劉 璇，王林峰，許延賀，劉寶全，畢曉蕾，高 劍，姜 輝，張長(zhǎng)秀，劉 娟

(1.中國(guó)石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 2660712.中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司，陜西西安 7100163. 中國(guó)石化銷售股份有限公司重慶石油分公司，重慶 400010)

0 前言

電涌保護(hù)器(Surge Protection Device, SPD)的安裝可以限制電路上的瞬時(shí)過電壓，是石化企業(yè)雷電防護(hù)的常用措施之一。依據(jù)GB18802.1、GB50057和GB /T 21431標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定: 安裝在電路上的電涌保護(hù)器，其前端宜有后備保護(hù)裝置，用以防止當(dāng)SPD不能阻斷工頻短路電流而引起發(fā)熱和損壞時(shí)的后備過電流保護(hù)。目前使用的過電流保護(hù)器一般為斷路器和熔斷器，通常存在以下問題：在雷電流沖擊下，無(wú)法耐受大電流，易誤脫扣、易損壞，致使SPD防雷保護(hù)失效，損害后端設(shè)備；雷電流沖擊電流殘壓高，使設(shè)備防雷保護(hù)可靠性降低；SPD常年使用后漏電流增大劣化失效、配電線路發(fā)生異常過電壓時(shí)，斷路器不能快速分離，導(dǎo)致SPD起火。

1 SPD后備保護(hù)斷路器性能測(cè)試

1.1 電涌耐受性能測(cè)試

在SPD的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)IEC 61643-1:2011中，使用了兩種波形的沖擊電流，一種是10/350 μs波形的沖擊電流，表征的是雷電直擊產(chǎn)生的電涌電流；另一種是8/20 μs波形的沖擊電流，表征了雷電感應(yīng)在線路上產(chǎn)生的電涌電流。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SPD提出了相應(yīng)的耐受要求，由于后備保護(hù)斷路器和SPD串聯(lián)使用，因此也相應(yīng)地必須滿足這些耐受要求。以下通過大量的試驗(yàn)，研究了不同系列的斷路器對(duì)沖擊電流的耐受性能。

對(duì)于8/20 μs電涌，表1給出了實(shí)驗(yàn)所得從10 A到100 A斷路器的最大耐受電流值

I

，斷路器對(duì)8/20 μs電涌的耐受水平的大體變化趨勢(shì)為隨著額定電流的提高而提高，但是并不是每一級(jí)斷路器都嚴(yán)格滿足。

表1 不同型號(hào)斷路器最大8/20 μs沖擊耐受水平

由表2可見，普通斷路器對(duì)10/350 μs波形的沖擊電流的耐受能力是十分有限的。對(duì)于最大額定電流125 A的斷路器，它能耐受的10/350 μs波形沖擊電流的峰值僅為4.11 kA，對(duì)于32 A額定電流的斷路器，能耐受的僅僅只有1.32 kA，這對(duì)I級(jí)SPD來(lái)說(shuō)實(shí)在太小了，因此對(duì)于32 A以下的就沒有必要去尋找其耐受沖擊電流。

表2 斷路器在10/350波形下的試驗(yàn)結(jié)果

1.2 工頻過電流保護(hù)性能測(cè)試

進(jìn)行斷路器5 s工頻耐受試驗(yàn)(圖1)，在施加負(fù)載電流下模擬雷電沖擊。觀察工頻電流下，斷路器能否實(shí)現(xiàn)快速分?jǐn)?，防止SPD起火，起到保護(hù)電路的作用。

圖1 工頻耐受試驗(yàn)原理

在施加5 s工頻標(biāo)稱電流下，樣品斷路器均不能實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?。沖擊SPD使之發(fā)生損壞條件下，交流負(fù)載下?lián)p壞的SPD出現(xiàn)脫扣、冒煙、甚至開始著火燃燒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 工頻耐受試驗(yàn)結(jié)果

目前選用的斷路器和熔斷器后備保護(hù)裝置的額定電流一般都比較高，所以當(dāng)SPD支路出現(xiàn)較低的短路電流時(shí)，將達(dá)不到斷路器或者熔斷器的瞬動(dòng)值，短路電流將無(wú)法被及時(shí)切斷，這時(shí)SPD極易起火、爆炸。例如C曲線瞬動(dòng)脫扣值為5～10倍的額定電流

I

，如選用C16做后備保護(hù)，當(dāng)SPD出現(xiàn)80 A以下工頻續(xù)流不會(huì)瞬動(dòng)脫扣，在這個(gè)電流下SPD已經(jīng)起火燃燒。

1.3 普通斷路器失效原理分析

一方面，當(dāng)大的雷電流經(jīng)過時(shí)，由于斷路器無(wú)法承受而脫扣，SPD保護(hù)失效，雷電流不能徹底泄放，損害后端設(shè)備。這是由于普通斷路器從進(jìn)線端到出線端線路過長(zhǎng)，并且還有感性元器件(電感線圈)串聯(lián)在線路中，如圖2所示。用來(lái)感應(yīng)出磁場(chǎng)進(jìn)行斷路器額定負(fù)荷動(dòng)作時(shí)的動(dòng)能，當(dāng)雷電流通過時(shí)會(huì)因?yàn)檎鹗幮?yīng)和長(zhǎng)線效應(yīng)造成感升電壓升高。雷電流作為高頻脈沖會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電動(dòng)勢(shì)，造成斷路器無(wú)法順利通過雷電流，誤動(dòng)作脫扣。

圖2 普通斷路器示意

另一方面，斷路器要完成超過5 A工頻電流保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作電流就必須小于 5 A，這與承受雷電沖擊電流不誤動(dòng)作相矛盾。例如，要在雷電流

I

為15 kA的作用下不動(dòng)，需要選用額定電流為幾百安培的斷路器；要在工頻電流不大于5 A時(shí)瞬時(shí)分?jǐn)?，與“幾百安培”才不斷的需求相矛盾，無(wú)法匹配。SPD常年使用后漏電流增大劣化失效，但電流值未達(dá)到斷路器脫扣值，不能分離，導(dǎo)致SPD起火。電網(wǎng)暫態(tài)過電壓導(dǎo)致SPD瞬間擊穿短路失效，斷路器不能快速分離，導(dǎo)致SPD起火。

2 新型SPD專用斷路器設(shè)計(jì)原理及性能測(cè)試

對(duì)于用作SPD后備保護(hù)的過電流保護(hù)器的要求有兩點(diǎn)：當(dāng)雷電流通過斷路器和SPD串聯(lián)回路時(shí)，要求保護(hù)器不動(dòng)作，使得電涌能夠被SPD進(jìn)行泄放；當(dāng)工頻電流通過，SPD短路失效的時(shí)候，要求保護(hù)器能夠切斷短路過電流。

2.1 設(shè)計(jì)原理

新型SPD專用斷路器利用雷電流持續(xù)時(shí)間短暫這一特性，對(duì)雷電流進(jìn)行選擇性通過，對(duì)在斷路器電路中持續(xù)時(shí)間超過脫扣時(shí)間的工頻電流實(shí)現(xiàn)阻斷，工作原理如圖3所示。雷電流沖擊時(shí)，利用磁飽和原理，當(dāng)電流傳感器的一次側(cè)雷電流達(dá)到設(shè)定閾值后，二次側(cè)電流將不再增大。此時(shí)電磁鐵是否動(dòng)作，其能量(

I

t

)只取決于通流的時(shí)間，由于雷電流的瞬態(tài)過渡時(shí)間為微秒級(jí)，時(shí)長(zhǎng)非常短，電磁鐵能量太小，不足以動(dòng)作分?jǐn)?，?shí)現(xiàn)“不該斷時(shí)不能斷”的功能。

圖3 保護(hù)工作原理

發(fā)生工頻短路時(shí)，由于其短路電流的暫態(tài)過渡時(shí)間為毫秒級(jí)，裝置利用了短路電流與雷擊電流故障過渡時(shí)間的千倍數(shù)量級(jí)差異特性，經(jīng)過對(duì)電流傳感器和電磁鐵的特殊設(shè)計(jì)，使其可以識(shí)別不同故障狀態(tài)過渡時(shí)長(zhǎng)的電流，并析出工頻不大于5 A的小電流，瞬時(shí)分?jǐn)?，?shí)現(xiàn)“應(yīng)該斷時(shí)可靠斷”的功能。

2.2 耐受沖擊電流的性能

對(duì)新型SPD專用斷路器進(jìn)行8/20 μs、10/350 μs雷電流波形沖擊測(cè)試試驗(yàn)，觀察沖擊后的現(xiàn)象，并測(cè)試了新型SPD專用斷路器的殘壓，結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)結(jié)論表明，當(dāng)有雷擊發(fā)生時(shí)，串聯(lián)在防雷器前端的專用外置脫離器能保證雷電流經(jīng)過時(shí)不脫扣、不損壞，保證防雷器件功能持續(xù)有效。

表4 新型SPD專用斷路器沖擊試驗(yàn)結(jié)果

額定電流63 A的斷路器耐電涌沖擊電流的水平對(duì)于8/20 μs波形大約為32.7 kA，對(duì)于 10/350 μs 波形大約為2.06 kA。而使用 SPD 通流容量越來(lái)越大，顯然用斷路器作為SPD的后備保護(hù)存在耐沖擊電流的配合問題。SPD專用外置脫離器不脫扣沖擊電流大于80 kA(8/20 μs)/ 25 kA(10/350 μs)，確保雷電流通過SPD快速泄放入地。且雷電沖擊殘壓低，在同等沖擊電流下，明顯低于普通斷路器。

2.3 分?jǐn)喙ゎl電流的性能

當(dāng)電源出現(xiàn)異常暫態(tài)過電壓使SPD導(dǎo)通發(fā)生短路時(shí)，斷路器應(yīng)具備分?jǐn)喽搪冯娏髂芰Σ⒛苎杆贁嚅_電路。當(dāng)SPD發(fā)生劣化，致使啟動(dòng)電壓降到低于電源電壓時(shí)，其工頻漏電流會(huì)迅速增大，當(dāng)漏電流比較小時(shí)SPD熱脫扣機(jī)構(gòu)能夠斷開電路，當(dāng)工頻漏電流大于5 A時(shí)，SPD易起火，斷路器必須在引起SPD起火前斷開電路，防止火災(zāi)的發(fā)生。新型SPD專用斷路器分?jǐn)喙ゎl電流性能測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 新型SPD專用斷路器分?jǐn)喙ゎl電流性能測(cè)試結(jié)果

從過電流分?jǐn)鄶?shù)據(jù)看，普通斷路器的脫扣電流值約為額定電流的5～7倍，符合斷路器的脫扣曲線。說(shuō)明普通斷路器的確不能及時(shí)分?jǐn)嘈〉墓ゎl電流。而新型SPD專用斷路器在任何工頻電流值下分離時(shí)間比SPD起火時(shí)間小，能夠確保SPD不起火，工頻續(xù)流脫扣值小于5 A。從TOV試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，普通斷路器在通過1 200 V暫態(tài)過電壓時(shí)，雖能實(shí)現(xiàn)分?jǐn)嚯娐?，但不夠及時(shí)，導(dǎo)致SPD損壞或起火。而新型SPD專用斷路器能快速分?jǐn)嚯娐?，解決了工頻續(xù)流不脫扣、電源異常SPD起火的問題。

3 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有普通斷路器，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)分析，研究了SPD與后備保護(hù)斷路器的配合性能。一方面，當(dāng)大的雷電流經(jīng)過時(shí)，由于斷路器無(wú)法承受而脫扣，SPD保護(hù)失效，雷電流不能徹底泄放，損害后端設(shè)備；另一方面，SPD常年使用后漏電流增大劣化失效，但電流值未達(dá)到斷路器脫扣值，不能分離，導(dǎo)致SPD起火。針對(duì)目前防雷行業(yè)沒有SPD專用配套過電流保護(hù)裝置的現(xiàn)狀，研發(fā)了新型SPD專用斷路器，實(shí)現(xiàn)雷電安全泄放和短路電流保護(hù)的雙重功能，解決了現(xiàn)有斷路器雷電流沖擊誤脫扣、易損壞，工頻續(xù)流不脫扣、電涌保護(hù)器起火等問題。