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浪涌保护器(SPD)与过电流保护器的配合使用
点击次数:434 发布时间:2018/11/9 22:36:31

[摘 要]对于并联在系统中的电气设备,为了防止发生短路故障,保证供电系统正常运行,须在该电气前安装短路保护器件或装置。 SPD作为雷电过电压的抑制器件,并联安装在供电系统中,针对SPD和串联过电流保护器(低压熔断器或低压断路器)的参数匹配问题提出了配合的办法,在实际应用中具有一定的参考价值。 

1、引言 
      为了使低压配电正常运行,要求在SPD前端串联相匹配的低压断路器或者熔断器等过电流保护装置。但在实际运行中,由于SPD与过电流保护器不相匹配,低压断路器提前动作造成很多停电事故。具体原因主要是当雷电过电压首次侵入时,低压断路器就已经动作,尽管首次雷电过电压已得到有效泄放,但是后续侵入时,设备就失去该级保护而损坏;由于该动作时不动作,使得SPD的后续电流造成主断路器动作,影响了供电的连续性,由其当老化劣化的SPD漏电流变大时,温度逐渐升高还会引发火灾。 

2、SPD和低压短路保护器件的原理

2.1 SPD、空气型断路器、熔断器的工作原理  
      浪涌保护器,又称电涌保护器(SPD),是一种低压配电系统中常用的元件,被并联或串联安装在被保护设备端,它能根据各种线路中出现的过电压过电流及时做出反应,泄放线路中的过电流或对过电压进行钳制,保护低压配电系统中的各种电器免受雷击电涌或者瞬时过电压限制在电器设备可以接受的范围内,是建筑防雷工作中必不可少的一部分。按工作原理分为限压型浪涌保护器、组合型浪涌保护器、电压开关型浪涌保护器。 
      空气型断路器是低压配电系统中最常使用的低压断路器。它的三个触头串联在三相主电路中,电磁脱扣器的线圈及热脱扣器的热元件与主电路串联,欠电压脱扣器线圈与主电路并联。当断路器闭合后,三个主触头保持闭合状态。当电磁脱扣器吸合或热脱扣器的双金属片受热弯曲或欠电压脱扣器释放,这三者中的任何一个动作发生,就可使主触头分断电路。当电路正常工作时,电磁脱扣器线圈产生的电磁力不能将磁铁吸合,而当电路发生短路,出现很大过电流时,主触头断开,切断主电路;若电路发生过载,但又达不到电磁脱扣器动作的电流时,触头分开来断开电路,起到过载保护作用;若电源电压下降较多或失去电压时,同样导致触头断开而切断电路,起到欠电压或失电压保护作用。空气开关是低压断路器的其中一种,它是一种只要有短路形成回路就会跳闸的开关。 
      熔断器是一种结构简单、使用方便、价格低廉的起保护作用的电器,它串联在被保护电路中,当线路或电气设备的电流超过规定值足够长的时间后,其自身产生的热量能够熔断一个或几个特殊设计的和相应的部件,断开其所接入的电路并分断电源,从而起到保护作用[1]。熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中,作为短路和过电流的保护器,是应用最普遍的保护器件之一。 

3、SPD串联过电流保护器的作用 
      SPD通常并联或串联安装在被保护设备端。当瞬态电涌未到时,呈高阻态,被保护电路正常工作,当瞬态电涌到来时,迅速转变为低阻态,电涌电流旁路,并将被保护设备两端的电压限制在较低的水平。浪涌过电压泄放后,又恢复到高阻状态。但在实际应用中又存在问题,因此采用SPD与过电流保护器串联使用来避免出现问题,其主要好处有:一是对SPD安全的保护,当开关型SPD发生工频续流,对地短路时,过电流保护器能够及时断开,防止了因开关型SPD工频续流造成电极损坏,影响其使用寿命[2]。如果通过限压型SPD的暂态过电压过大,超过氧化锌压敏电阻承受的极限值,则会导致氧化锌压敏电阻持续发热,不能有效地切断电路,导致氧化锌压敏电阻被热熔击穿,极易燃烧起火,绝大多数的SPD起火均是由此引发;二是对供电连续性的保护,根据国标和IEC标准规定的过电流选择比为1.6:1的要求,即上级过电流保护器额定电流不小于下级的该值的1.6倍,就是为了上下级过电流保护器能够有选择的断开过电流[3]。为保证设备的供电连续性,短路事故发生在并联支路上时,主过电流保护器不应动作,而该支路过电流保护器应该及时动作,切断过电流,使得停电范围最小。 

4、SPD与过电流保护器的合理匹配 
      合理的选用SPD与过电流保护器,使其达到参数上的匹配,可避免过电流保护器误动作造成供电中断或设备损坏。因此,各级线路应正确整定其参数,以保证在规定时间内可靠地有选择地切断电路,即要求最靠近故障点的保护电器动作,而其上级的保护电器不动作,使得被切断电路的范围最小。 

4.1、SPD与过电流保护器参数匹配分析和配合 
      在SPD与过电流保护器的串联支路中,尽管过流保护器的响应时间是毫秒级,SPD的响应时间是纳秒级,但是从SPD经过响应时间t1(纳秒级)后开始响应,到SPD遮断雷电流,泄流结束的时刻,仍然要经历一个时间段t2,如果t1+t2达到了过电流保护器的响应时间t3,即t1+t2≥t3,则过电流保护器可能会动作。而过电压的泄流时间与SPD的泄流阻抗Z1和过电流保护器的泄流阻抗Z2有关,从选型参数上来看与标称放电电流In有关。 
      为防止SPD的失效故障,SPD前端应安装熔丝或热熔断器等过电流保护器。其前端过电流保护器的保险电流值与主电路上过电流保护器的保险电流值不宜小于1:1.6[4]。SPD失效模式为短路时,可能会影响受保护系统和设备的正常运行。

  5、SPD与过电流保护器配合使用存在的问题  
      与SPD串联的过电流保护器位于SPD外部的前端,当SPD不能切断工频短路电流或老化劣化时,它可使SPD避免过热和损坏并保证供电的连续性。对于SPD的失效模式,主要取决于电涌电流和电压的幅值和波形、供电系统的短路承受能力和故障时在SPD上施加电压值。SPD可能会在某一时段内处于不确定状态[5],。该状态包括能量吸收和最终导致(自身或后备过电流保护器)开路或短路情况。 

5.1 开关型SPD和限压型SPD的缺陷  
      开关型SPD的致命缺点是在动作后会产生工频续流,引起工频对地短路事故。限压型SPD会产生漏电流,会使SPD内部压敏电阻片发热,加上过电压的冲击,导致SPD的老化劣化。 

5.2 SPD失效的两种主要模式 
       对于开关型SPD,经过多次放电电弧高温的作用后,电极将出现氧化、升华和熔化等劣化现象,使得电极变短变细,从而放电间隙变大,开启电压也随之升高,造成开路失效,无法再满足保护需求[6]。当过电压过后,由于工频电压的存在,会造成短路失效。 
       对于限压型SPD,由于冲击电压和泄漏电流的长期作用,将会出现老化劣化现象,造成短路失效,如果限压型SPD内部的脱扣器及时断开,会造成开路失效。 
如果不能及时发现SPD已失效并及时更换SPD,则被保护线路和设备不能由其保护。 

6、结束语 
      用断路器作综合保护器时,因断路器中电磁脱扣结构电感L 的作用,在相同冲击放电电流情况下,比熔断器作后备保护器的试验对总压电保护水平UP 偏高0.1~0.25倍。熔断器的主要优点是分断能力高,相对尺寸较小,价格较便宜;缺点是熔丝熔断后不能及时提供动作信号,便于及时更换。断路器的主要优点是故障断开后,不必更换器件;缺点是相对价格较高,部分断路器分断能力较小。 
        综合考虑断路器及熔断器的特性,认为在低压配电系统SPD后备保护应用时,前级保护采用低压断路器,后级保护采用熔断器为宜。SPD配合过电流保护器使用,可以有效解决SPD的缺陷问题,但是应当合理选用。 
  参考文献 
[1]梅卫群,姜燕茹.建筑防雷[M].气象出版社.2008.1. 
[2]GB14048.2-01,低压开关设备和控制设备-低压断路器[S].2000. 
[3]IEC60364-5-534,建筑物电气装置[S].2002.

 

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