AC660 V變頻系統中電涌保護器的選型應用

摘要：參考《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—2010）、《低壓配電系統的電涌保護器（SPD）第12部分：選擇和使用導則》（GB/T 18802.12—2006），分析了如何根據被保護設備的具體功能、建筑物、線路敷設方式等情況進行SPD選型，以便合理選擇適用于660 V配電系統的SPD產品。

關鍵詞：電涌保護器（SPD）;接線方式;技術參數

0? ? 引言

某一環保裝置的配電設計，基于技術經濟評估，對一臺電機功率為400 kW的變頻離心風機采用380/660 V等級的低壓供配電系統。案例背景中電涌保護器（SPD）的主要保護對象是以大功率電子器件為主要組成的400 kW變頻器。

本文根據《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—2010）[1]、《低壓配電系統的電涌保護器（SPD）第12部分：選擇和使用導則》（GB/T 18802.12—2006）[2]，結合現場實際運用情況，以電涌保護選型設計的基本問題——SPD的基本參數選擇、SPD的布局和保護模式為出發點，結合背景論述380/660 V變頻配電系統中SPD的設計選型：

（1）通過在配電總柜的進線端安裝SPD，對660 V系統的相線、中性線、信號線和變頻器實現等電位，進行過電壓保護;

（2）通過安裝在變頻器柜出線端的SPD進行過電壓防護（為了論述方便，以下簡稱進線端SPD和出線端SPD）。

1? ? 過電壓及防雷區的劃分

1.1? ? 防雷區的劃分

將需要保護的空間劃分為不同的防雷區，以各防雷區交界處的電磁環境有明顯改變作為劃分不同防雷區的特征。

配電室裝有防雷裝置，并完好地進行了等電位連接。根據表1所示防雷區（LPZ）定義和劃分原則，此660 V系統配電裝置安裝于防雷區LPZ1區內。

1.2? ? 過電壓的類型

產生瞬間過電壓的原因主要有兩大類：內部過電壓和大氣過電壓。大氣過電壓主要是指直接雷、感應雷，配電系統所布置場所不可能遭受直接雷擊。

660 V配電系統的上級變壓器和與之配套的6 kV高壓開關柜在同一層配電室內，可以確定的是：

（1）進線端的SPD可能遭受內部的操作過電壓和來自變壓器中性點接地和進線電纜所引起的感應雷電影響;

（2）出線端可能受到來自出線電纜的感應雷影響。

2? ? SPD的參數選擇

2.1? ? 保護模式

共模保護模式為L相線或中性線與PE之間設置SPD的接線方式。

差模保護模式為L相線與L相線、L相線與中性線之間設置SPD的接線方式。

CT1接線就是指在L相線、中性線與PE之間設置SPD。

CT2接線即俗稱的“3+1”接線，就是在L相線與中性線之間設置SPD，同時在中性線與PE線之間設置SPD。

本案接地采用TN-S系統，但由于系統只提供主電源運行一臺400 kW的變頻電機，控制電源由AC380/220 V回路提供，所以未引中性線母排至變壓器進線柜（安裝上端SPD于此柜，660 V配電總柜）。SPD的接線安裝于L—PE之間，采用共模保護模式、CT1的接線方式。目前電涌保護器的保護模式大部分是共模保護（L—PE、N—PE）。電涌保護器的接線同時要遵從最短原則，連接導線應盡可能短而直。

需要強調的是，SPD的上端安裝微型斷路器可以避免電涌保護器動作時的電流同時引起上級漏電保護裝置誤動作的可能，SPD只能限制瞬態電涌電壓，不能承受電網過大的、異常的暫態過電壓（暫態過電壓是指電網故障引起的持續幾個周波或幾秒的工頻過電壓），上端斷路器可以一定程度地保護SPD不被擊穿，并在需要時及時切斷故障，保護人員和設備安全。

2.2? ? 電壓保護水平

筆者認為：一般而言，當受保護設備具有足夠的過電壓承受能力時，在靠近配電干線的配電盤處設計一個SPD就足夠了;在有敏感設備的情況下，電壓保護水平加上線路上感應過電壓不足以保護設備時，在被保護設備處裝設第二級SPD。

低壓變頻器所用元件IGBT能承受的電壓是1 500～1 800 V，電壓再高，元件就會損壞。本案中安裝進線端SPD和出線端SPD的目的主要是考慮到受保護系統中此敏感設備的過電壓承受能力Uw。

SPD設計級數的選擇，核心是SPD的電壓保護水平Up應至少與被保護電氣設備的沖擊耐受水平Uw相匹配。受保護設備的耐沖擊電壓額定值Uw應大于SPD的Up，并適度考慮一些裕量。

2.3? ? 最大持續運行電壓

SPD需長期接入電源電路，承受電源上各種電壓作用而不劣化?？紤]系統的接地類型、電網的正常波動、調節和諧波等，SPD的持續工作電壓Uc應符合表2規定。

對于380/660 V三相系統中的SPD，這里Un1=380 V，最大持續運行電壓Uc=1.15×380=437 V。

2.4? ? 通流容量

通流容量與電流波形（特別是波長）有關。本案主要是限制沿線侵入的雷電電涌和雷電感應，因此通常選擇以8/20 μs波形，用Ⅱ級試驗檢驗，以最大放電電流Imax和標稱放電電流In表征限壓型電涌保護器，Imax可按2In計。

引述《工業與民用配電設計手冊》第三版第832頁文字如下：“為抑制從配電線路引入的大氣過電壓和內部操作過電壓，在正常情況下裝設對于防止大氣過電壓（由間接的、遠處雷擊引起的）和操作過電壓保護通常是設計Ⅱ級試驗的SPD，在必要時設計Ⅲ級試驗的SPD?！彼员景钢懈鶕颠x擇合適的Ⅱ級試驗的SPD。對于任一保護模式的SPD，標稱放電電流In均不應小于5 kA，三相系統In按接于相線與PE之間的每個SPD的4倍選取，不應小于20 kA（8/20 μs）。

本案選擇In=20 kA、Imax=40 kA的Ⅱ級試驗的SPD。

3? ? 產品選型

羅列所選參數如表3所示。

一般情況下：

（1）電壓保護水平越低，保護效果越好。

（2）通流容量越高，雷電下安全性越好。但是通流容量越大，SPD的價格越高。

（3）最大持續電壓越高，長期安全性越好，但是最大持續運行電壓升高，電壓保護水平也水漲船高。

根據所羅列的參數尋找最適合的產品，目前市場上的電涌保護器主要有施耐德電氣公司旗下梅蘭日蘭品牌的PRD系列和ST系列產品、ABB公司的OVR系列產品、正泰公司的Nu系列產品等。

翻閱ABB公司OVR系列產品選型手冊，最適合本案的產品型號為OVR BT2 1-40-440。

（1）應用于第二級保護，Ⅱ級試驗，限壓型電涌保護器;

（2）單級，最大放電電流Imax=40 kA;

（3）持續工作電壓Uc=440 V，電壓保護水平為1.8 kV。

翻閱施耐德公司的電涌保護器產品，最適合本案的產品型號是iST 1P-40-440和iPR 1P-40-440。

（1）應用于第二級保護，Ⅱ級試驗，限壓型電涌保護器;

（2）單級，最大放電電流Imax=40 kA;

（3）持續工作電壓Uc=440 V，電壓保護水平為1.5 kV。

綜合比較，iST和iPR的電壓保護水平在參數上更能滿足本工程的需要。同時，所選的這些系列產品都存在這樣一個問題：它們都是針對交流50/60 Hz、額定電壓230/400 V的系統，沒有明確表示能夠在660 V系統中使用。但我們依舊能根據需要、根據每一個參數的需求比對來選出合適的規格型號，比如本工程最后選擇了施耐德iPR40系列的二級電涌保護器，在使用中也證明可以無差別地實現電涌保護功能。盡管如此，還是希望市場能夠進一步完善660 V標稱電壓的產品。

4? ? 結語

綜上所述，不能孤立地對待電涌保護器的設計，必須對建筑物的具體情況及被保護設備的具體功能、耐受電壓、絕緣情況進行認真分析。另外，基于規范和標準正確選擇合理的接線方式（CT1、CT2）和技術參數（In、Ic、Imax、Ip等）對于保證電氣設備的安全和正常使用尤為重要。

[參考文獻]

[1] 建筑物防雷設計規范：GB 50057—2010[S].

[2] 低壓配電系統的電涌保護器（SPD）第12部分：選擇和使用導則：GB/T 18802.12—2006[S].

[3] 中國航空工業規劃設計研究所.工業與民用配電設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.

收稿日期：2020-04-24

作者簡介：周鵬（1987—），男，江蘇揚州人，工程師，研究方向：供配電工程設計、施工。