力。因此所选SPD的In应高于安装处预期雷电涌流值。

　　民用建筑防雷等级为2级或3级，根据GB50057-1994(2000年版)表6.1，按I类分级试验，雷电流进入建筑物后，约有50%通过相线与中性线的SPD泄放入大地。按照这种最不利条件得到SPD每相上的雷电流是：有屏蔽时，Iimp = 5.625kA;无屏蔽时，为18.75kA。因此，电源进线端处，规范规定首级SPD的每相标称放电电流应大于15kA(10/350μs);对三相系统IEC-T81规定Iimp 不小于 50kA。规定的In 值按照防直击雷考虑，因此也可以防范感应雷和内部操作过电压在电源进线处产生的浪涌电流和过电压损害。

　　民用建筑电气设计中，建筑内的配电干线一般都为非屏蔽电缆线路，楼层配电盘的SPD，其每相Iin应大于20kA(8/20μs)。

　　终端设备配电箱处安装的SPD，其每相Iin应大于3kA(8/20μs)。

　　图纸中标注以上三项设计参数及SPD型号后，其他参数已由制造厂依据试验程序保证。

　　2.5. 多级SPD的配合

　　装设多级SPD后，各级间要有电涌电压和能量的配合，以使得电压保护水平和剩余威胁满足被保护设备的绝缘配合要求。实际工程中，第一级一般为电压开关型，以后各级为限压型，因此前一级放电间隙的触发电压U1=Ures + UDE;其中Ures 、UDE分别为后一级SPD的残压、去耦元件动态压降。当U1大于放电间隙放电电压，则实现配合。配电系统中比较适合的配合方案是，各级SPD的Ures 从第一级向后逐级升高。各级SPD都有连续的电流、电压性能。可根据这个方案选用厂家已配合好的SPD型号。

　　2.6. 保护电器选择

　　为防止SPD性能退化或寿命终止后，可能产生的短路等故障，在实际工程设计中，通常采用SPD厂商建议的C型脱扣曲线的延时脱扣器。即第一级额定值63A，以后各级32A。

　　3. 结语

　　民用建筑的防雷是一个系统工程，SPD的正确选型和设置关系到能不能有效保护低压电气、电子系统。因此，需要按照规范和低压电气系统本身的特点来分析。除此之外，SPD的安装位置及接线等也对保护性能有很大影响[5]，对此应予以重视，以取得防雷击过电压和电涌电流的最佳效果。

　　参考文献：

　　[1] 叶蜚誉.电涌保护的作用.低压电器.2004(2).

　　[2] JGJ16-2008 民用建筑电气设计规范.2008.6.中国建筑工业出版社

　　[3] 工业与民用配电设计手册.2005.10.中国电力出版社

　　[4] GB/T16935.1-1997《低压系统内设备的绝缘配合》第一部分：原理、要求和试验。

　　[5] 工业与民用配电设计手册.2005.10.中国电力出版社

《民用建筑SPD的选型与应用》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问