SPD专用后备保护器的研究

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发表时间：2021-03-13

摘要：

介绍现有熔断器和断路器在与SPD配合使用时显现出来的电涌电流耐受能力的不足，引出提升电涌电流耐受能力的方法。分析不同额定电流的断路器，不同直径、不同阻抗的NTC对SSD工频短路电路分断能力的影响，最后给出不同元器件的选用要点及配合建议。

关键词：

电涌保护器；熔断器；断路器；气体放电管（GDT）；负温度系数热敏电阻（NTC）；SPD专用后备保护器；电涌电流耐受能力；分断能力

全文发表在《建筑电气》2020.10

0引言

随着现代电子设备对防雷保护的要求日益严格，安装电涌保护器（SurgeProtectionDevice，SPD）抑制线路上的浪涌和瞬时过电压、泄放线路上的过电流成为现代防雷技术的重要环节之一。众所周知，构成电涌保护器的重要元器件是压敏电阻（MOV），而压敏电阻具有泄漏电流，在长期使用过程中可能会出现短路劣化，给系统带来安全隐患。这就要求SPD需串联过流保护装置使用，在国家标准GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》的附录J和GB/T18802.12-2014/IEC61643-12：2008《低压配电系统的电涌保护器（SPD）第12部分：选择和使用导则》的附录K中，都规定了在电涌保护器（SPD）靠近相线侧需串联安装过流保护器，通常称为SPD的后备保护装置。

1常见SPD后备保护装置的电涌电流耐受能力

在目前的IEC标准及国内的标准中，通常选用常见的过电流保护装置熔断器和断路器作为SPD的后备保护装置。由于熔断器和断路器主要作为工频过电流的保护装置，其电涌电流耐受能力并不是很理想。

1.1常见熔断器的电涌电流耐受能力

关于熔断器的电涌电流耐受能力在GB/T18802.12-2014/IEC61643-12：2008附录P中有规定，如表1所示。

从表1可以看出：

a.对于I类分类试验SPD（T1）来说，熔断器的冲击电流耐受能力很弱。对于冲击电流Iimp为10kA的SPD，需要额定电流为160A的熔断器作为后

备保护装置；对于Iimp为25kA的SPD，需要额定电流为315A的熔断器作为后备保护装置。

b.对于II类分类试验SPD（T2）来说，标称放电电流In为25kA的SPD，需要额定电流为80A的熔断器作为后备保护装置；In为40kA的SPD，需要额定电流为125A的熔断器作为后备保护装置。

因此，无论是T1还是T2类SPD，标准推荐的熔断器的额定电流都明显偏大，而且往往会超过SPD上游母线上的过流保护装置额定值，从而因过流保护参数倒置而导致SPD后备保护装置无效。

1.2常见断路器的电涌电流耐受能力（略）

目前，关于断路器的电涌电流耐受能力，国内或国外标准都没有提出明确的匹配建议。上海市防雷中心防雷产品测试中心与知名断路器厂家展开合作，对断路器的电涌电流耐受能力作了深入研究。

由表2和表3（略）可以看出：

a.断路器在10/350μs冲击电流下的耐受能力很弱，即使是125A额定电流的断路器，也仅能耐受约4kA的10/350μs电流，基本无法和常用的T1类SPD配合使用。

b.断路器在8/20μs冲击电流下的耐受能力和熔断器类似，In为30kA的T2类SPD，需要额定电流为100A或125A的断路器作为后备保护装置，很可能超过了上游相线上过流保护装置的额定值。

因此，断路器无法直接与T1类SPD配合使用，或者因上下游过流保护参数倒置而导致T2类SPD的后备保护装置无效。

可见，无论是熔断器还是断路器，要想成为SPD合格的后备保护器，电涌电流耐受能力的提升刻不容缓。

2电涌电流耐受能力的提升

由上述分析可知，目前常见的熔断器或断路器不能作为SPD专用后备保护器的矛盾点在于电涌电流的耐受能力和工频过电流分断能力之间的矛盾。如果并联一个电涌电流耐受能力相对较高的元件，使电涌电流流过该元件，而工频电流仍然流过熔断器或断路器，这样就提升了产品的整体电涌电流耐受能力，同时又能分断工频过电流。气体放电管（GDT）正好符合这个特性：在它未击穿前，由于阻抗非常大，对工频电流相当于开路；而在电涌电流下会瞬间击穿（响应时间相对较快，在ns级别），击穿后相当于短路，会分流大部分的电涌电流。

2.1将气体放电管与熔断器并联使用（略）

将额定电流为63A的熔断器与通流容量为20kA、直流击穿电压为500V的气体放电管并联，研究整体的电涌电流耐受能力，如表4所示（略）。

2.2将气体放电管与断路器并联使用

将额定电流为10A的断路器与通流容量为20kA、直流击穿电压为500V的气体放电管并联，研究整体的电涌电流耐受能力，如表5所示（略）。

由表1可知，额定电流为63A熔断器的电涌电流耐受能力为17kA；由表4可知，并联一个20kA、500V的气体放电管后，可以将熔断器的电涌电流耐受能力提升到25kA；由表3可知，额定电流为10A断路器的电涌电流耐受能力为15kA；由表5可知，并联一个20kA、500V的气体放电管后，可以将断路器的电涌电流耐受能力提升到45kA。

由此可见，无论是熔断器还是断路器，并联一个气体放电管后均可以提升电涌电流耐受能力，断路器的电涌电流耐受能力提升得尤为明显，这是因为断路器的阻抗比熔断器的阻抗要大，气体放电管击穿后，根据并联电路的分流原理，电流和电阻成反比，导致并联后，流经熔断器的电流大于流经断路器的电流，因此，并联后的熔断器的电涌电流耐受能力不如断路器。同时，由于气体放电管存在续流，当SPD短路劣化、熔断器熔断后，如果续流不能遮断，很容易引起火灾。对断路器而言，可以将气体放电管的一个极并联在断路器的动触头回路上，当断路器动作后，自然也将气体放电管从电路切断了，这就避免了由于续流不能遮断引起的火灾。

2.3串联负温度系数热敏电阻（NTC）进一步提升电涌电流耐受能力

由表5可知，并联气体放电管后断路器的电涌电流耐受能力有了一定程度的提升，但仍不能完全满足实际的需求。从并联电路的分流原理可知，在断路器支路串联一个阻抗后可以进一步降低断路器支路的电流，从而再次提升电涌电流耐受能力，而这个阻抗在工频电流流过时要能迅速变为很小的阻抗，从而不会影响断路器分断工频过电流。负温度系数热敏电阻正好符合这个特性，它灵敏度较高，为毫秒级别，电阻负温度系数较大，随着温度的升高，阻值能迅速地非线性降低。此等结构的产品可称为基于断路器技术的SPD专用后备保护器（SSD），如图1所示。

以额定电流为10A的断路器分别串联5D-20和10D-20的NTC后再与通流容量为40kA、直流击穿电压为500V的气体放电管并联，研究整体的电涌电流耐受能力，如表6所示（略）。

由表6可知，串联NTC后极大地提升了断路器的电涌电流耐受能力，由于GDT电涌电流耐受能力的限制，试验中断路器并未动作。但由表6可知，当总电流为60kA时，流过断路器的电流仅为1.3kA左右，远远低于断路器的动作电流15kA。由此可推断，串联NTC后断路器的电涌电流耐受能力非常可观，完全能满足实际的使用需求。

3工频短路电流分断能力

按照图1的结构，分别改变断路器的额定电流、NTC的直径大小、阻值大小，研究其对整体工频短路电流分断能力的影响。

3.1断路器额定电流对分断能力的影响（略）

分别以额定电流为10A、20A、25A的断路器串联10D-25的NTC后再与通流容量为20kA、直流击穿电压为500V的气体放电管并联，研究整体的工频短路电路分断能力，如表7所示。

从表7可知，断路器的额定电流越小，切断时间越短，即增加线圈的匝数可以缩短切断时间，也就是通过增加线圈匝数可以使能分断的工频过电流变小。

3.2NTC直径对分断能力的影响

以额定电流为10A的断路器分别串联10D-11、10D-20和10D-25的NTC后再与通流容量为20kA、直流击穿电压为500V的气体放电管并联，研究整体的工频短路电路分断能力，如表8所示（略）。

由表8可知，当NTC阻值相同时，其直径越小，切断时间越短；但直径越小，NTC的最大功耗也相应变小，就很有可能因为发热量大于最大功耗使NTC损坏。

3.3NTC阻值对分断能力的影响

以额定电流为10A的断路器分别串联5D-25和10D-25的NTC后再与通流容量为20kA、直流击穿电压为500V的气体放电管并联，研究整体的工频短路电路分断能力，如表9所示（略）。

由表9可知，当NTC直径相同时，其阻值越小，切断时间越短；但考虑到电涌电流的分流效果，其阻值也不能选择得过小，否则会影响电涌电流耐受能力。

4结论

首先，根据SSD声称的分断工频过电流的幅值确定线圈的匝数，使SSD能在NB/T42150-2018《低压电涌保护器专用保护设备》规定的时间内动作；其次，根据SPD的最大放电电流寻找对应通流能力的GDT（或放电间隙），同时根据GDT和MOV串联使用时需使GDT的最小直流击穿电压高于线路电压的峰值来选择不同电压等级的GDT；再次，从电涌电流的分流关系选择合适阻值的NTC；最后，通过调整NTC的直径使工频电流流过NTC时的发热量不超过其最大功耗，以避免试验中NTC的损坏。

作者：

陈华晖、沈云新（上海市气象灾害防御技术中心）

周歧斌（上海大学机电工程与自动化学院）

全文收录在《中国防雷技术选编》2021

参考文献

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