低压电器系统集成总体解决方案关键技术探讨（二）

４　低压配电系统过电压保护技术

　　传统低压配电系统选用的电器设备以及以照明为主的终端用电设备对暂态过电压不敏感，因此，上世纪９０年代前，对低压配电系统雷击过电压以及其他浪涌过电压未进行深入研究。随着电子技术、微电子技术在低压电力系统及相应电器设备中大量应用，特别是计算机网络系统及各类信息系统的大量使用，由于这些系统及其设备很容易受到雷击过电压和其他浪涌过电压伤害，故低压配电系统过电压保护技术显得越发重要。

　　据初步统计，在过电压引起的电器设备损坏中，从电源渠道侵入的浪涌过电压占８０％，因此现阶段电源用浪涌保护器（ＳＰＤ）用量最多。由于过电压及其保护是一门新兴的专有技术，涉及的研究内容及关键技术很多，本文只能就配电系统过电压保护主要关键技术进行初步探索。

　　４.１　低压配电系统ＳＰＤ 配置研究

　　雷电有可能直接从建筑物入口，即从变压器次级到低压配电系统主保护开关之间侵入，由于雷电直接侵入时能量很大，用一级雷电保护难以吸收其全部能量，另外，直接雷产生的巨大放电电流极有可能在低压配电系统引起很高的感应电压。为此，在低压配电系统中需要安装几级ＳＰＤ逐级吸收能量，使浪涌过电压限制在电器设备能承受的范围内。ＳＰＤ 一般分为３ 个级别产品：Ⅰ 级ＳＰＤ 安装于防雷区ＬＰＺ６０／ＬＰＺ１ 界面上，它可能传导一部份直接雷电流。Ⅱ 级ＳＰＤ 安装于防雷区ＬＰＺ１／ＬＰＺ２ 界面上，这里雷电强度较Ｉ级区弱，这些部位不会有直接雷电流，但雷电冲击尚未得到足够抑制。Ⅲ 级ＳＰＤ 一般安装于防雷区ＬＰＺ２或ＬＰＺ２ 后续部位，这些部位的上级ＳＰＤ 已经将浪涌能量和电压限制到一定水平，其主要任务是将过电压限制在更低水平，以确保低压配单系统终端负载不受雷电损害。

　　目前国际上发展了很多Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级组合型浪涌保护器以适应不同场合需要，也发展了各种型式的防雷箱，以形成保护规范、安全可靠的低压防雷保护系统。这项技术国际上逐步趋向成熟，但我国还处在起步阶段。

　　ＳＰＤ 在低压配电系统中的配置应根据不同配电系统和接地方式而变化。同时，ＳＰＤ 必须与低压配电系统协调。这是一项技术性很强的项目，必须由专业人员设计选用，并符合相关标准。

　　４.２　ＳＰＤ 产品结构与性能研究

　　目前我国生产ＳＰＤ 产品的企业很多，产品也很杂，但按国家标准严格考核的ＳＰＤ 产品不多。ＳＰＤ 产品真正全面达到ＩＥＣ标准和国家标准要求是有相当难度的。首先，对压敏电阻有严格要求；其次，产品结构也有相当要求，包括ＳＰＤ 外壳材料与结构、ＳＰＤ 接线端子、连接导体、灌封材料等。另外，ＳＰＤ产品结构设计时必须考虑电动力问题，必须能经受由于雷电冲击所产生的电动力反复作用。

　　目前，低压配电系统用ＳＰＤ 大多是模数化轨导安装结构，与终端电器相似。产品结构又分为整体式和可分式结构。可分式产品过压保护功能件采用插拔式结构，这种结构在国外应用已十分普遍，其主要优点是过压保护功能件损坏后更换方便。

　　４.３　ＳＰＤ 使用安全性研究

　　ＳＰＤ 本身是安全保护元件，但配电系统中并联接入ＳＰＤ 后，一旦ＳＰＤ 老化和失效容易引起ＳＰＤ 本身和系统起火。ＳＰＤ不安全有两种情况：① ＳＰＤ 遭受雷电冲击时的能量超过它保护热平衡的允许值，致使ＳＰＤ 温度持续上升而引起燃烧。解决该问题的对策是在ＳＰＤ 中设置“过热脱离器”。② 过强的冲击电流和暂态过电压使ＳＰＤ 突然击穿短路造成低压配电系统短路。由于ＳＰＤ 短路时内阻抗很小，其短路时产生的温度还不到热脱离器动作温度。解决该问题的对策是在ＳＰＤ电路加入“后备保护”。

　　（１）ＳＰＤ 热脱离器技术研究。提高热脱离器工作可靠性是ＳＰＤ 行业最重要课题之一，主要有３ 个问题：① 误动作，即ＳＰＤ未发生过热，脱离器就分离了，主要原因是低熔点焊点焊接强度差；② 不动作，主要是热设计不合理和压敏电阻质量差；③ 脱离特性不一致、分散性大，主要是焊接质量一致性差。解决上述问题必须从设计上、工艺上及生产管理上着手。对于多路平联的ＳＰＤ必须每支路ＳＰＤ 都安装热脱离器。

　　（２）ＳＰＤ 后备保护器选用研究。为了确保ＳＰＤ 正确可靠使用，后备保护器必须与ＳＰＤ 性能和低压配电系统正确匹配。至少应考虑以下因素：① 一般情况下当ＳＰＤ 承受雷击时产生的冲击电流，后备保护器不应动作；② 当ＳＰＤ 发生短路，后备保护器应立即动作，此时ＳＰＤ 不应进一步损坏，以防止事故进一步扩大或危及人身安全；③ 当ＳＰＤ 发生短路，后备保护器动作，此时配电系统前级保护开关不应动作以保持配电系统连续供电。

　　４.４　ＳＰＤ 组合技术研究

　　在很多情况下，为了提高ＳＰＤ 某项性能指标或获得一项新的功能，常常采用多个压敏电阻元件（ＭＯＶ）组合而成。这些元件可以是相同的，也可以是不同的。但是，切不可任意组合。

　　（１）多个ＭＯＶ 并联使用。为了提高ＳＰＤ 放电电流能力以降低限制电压，可采用限制电压相同的多个ＭＯＶ 元件并联，并联使用的ＭＯＶ元件应经过严格老化筛选，并联元件连接到并联公共点的导线长度、截面应尽量相同，必要时在并联支路中串联均流电阻。有人将市场上销售的小容量ＳＰＤ 直接并联，这是绝对不允许的。因为它们没有经过任何配对处理。

　　（２）压敏电阻与空气间隙并联使用。空气间隙具有放电电流大的优点，但对浪涌响应较慢，采用这一组合兼有压敏电阻响应速度快，又有空气间隙放电电流大的优点。

　　（３）压敏电阻与空气间隙串联使用。这种组合方式在理论与实践上已基本成熟，但技术性很强，目前市场上随意组合的情况还比较多，有可能达不到限制电压目的，甚至造成不必要的故障。

５　低压电器结构与性能协调配合

　　长期以来，由于行业与产品分隔，特别是新产品设计时往往从自身发展需要出发，造成我国不同低压电器结构与性能缺少必要的协调与配合。国外著名低压电器制造商在开发低压电器新产品时首先从系统角度考虑，低压电器相关产品结构与性能必须相互协调与配合。为了使低压电器系统集成时实现最佳总体解决方案，产品结构与性能必须相互协调与配合。

　　５.１　低压电器结构与系统集成

　　随着低压电器功能不断扩展与完善，低压配电与控制系统集成时对低压电器结构与外形不断提出新的要求。主要表现如下：

　　（１）为了适应低压成套开关设备小型化需要，对低压电器新产品不断提出小型化要求。某些短路电流相对较低的配电系统为了缩小配电装置占地面积，近年来发展靠墙安装的超薄型开关柜，为此需要厚度较小（约为６０ｍｍ）的新型塑料外壳式断路器。

　　（２）近１０年来，国外发展的电器安装与母排连接一体化结构，对缩小成套装置体积提高系统配置灵活性和维护性能具有重要意义。为此，相当一部份低压电器新一代产品开发时，必需考虑这方面发展需要。

　　（３）用于电动机保护与控制的低压电器及其组合电器最近发展的产品，包括电动机保护用塑壳断路器、交流接触器、热继电器、电子式电动机保护器等，其结构与外形均具有以下特点：相同电流等级产品宽度与相间距离相等，交流接触器出线排可直接插入塑壳断路器接线座，热继电器或电子式电动机保护器出线排可直接插入交流接触器接线座。且两个产品结构上可直接搭接在一起，成为拼装式组合电器。

　　（４）低压电器部件模块化早已成为低压电器发展方向之一，特别是功能部件模块化，有助于低压电器功能扩展并向多功能化方向发展。另外，功能部件除实现模块化外，还要向结构与外形标准化方向发展。进一步提高低压电器零部件通用性，降低新产品研发成本与制造成本。

　　５.２　低压电器性能协调配合

　　前面介绍的低压配电系统过电流与过电压保护新技术都涉及不同低压断路器之间和浪涌保护器之间性能上的协调配合。另外，低压电器许多技术指标，如动、热稳定、短时耐受电流、ＳＣＰＤ等性能既是低压电器自身安全运行的需要，也是不同产品之间性能协调配合的需要，以保证系统运行可靠性。低压电器性能协调配合主要应解决以下问题：

　　（１）当低压配电系统发生过电流故障时，故障级配电电器应及时可靠切断电路，前级配电电器不应越级跳闸。当故障级配电电器不能切断故障电路时，前级配电保护电器应及时切断电路以避免事故进一步扩大。

　　（２）当线路发生短路，低压断路器或熔断器在规定时间内有效切断电路过程中，对于没有过电流分断能力的配电电器和控制电器，应能承受相应短时耐受电流。

　　（３）对于低压配电系统主保护开关，目前一般采用电子脱扣器，为了确保其动作可靠，应带有后备电磁保护系统。

　　（４）为了实现全电流范围选择性保护，应大幅度提高低压断路器短时耐受电流、并使犐ｃｗ ＝犐ｃｓ＝犐ｃｕ。随着区域联锁等过电流保护技术应用，实现选择性保护的时间将大大缩短。因此，低压断路器承受短时耐受电流的时间可以缩短。为此，低压断路器应公布不同时间（建议分为０．１、０．２、０．５、１ｓ４档）的短时耐受电流值。这里特别指出，今后０．１～０．５ｓ短时耐受电流值对正确选用低压断路器具有十分重要意义。

　　（５）目前，终端配电系统没有严密的选择性保护配合，随着具有短延时功能小型断路器ＳＭＣＢ 投放市场，终端配电系统合理配置问题必须引起设计、使用部门注意。如终端箱主开关采用ＳＭＣＢ，前级电表箱保护开关如何选用？是否也可以选用ＳＭＣＢ？上、下级ＳＭＣＢ如何配合？另外，当终端配电系统保护开关采用ＳＭＣＢ后，楼层保护开关如选用ＭＣＣＢ，二者之间如何配合等问题均应开展深入研究，以确保终端配电系统安全可靠运行。

　　（６）低压断路器区域联锁与原有按时间原则设定的三段保护如何协调，也需要进一步研究，并向设计部门提供正确、合理的选用指南。

　　（７）电动机控制、保护回路低压电器元件性能配合问题。我国第一代电动机保护塑壳断路器ＤＺ５功能简单，当时电动机控制、保护回路一般将ＭＣＣＢ、交流接触器、热继电器串联使用。当时ＭＣＣＢ、热继电器功能基本上是不重叠的。随着电动机保护用ＭＣＣＢ功能逐步完善，以及电子式电动机保护器功能不断加强，如简单的将上述三个产品串联使用就会造成功能重叠，甚至造成动作程序上不合理。

　　在这种情况下，如果采用保护功能齐全的ＭＣＣＢ，一般可以省略电子式电动机保护器。如选用电子式电动机保护器，ＭＣＣＢ可以只保留短路保护。若ＭＣＣＢ功能全部保留，则除短路保护外的其他功能将成为电子式电动机保护器后备保护。当发生短路外的其他故障时应保证电动机保护器先动作并分断交流接触器。只有电动机保护器失效时，ＭＣＣＢ才动作。

　　（８）双电源自动转换开关（ＡＴＳＥ）选用时性能协调与配合。ＡＴＳＥ 是近１０ 年来发展的新型电器，应用场合十分广泛。但ＡＴＳＥ选用时也存在很多性能上协调与配合问题，值得引起关注：① 当电源发生故障时，要确保ＡＴＳＥ 可靠转换至备用电源；② 对ＰＣ 型ＡＴＳＥ，当线路发生短路故障时，由前级保护电器断开电路，而ＡＴＳＥ不应损坏。为此ＡＴＳＥ 应具有相应短时耐受电流能力；③ 对ＣＢ型ＡＴＳＥ，应能满足配电系统选择性保护要求，同时应具有相应短时耐受电流能力。

　　由于低压电器品种繁多，其他低压电器，如熔断器选用时也存在一系列性能上协调与配合问题，限于篇幅本文不一一介绍。

６　低压电器系统集成可靠性技术

　　低压电器系统集成如何保证其运行可靠性是一项综合性技术，主要涉及以下技术问题：

　　（１）低压配电系统设计研究，着重研究典型配电系统总体解决方案。

　　（２）低压控制系统（特别是自动化控制系统）设计研究，提出典型控制系统总体解决方案。

　　（３）低压电器及成套电器选用及其可靠性研究，包括低压电器自身可靠性以及性能上协调与配合，以确保系统可靠运行。

　　（４）编写低压电器系统集成总体解决方案指南。

　　７　结　语

　　正确制订低压电器系统集成总体解决方案，既是低压电力系统安全可靠运行的需要，又是提高电器制造商市场竞争能力的需要。我国低压电器行业对该问题的关注刚刚开始。希望通过本文探讨，引起同行重视，并迅速提高低压电器系统集成的能力。