浅析限压型 SPD 产品热脱离技术及后备保护 北京 ABB 低压电器有限公司 胡宏宇 杨文广 刘新宇 摘要：本文从限压型 SPD 产品自身保护结构和相关测试等方面分析了低压配电系统中SPD 的后备保护选用原则 关键词：电涌保护器 热脱离技术 后备保护 前言 随着限压型电涌保护器（SPD）产品在低压配电系统中的大量使用，如何在保证 SPD 产品充分发挥其限制电涌电流作用的同时，又保证低压配电系统运行的可靠性，已日益引起专业设计人员的重视本文以 ABB 的 OVR 系列 SPD 产品及其相关产品为基础，从理论和试验验证等不同角度，分析了 SPD 产品的热脱离及后备保护技术，为用户正确选用 SPD 的后备保护产品提供参考 1 限压型 SPD 产品的自身保护及后备保护功能分析 1.1 限压型 SPD 失效分析 限压型 SPD 产品的核心元件为氧化锌压敏（MOV）元件，其失效后故障表现有短路和开路两类形式短路故障产生原因主要为电涌电流通过 MOV 产生的热击穿或电涌电流在 MOV 表面产生的放电造成两极间金属性短路，其工频短路电流值因系统容量不同从几百至几千安培。
SPD 产品短路故障的另一类表现即因为失效的 MOV 并未完全短路且有一定阻抗，流过 MOV 的故障电流使其发热燃烧，燃烧过程中在没有完全开路前故障电流在几百毫安至几安培间对于低压配电系统而言，系统故障主要表现是相线通过 SPD 对 PE 线或 N 线过流故障 1.2 限压型 SPD 产品自身保护分析 根据 IEC61643-1（GB18802.1）标准（注：简称标准，下同）要求，SPD 产品通常自带内部串联脱离器，以便在 MOV 失效后，流过 MOV 和脱离器的泄漏电流增大，产生的热量使脱离器动作SPD 产品的内部脱离器有以下两类设计： J 内置熔断器； 采用低温焊锡焊接脱扣器簧片（压簧）的热脱离器 内置熔断器有熔管和熔丝两种形式，熔断器有一定的短路保护能力，但由于熔断器通过电涌电流后易老化，使 SPD 产品提前失效多数厂家均采用低温焊接热脱离器的方式进行 SPD 产品的自身防护根据 IEC61643-1（GB18802.1）标准，热脱离器需进行相应的热稳定试验，合格判别标准：在环境温度 800C 放置 24h,脱离器不能动作；脱离器动作时 SPD 表面温度应总是低于 1200C，在脱离器动作后 5 分钟，表面温度应低于80ºC。
由于热脱离器本身没有专用灭弧系统设计，在额定电压下分断故障电流的最大值约为 10A，不能分断 SPD 短路失效造成的短路电流，因此安装在低压配电系统的 SPD产品还需安装其它后备保护元件 1.3 后备保护的基本要求 为最大限度地保障低压配电系统的运行安全和 SPD 后的电气设备安全，SPD 产品的后备保护应满足以下基本要求 1.3.1 后备过电流保护： 作为低压配电系统一部分的过电流装置位于 SPD 外部的前端，当 MOV 因电涌电流过大造成击穿形成短路，SPD 自身脱离器不能迅速切断工频短路电流时，后备保护元件可保证迅速分断电路，以保证 SPD 产品自身不会发生爆炸事故及低压配电系统供电的连续性 为达到上述目的，后备保护元件的短路分断能力应不小于安装点的系统最大短路电流，或通过与前级过流保护元件配合后其分断能力不小于系统最大短路电流同时也应保证其分断短路电流时间内不会造成 SPD 的外壳绝缘水平降低 1.3.2 与 SPD 间的电涌配合： J 后备保护元件与 SPD 配合后，应可保护在额定电涌电流作用时，后备保护元件不动作，保证电涌电流的正常泄放，同时其作用在支路上的残压 Ur 低于用电设备的保护水平 Up。
以保证系统及用电设备安全 1.3.3 SPD 脱离器失效后的后备保护： 根据前面 SPD 产品自身保护分析，脱离器失效后 SPD 有可能出现两类故障状况，一类热击穿造成 L-N/PE 线间接地短路，其电流值可使后备过电流保护元件动作；另一类由于接地故障电流小，过流保护元件不动作，元件（MOV）因发热起火，图 1 分析了市场上多数 SPD 产品在 MOV 失效后，MOV 通过故障电流与 SPD 脱离器、熔断器、微型断路器配合关系，从图中可以看到多数 SPD 脱离器与熔断器、微型断路器等过流保护元件间存在一定盲区对于此类故障标准要求 SPD 产品的外壳材料通过相应的耐非正常热和耐热试验，如一定对此类故障进行保护，其后备保护元件应是具有接地故障保护的元件 图 1 SPD 与熔断器、微型断路器保护配合 1.4 基本保护元件的保护功能分析在三相电源低压配电系统中 SPD 产品通常选用 3+N 产品，以 TN 系统为例，安装方式如图 2 所示 J 图 2 TN 系统中的电涌保护器安装 根据 GB50057《建筑物防雷设计规范》和 IEC60364《建筑物电气装置 电气设备的选择与安装 》标准要求，后备保护元件 F 可以是熔断器、断路器和剩余电流断路器等保护元件，各自产品特点如下： 熔断器 分断能力高，相对尺寸较小，价格较便宜，但熔丝熔断后不方便及时向值班人员提供动作信号,不能及时更换熔断体，影响系统电涌保护的可靠性，同时熔断器在通过数次电涌电流后也会出现老化提前失效的现象。
断路器 故障断开后不必更换器件，可方便重新闭合，并可方便安装信号指示及电操作机构使断路器可实现遥控、遥信功能但断路器相对价格高，部分断路器分断能力较小，同时断路器存在一定固有动作时间，在设计使用上设计人员需要与系统中前级过流分断能力等方面综合考虑 剩余电流动作保护器 依据图 2 的安装方式在相线上安装剩余电流动作保护器可对脱离器失效后 MOV 热击穿产生的接地故障电流进行可靠保护，同时具备断路器的全部优势但由于IEC61008-1 剩余电流保护器标准要求的防浪涌能力瞬动型产品只考虑J250A（8/20μs）冲击电流，故不宜用于 SPD 的后备保护，对于 SPD 产品的后备保护应选用选择型（带 S 标记）的剩余电流动作保护器由于使用要求不一，剩余电流动作保护器有带过电流保护的剩余电流断路器（RCBO）和不带过电流保护的剩余电流断路器（RCCB）两类产品，对于 SPD 的后备保护应选用带过电流保护的剩余电流断路器产品或增加其它过流保护 2 后备保护元件的选择和验证 由于各系列 SPD 及后备保护产品的电气设计参数和结构不尽相同，为充分发挥 SPD产品的电涌保护能力和被保护的低压配电系统运行安全，SPD 产品与后备保护元件的配合、选择需通过相应试验确定或验证。
根据前面有关后备保护基本要求的分析，SPD 与后备保护元件的配合应主要依据 IEC61643-1（GB18802.1）《低压配电系统的电涌保护器（SPD）第 1 部分：性能要求和试验方法》中相关条款进行配合试验验证由于国际电工组织和各国目前没有统一的配合试验验证标准，并且对配合的期望值和标准的理解也不尽相同，因此对配合的要求和推荐数据也不完全统一 2.1 ABB 公司相关配合试验 ABB 公司在立足为充分发挥 SPD 产品的电涌保护能力和被保护低压配电系统运行安全的基础上，对公司生产的 SPD 产品和微型断路器及剩余电流断路器进行了大量的试验验证，以 SPD 产品与微型断路器配合为例，主要配合试验内容如下： 2.1.1 试验验证目的 确认 SPD 与 MCB 间的配合； 与 SPD 配合的 MCB 必须能够承受流过 SPD 的电涌电流而不被损坏； MCB 与 SPD 内部脱离器配合保证故障后 SPD 产品的外壳防护水平不低于 IP20； MCB 与 SPD 内部脱离器配合保证故障的 SPD 产品迅速脱离低压配电系统，保证系统运行可靠。
2.1.2 MCB 耐受电涌电流试验 J MCB 单独进行冲击电流（8/20 μS）试验，以确定不同额定电流值 MCB 的耐受不同幅值电涌电流的能力及不同电流的残压，冲击试验电流为 5-100kA 优选值，并对试后的 MCB 依据 IEC60898 标准在工频电压下进行保护动作特性及耐压试验 根据 MCB 在不同试验电流下的不同试验结果确定 MCB 耐受电涌电流的四个电流值： IW MCB 最大不动作电流：MCB 在此电流值以下的电涌电流冲击下，不发生误动作，且无机械和绝缘损坏，试后运行正常； ITM MCB 最大无工作故障电流：MCB 在此电流冲击下，可能动作，但无机械和绝缘损坏，试后运行正常； Id MCB 保护功能失效但不破坏绝缘的最小电流：MCB 在此电流冲击下，可能出现机械损坏，但无绝缘损坏； Ib MCB 保护功能及绝缘损坏的最小电流：MCB 在此电流冲击下，可能出现机械及绝缘损坏 2.1.3 SPD 与 MCB 配合及进行动作负载试验 根据 MCB 耐受电涌电流试验结果，选定 SPD 组合以达到期望的两类配合结果： SPD 的电涌冲击电流 Imax 值等于 MCB 的最大不动作电流 Iw 值，以保证在 Imax 以下的冲击电流下，组合不发生脱离动作且残压满足 Up 要求； SPD 的电涌冲击电流 In 值等于 MCB 的最大不动作电流 Iw 值，Imax 值等于 MCB 的最大无工作故障电流 ITM值，保证在 In 以下的冲击电流下，组合不发生脱离动作且残压满足 Up 要求，在 Imax 以下的冲击电流下，组合可发生脱离动作但残压满足 Up 要求。
为保证后备保护的可靠和安全性，SPD 的 Imax 值应小于 MCB 的保护功能失效但不破坏绝缘的最小电流 Id 值 J对选定的 SPD 与 MCB 组合须依据 IEC61643-1（GB18802.1）《低压配电系统的电涌保护器（SPD）第 1 部分：性能要求和试验方法》第 7.6 款要求进行动作负载验证在试验时对组合后的残压 Ur 进行测量，保证小于 Up 值试验过程中要求在预处理试验中 MCB 不可发生误动作且依据 IEC60898 标准进行工频保护动作特性及耐压试后等验证试验合格，在动作负载试验中可出现上述两个结果，但 MCB 依据 IEC60898 标准进行工频保护动作特性及耐压等试后验证试验合格 2.1.4 SPD 和 MCB 的短路电流耐受试验 为进一验证 SPD 脱离器与 MCB 在 MOV 短路状态下的短路电流耐受能力，依据IEC61643-1（GB18802.1）《低压配电系统的电涌保护器（SPD）第 1 部分：性能要求和试验方法》第 7.7.3 款要求进行短路电流耐受试验（其中 MOV 阀片处于短路状态），所加电压调为：1.732Uc，短路电流范围 300A 至 MCB 额定分断能力，SPD 脱离器或 MCB应在 5s 内切断，SPD 及 MCB 产品外型没有影响安全的损坏，并保证 MCB 或 SPD 有明显脱离指示。
2.1.5 ABB OVR 系列 SPD 与 S260 系列 MCB 配合 依据以上试验组合筛选，我们总结出表 1 的 ABB OVR 系列 SPD 与 S260 系列 MCB 配合表，这些配合可以保证系统短路电流在 1-10kA 范围内，在 In 以下的冲击电流下，组合不发生脱离。