防雷知識連載(五)| 如何配置電源SPD后備保護裝置
電涌保護器SPD
防雷知識連載(五)| 如何配置電源SPD后備保護裝置 2019-10-21 防雷知識連載(五)| 如何配置電源SPD后備保護裝置 382

電源SPD后備保護,應該滿足以下幾個基本要求:


1.在電涌沖擊時不動作;


2.在SPD出現“短路”故障時及時可靠地動作;


3.應保證系統的供電連續性(通常情況下的要求),要求SPD后備保護能與主回路保護裝置配合,即 SPD支路后備保護F2應先于主回路保護裝置F1動作(如果在特殊情況下,選擇保證SPD保護連續性的話,則對這一條不做要求)。

 

如下示意圖,當SPD出現續流或者短路故障時,我們希望F2動作,而F1不動作,避免電力供應中斷。


防雷知識連載(五)| 如何配置電源SPD后備保護裝置


也就是說,理想狀態下,SPD支路熔斷器既要實現與上級熔斷器的匹配(不能太大),又要與SPD的放電能力匹配(不能太小)。實際應用中很難同時滿足以上2個要求,這就需要設計人員根據實際情況來決定了。如因工藝等原因,停機造成的損失很大,通常不允許斷電停機,那么就要選擇保證供電連續性。如果設備貴重、受雷擊風險高且斷電停機損失相對較小,如風力發電機,應選擇保證SPD保護連續性。

 

電源SPD常用的后備保護,有熔斷器和斷路器兩種,該如何選擇?

在此我們需要先來了解一下熔斷器和斷路器不同的工作原理,以及應用上的差別。

熔斷器,俗稱保險絲,是依靠能量的累積,熔絲到一定的溫度時實現熔斷,其熔斷不光與電流大小有關,也和時間有關。斷路器,則是靠電流流過線圈時產生的電磁力來吸附可動的觸頭實現動作,主要和電流(峰值)大小有關。

 

電涌沖擊的電流峰值很大,這使得采用斷路器時,沖擊電流峰值越大(波形持續時間越長),斷路器越容易動作,所以一般只是在沖擊電流較小時,采用斷路器(微型)。以下我們來詳細比較一下熔斷器和微型斷路器的優缺點。

 

熔斷器:

優點:

可實現主回路(F1)和支路(F2)匹配,滿足F1:F2≥1.6:1即可,如F1=100A,F2=63A;

限流性好,分斷能力強;

感抗小,經受電涌沖擊時,不會額外提升被保護設備兩端電壓;

成本低。

 

主要缺點:

不能在35mm導軌上安裝;

熔斷后需要更換熔芯;

熔斷后指示性較差。

 

微型斷路器:

優點:

安裝方便;

故障斷開后,如無特殊原因,手動復位即可;

斷開后指示性好。

 

缺點:

不能保證F1和F2的匹配,即使F1額定值大于F2,也不能保證F2先于F1動作;

在電涌沖擊時,容易跳閘,需要及時檢查復位;

內部有線圈,感抗大,電涌沖擊時,會在斷路器上產生較高的電壓,該電壓和SPD的殘壓一起施加到被保護設備上,對保護效果不利;

成本相對較高。

所以,熔斷器更適合作為SPD的后備保護。

 

IEC61643.12-2008標準中,只對熔斷器的使用做了推薦。對于斷路器,有人進行過相關研究測試工作,但由于不同廠家、不同品牌、不同曲線的斷路器實驗結果上一致性差,無法給出推薦值。


IEC61643.12-2008對熔斷器計算和測試值如下:


表1. SPD的放電能力In與匹配的熔斷器額定電流值

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我司測試了國內幾個常用品牌的熔斷器(方形柱體),不同品牌之間測試的結果略有差異,但總體情況與標準推薦值比較吻合。

 

假定SPD 的適合的后備保護熔絲的值為A(A的大小由SPD廠家提供,如果廠家未提供,可根據SPD的In值查附表1),根據不同的情況,選擇如下:


表2

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在F1≥1.6A的情況下,保證供電連續性和保證SPD保護連續性是可以同時滿足的。


另補充說明:當所選F2<A時,表示在極限情況的電涌沖擊下(沖擊電流接近或超過In值,或者系統承受過多次沖擊),允許熔斷器熔斷。但即使熔斷器熔斷,SPD仍然會起到保護作用的,這是因為熔斷器的熔斷響應時間比SPD響應時間大幾個數量級(熔斷器響應是ms級,SPD響應是ns級,雷電流波形是us級),在實驗室進行的測試中,導致熔斷器斷開的那一次電涌沖擊波形都是采集到了的。只不過是在熔斷器熔斷之后,如果未及時維護更換,下一次電涌沖擊時設備就可能因失去SPD的保護而損壞。

 

近幾年,市場上在大力宣傳推廣一種電源SPD專用的后備保護器(SSD),用來代替常規電源SPD后備保護熔斷器(F2)。其理論基礎是:普通的熔斷器在作為電源SPD的后備保護時,其保護范圍和電源SPD內部脫離器存在保護上的盲區。具體一點講,就是:


電源SPD內部脫離器一般針對小的故障電流(漏電流,mA級至A級),而電源SPD(外部)后備保護脫離器針對的是大的故障電流(短路電流,數百、千A級),兩個脫離器存在保護上的盲區,仍有起火隱患,而采用電源SPD專用后備保護器,就可以消除這樣的一個保護盲區。

 

SSD實現了在高沖擊電流(幾十kA)下不動作而在低工頻(故障)電流(幾A)下動作,具備作為SPD專用的后備保護器的理論基礎。但是,對于SSD的應用,存在幾個問題:


1)如下圖這樣一個典型應用中,使用SSD替代F2后,能否實現SSD和F1動作上的配合,確保SSD比F1先動作?對于這方面的問題,不知道SSD廠家是否有過研究和結論。


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2)前面已經提到,電源SPD常見的故障方式有2類,SPD劣化引起的mA級漏電流和SPD短路引起的大故障電流。而SSD需要故障電流達到安培級別才能動作,對于基于MOV的電源SPD而言,故障電流達到mA級別,SPD就可能起火,在mA級別的故障電流下,SSD是不會動作的,這種情況只能依靠電源SPD自身脫扣裝置來解決。所以,即使使用了SSD,電源SPD自身的脫扣裝置仍是必不可少的。同樣,即使使用了SSD,對SPD自身的短路耐受能力也是有要求的


3)哪些情況下,電源SPD會出現安培級故障電流?概率有多大?

如果是因為SPD在mA級故障電流下未能成功脫扣,導致漏電流增加至安培級,那么在這種情況下,在SSD動作之前,SPD大概率已經起火了。

 

所謂“解鈴還須系鈴人”,我們應首先從提高電源SPD自身的安全可靠性的角度(可靠的脫扣裝置和足夠大的短路耐受能力)來解決SPD在應用中存在的隱患。而SSD雖然能解決目前存在的部分問題,但也可能引入新的問題,并增加成本壓力。



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防雷知識連載(一)| 消除誤解,科學防雷

防雷知識連載(二)| 了解“感應雷”危害,針對性防護

防雷知識連載(三)| SPD的原理和選型

防雷知識連載(四)| 如何選擇高品質SPD


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