加油站電涌保護(hù)器（SPD）的選型策略研究

季芬琴 廖曉婷 陳州川

（福建省泉州市氣象局,福建 泉州 362000）

一般情況下，未做屏蔽的架空線路的感應(yīng)電壓可以達(dá)到10～20 kV。若3 km以外出現(xiàn)雷擊，一般的信號線路能產(chǎn)生1 kV的感應(yīng)過電壓，當(dāng)雷擊入地雷電流達(dá)到5 kA時，位于雷擊附近5～10 m無屏蔽的線路能感應(yīng)到5～7.5 kV的過電壓，即便信號傳輸線采用的是光纜線路，光纜中心或者是外層的金屬體（如加強(qiáng)筋）上也能感應(yīng)到雷電電涌。

為有效避開雷電過電壓或雷電電磁脈沖沿著金屬線路入侵后損壞設(shè)備，需要安裝電涌保護(hù)器（SPD）以保障設(shè)備的安全運(yùn)行[1]。SPD是雷電防護(hù)的重要設(shè)備之一，通過低壓線路將入侵的雷電流泄放到大地，巨大的雷電能量可以通過SPD泄放至大地。設(shè)備安裝SPD保護(hù)，能預(yù)防和減少由雷電引起的過電壓、過電流帶來的損害，還可以抑制系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的操作過電壓。值得注意的是，SPD的選型會直接影響到其保護(hù)效果。因此，在加油站設(shè)計過程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況選擇合適類型的SPD，以保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 電涌保護(hù)器的基本原理

根據(jù)國際電工委員會（IEC）對電涌保護(hù)器的概述，電涌保護(hù)器“是在特定條件下，用于保護(hù)電氣系統(tǒng)和設(shè)備免受各種過電壓和沖擊電流的損害，例如雷電和開關(guān)電涌”。由此可知，該裝置主要用于限制瞬態(tài)過電壓和泄放電涌電流，它至少具備一個非線性元件。在被保護(hù)的設(shè)備端安裝了電涌保護(hù)器后，電涌電流就會經(jīng)過電涌保護(hù)器后被泄放，并對電涌電壓進(jìn)行限制進(jìn)而來保護(hù)設(shè)備。電涌保護(hù)器的作用均由非線性元件（開關(guān)元件或非線性電阻）來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)設(shè)備電路處于正常工作狀態(tài)時，非線性元件呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，不影響被保護(hù)電路開展工作；但瞬態(tài)電涌到達(dá)時，非線性元件就會迅速轉(zhuǎn)變到低阻抗的狀態(tài)，電涌電流成為旁路，并且把要進(jìn)行保護(hù)的設(shè)備兩端的電壓限制在較低水平；當(dāng)雷電電流能量釋放后，該非線性元件又自動、快速恢復(fù)到高阻狀態(tài)。如果電涌保護(hù)器啟動和恢復(fù)過程可以正常運(yùn)行，那么被保護(hù)的設(shè)備就不會遭到操作電涌和雷電電涌的破壞，從而保障電路的正常運(yùn)行。

2 電涌保護(hù)器的類型

2.1 電壓限制型SPD

電壓限制型SPD由各種非線性電阻元件構(gòu)成，這些元件有連續(xù)的伏安特性，當(dāng)電流開始連續(xù)增大，電阻就出現(xiàn)連續(xù)的減小。其中，常用的元件為金屬氧化物非線性電阻（MOV），也叫作壓敏電阻。MOV元件包含ZnO等多種金屬氧化物，呈圓片或者方片狀。正常情況不受電涌影響時，MOV為小電流密度區(qū)，電涌通過時處于飽和區(qū)，有鉗位作用。

2.2 電壓開關(guān)型SPD

電壓開關(guān)型SPD的構(gòu)造中，其核心保護(hù)元件主要是各種開關(guān)型器件，開關(guān)型器件也是非線性元件，但其伏安特性表現(xiàn)為不連續(xù)，與電壓限制型SPD不一致，電壓低時通常處于開路狀態(tài)，一旦電壓升至一定程度時，兩個電極間的電阻就會迅速下降，轉(zhuǎn)化為低阻狀態(tài)。

2.3 組合型SPD

在IEC和國家標(biāo)準(zhǔn)中，組合型SPD是電壓開關(guān)型和電壓限制型元件的結(jié)合，兩個元件通常以串聯(lián)或并聯(lián)的方式存在，而且這兩種方式的工作原理類似。組合型SPD也表現(xiàn)出非線性的特性，但其伏安特性與電壓開關(guān)型SPD一樣，也為不連續(xù)。組合型SPD表現(xiàn)出和電壓、電流的相關(guān)性，有時發(fā)揮其電壓開關(guān)型的特性，有時又表現(xiàn)出電壓限制型的特性。

2.4 三種結(jié)構(gòu)類型SPD的優(yōu)缺點(diǎn)比較

三種類型SPD的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。由表1可知，響應(yīng)時間方面，電壓限制型SPD最短，響應(yīng)時間小于25 ns，組合型SPD響應(yīng)時間最長；動作平穩(wěn)性方面，表現(xiàn)為電壓限制型SPD＞組合型SPD＞電壓開關(guān)型SPD，其中，電壓限制型SPD無動作分散性，而電壓開關(guān)型SPD和組合型SPD均表現(xiàn)出動作分散性大；續(xù)流方面，電壓限制型SPD的續(xù)流極小，組合型SPD的續(xù)流較小，而電壓開關(guān)型SPD的續(xù)流很大，但能自熄；泄漏電流方面，電壓開關(guān)型和組合型這兩種SPD基本無泄漏電流，而電壓限制型SPD存在泄漏電流的現(xiàn)象；電壓保護(hù)水平方面，電壓限制型SPD的電壓保護(hù)水平偏低，電壓開關(guān)型SPD和組合型SPD的電壓保護(hù)水平相對較高，但可觸發(fā)降低；老化方面，電壓限制型SPD的性能會老化，但可采取相應(yīng)措施延緩老化進(jìn)程，而電壓開關(guān)型SPD和組合型SPD不存在性能老化現(xiàn)象。

表1 三種SPD的優(yōu)缺點(diǎn)比較

3 雷電災(zāi)害風(fēng)險評估

在設(shè)計加油站之前，應(yīng)進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險評估，評估內(nèi)容包括雷擊線路導(dǎo)致的對活體傷害的概率、雷擊線路導(dǎo)致實(shí)體損害的概率、雷擊線路導(dǎo)致內(nèi)部系統(tǒng)失效的概率、雷擊線路鄰近區(qū)域?qū)е聝?nèi)部系統(tǒng)失效的概率等，從而確定SPD的選型參數(shù)。

3.1 建筑物及入戶設(shè)施的截收面積計算

（1）電力線路截收雷電面積AL(P)

AL(P)=6Hc×[Lc3(Ha+Hb)]

（2）電力線路周圍地面截收雷電的面積Ai(P)

Ai(P)=1000×Lc

（3）通信線路截收雷電的面積AL(T)

AL(T)=0.8×[Lc-3(Ha+Hb)]

（4）通信線路附近地面的截收雷電面積Ai(T)

Ai(T)=Lc×50

3.2 風(fēng)險計算

（1）雷擊入戶線路后引發(fā)危險火花導(dǎo)致的火災(zāi)實(shí)體損害風(fēng)險RV

RV=NL×PV×LV=[NL(P)+NL(T)+NDa]×PV×r×h×rf×Lf

（2）雷電擊中建筑物附近后引發(fā)的內(nèi)部系統(tǒng)失效風(fēng)險RM

RM=NM×PM×LM=NM×PM×Lo

（3）雷擊入戶線路造成的危險火花引起火災(zāi)導(dǎo)致的實(shí)體損害風(fēng)險RV

RV=NL×PV×LV=[NL(P)+NL(T)+NDa]×PV×r×h×rf×Lf

（4）雷擊入戶線路造成內(nèi)部系統(tǒng)失效風(fēng)險RW

RW=NW×PW×LW=[NL(P)+NL(T)+NDa]×PW×Lo

（5）雷擊入戶線路附近造成內(nèi)部系統(tǒng)失效風(fēng)險RZ

RZ=Ni×PZ×LZ=[NI(P)+NI(T)-NL(P)-NL(T)]×PZ×Lo

3.3 風(fēng)險評估與控制

將計算結(jié)果與可承受風(fēng)險的典型值比較進(jìn)行評估。若加油站建筑物公共設(shè)施損失的可承受風(fēng)險的典型值小于10-3，則在可承受范圍內(nèi)，但需要采取相應(yīng)的措施降低雷擊造成損壞的風(fēng)險。由于加油站周圍地理環(huán)境復(fù)雜，大部分的電源線為架空引入，沿線路入侵的雷電流值NIP很大，可將架空的線路進(jìn)行金屬鎧裝敷設(shè)或護(hù)套電纜穿鋼管后直接埋地，長度要超過15 m；將電纜與架空線的連接處安裝戶外型I級浪涌保護(hù)器，然后將電涌保護(hù)器、電纜金屬外皮、鋼管和絕緣子鐵腳、金具等儀器設(shè)備形成共同接地，確保浪涌保護(hù)器的電壓保護(hù)水平≤2.5 kV，每一保護(hù)模式需要選沖擊電流大于或等于計算值。如果沒有戶外型浪涌保護(hù)器，應(yīng)選用戶內(nèi)型電涌保護(hù)器，該電涌保護(hù)器的使用溫度要符合安裝環(huán)境的溫度，裝設(shè)在防護(hù)等級為IP54的箱內(nèi)。

4 電涌保護(hù)器試驗(yàn)類別的選擇

依據(jù)侵入電應(yīng)力的不同，在入口處的SPD試驗(yàn)按Ⅰ級、Ⅱ級或Ⅲ級進(jìn)行。根據(jù)建筑物防雷分類，加油加氣站由于屬于具有0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)爆炸危險區(qū)域的建筑物，按照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB 50057—2010）的規(guī)定，被劃分為第二類防雷建筑物。《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)電氣接地裝置與防雷接地裝置共用接地或連接時，其中在低壓電源線路引入的總配電箱、配電柜處安裝Ⅰ級電涌保護(hù)器[2]。因此，加油加氣站可以對低壓電源線路引入的總配電箱、配電柜位置上安裝Ⅰ級電涌保護(hù)器進(jìn)行防雷保護(hù)。

5 電涌保護(hù)器Uc、UT和In/Iimp/Imax/Uoc的選擇

（1）在加油站低壓配電系統(tǒng)中，SPD的Uc要比系統(tǒng)中可能產(chǎn)生的最大持續(xù)工作電壓高，其中，Ucs=k·U，即Uc＞Ucs，且Uc至少為1.1 U，UT=Uc≥UTOV.LVmax。

（2）根據(jù)試驗(yàn)級別選擇SPD的能量，必須在風(fēng)險分析的基礎(chǔ)上，并依據(jù)Iimp、Imax或Uoc來選擇合適的電涌保護(hù)器。

6 前后級電涌保護(hù)器之間的能量配合

為了預(yù)防雷電電磁脈沖入侵，或者是雷電天氣下雷電過電壓干擾或永久性破壞電子系統(tǒng)設(shè)備，首先于低壓配電系統(tǒng)位置上、電源線路處均要安裝多級的SPD進(jìn)行防護(hù)，目的是分級泄流產(chǎn)生的雷電流，如果僅是作單級防護(hù)，可能會出現(xiàn)較大的雷擊電流加大設(shè)備損壞概率，甚至造成高殘壓。當(dāng)然，即使安裝了多級SPD，但防護(hù)配合不科學(xué)，也不能有效發(fā)揮多級SPD的作用，依然會發(fā)生整個供電系統(tǒng)SPD失常的現(xiàn)象，甚至還會出現(xiàn)其中的SPD被擊毀，造成被保護(hù)設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞[3]。

6.1 防雷區(qū)的劃分

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》，按磁場強(qiáng)度有無衰減，可將雷電防護(hù)區(qū)劃分為LPZ0A、LPZ0B、LPZ1、LPZ2～n后續(xù)防雷區(qū)。0區(qū)的LPZ0A、LPZ0B雷電電磁強(qiáng)度均沒有衰減。1區(qū)的雷電電磁場可能得到衰減，衰減程度多少取決于屏蔽措施。加油站供配電系統(tǒng)SPD安裝在0區(qū)進(jìn)入1區(qū)的線路上。

6.2 供電系統(tǒng)接地形式

我國供電系統(tǒng)接地形式主要包括TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、IT系統(tǒng)。其中，TN系統(tǒng)接地形式有TN-C系統(tǒng)、TN-C-S系統(tǒng)、TN-S系統(tǒng)。根據(jù)《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50156—2021），汽車加油加氣加氫站380/220 V供配電系統(tǒng)宜采用TN-S系統(tǒng)，當(dāng)外供電源為380 V時，可采用TN-C-S系統(tǒng)。

6.3 電涌保護(hù)器的安裝

6.3.1 級間配合問題

當(dāng)進(jìn)入電涌電流為i時，首先要考慮有多少流入SPD1、有多少流入SPD2，其次考慮兩個SPD是否能耐受這些電應(yīng)力。

兩個SPD典型線路圖如圖1所示，其中，Eq表示正常工作的被保護(hù)設(shè)備，O/c表示開路（設(shè)備從供電系統(tǒng)斷開），i表示侵入的電涌。從圖1可以看出，當(dāng)設(shè)備被斷開，無電流流過設(shè)備，總電應(yīng)力被兩個SPD承擔(dān)，此時應(yīng)考慮SPD端子和負(fù)載間存在電涌源的情況。SPD的優(yōu)良配合，既能保護(hù)后面的設(shè)備，也能保證SPD不被損壞。根據(jù)美國電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，敏感設(shè)備作雷電過電壓防護(hù)時，要結(jié)合設(shè)備的實(shí)際情況設(shè)計好各種SPD的防護(hù)位置，通常必須達(dá)到兩級或兩級以上才能達(dá)到防雷要求。

圖1 兩個SPD的典型應(yīng)用電路圖

6.3.2 配電電涌保護(hù)器配置

室內(nèi)SPD的配置，SPD前、后級的參數(shù)對SPD的保護(hù)效果影響較大。第一級SPD一般是用來泄放雷電大電流，大部分沖擊電流和能量都是通過第一級SPD泄放，第一級SPD通流容量大于第二級SPD。第二級SPD是用于鉗位設(shè)備兩端的雷電過電壓，使SPD在設(shè)備可耐受電壓之內(nèi)。

6.3.3 安裝第二級配電涌保護(hù)器要求

第一級SPD保護(hù)電壓等級與設(shè)備所能承受的過壓相比是很高的。如果第一級SPD與被保護(hù)設(shè)備間的距離過大，設(shè)備不能很好地被保護(hù)，還會因?yàn)檎袷?，在被保護(hù)設(shè)備端產(chǎn)生高電壓，從而損壞被保護(hù)設(shè)備。SPD不是安裝越多級效果越好，是否需要加第二級或第三級SPD應(yīng)滿足下列條件：一是第I級的SPD有效電壓保護(hù)水平相比被保護(hù)設(shè)備的耐過壓額定值要低；二是第I級SPD與被保護(hù)設(shè)備之間的線路長度小于10 m時；三是在建筑物內(nèi)部不存在雷擊放電或內(nèi)部干擾源產(chǎn)生的電磁場干擾時；四是第二級SPD無法滿足上述3個條件時，應(yīng)安裝第三級SPD。

6.3.4 電涌保護(hù)器的級間配合

在對SPD防護(hù)模塊進(jìn)行設(shè)計時，一方面，要考慮大功率及高電壓的輸入；另一方面，要降防護(hù)模塊的泄漏電壓，兩者綜合考慮才能減少保護(hù)設(shè)備和元器件損壞率。解決這個問題的方法就會，采用多級SPD級聯(lián)結(jié)的方法，依次降低每一級的電壓，然后形成一個電壓梯度下降狀況，即前級SPD抑制高電壓，中間級SPD抑制電壓次之，到最后一級SPD時電壓降至被保護(hù)器件可以承受的電壓范圍內(nèi)，這樣一來就能對電磁脈沖作相應(yīng)的防護(hù)。

由于耐受高電壓的前級SPD在防護(hù)過程中響應(yīng)時間較長，耐受低電壓的后一級SPD響應(yīng)速度快，存在耐壓和響應(yīng)時間之間的矛盾。因SPD的電涌保護(hù)非線性器件各自都有不同的特點(diǎn)，為了讓響應(yīng)速度快、但特征能量小的器件通過的雷電流能量不超過自身最大承受能量[4]，需要做能量配合，即要將剩余的大能量交換到反應(yīng)慢卻可承受更大能量的器件上。氣體放電管（GDT）和瞬態(tài)抑制二極管（TVS）組合防護(hù)電路示意圖如圖2所示，設(shè)計中采用的GDT通流量容量大、電容較小、絕緣電阻高，但缺點(diǎn)是反應(yīng)速度慢、殘壓高；TVS的響應(yīng)速度較快、殘壓不高，但其耐受電壓偏低，如果直接連接GDT和TVS，受雷電電磁脈沖的作用，可能直接損壞TVS，失去雷電防護(hù)作用，所以要在GDT與TVS之間增加一個退耦器，用于加速GDT開啟，達(dá)到防電磁脈沖入侵的目的。電磁脈沖通過GDT和TVS的組合防護(hù)電路后，其電壓可從10 kV降至80 V以內(nèi)，進(jìn)而很好地抑制雷電電磁脈沖，但因中間存在的退耦器件會縮短TVS的響應(yīng)時間，在鉗位響應(yīng)電壓之間出現(xiàn)尖峰過沖[5]。器件之間組合匹配后，不但能提高雷電保護(hù)器的輸入電壓，而且還能減小輸出防護(hù)器殘壓。

圖2 GDT和TVS組合防護(hù)電路示意圖

6.3.5 信號線路SPD安裝級數(shù)

A級防護(hù)系統(tǒng)宜采用2級或3級，B級防護(hù)系統(tǒng)宜采用2級，C、D級防護(hù)系統(tǒng)宜采用1級或2級。在LPZ0A區(qū)或LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)交界處應(yīng)選用Iimp值為0.5～2.5 kA（10/350 μs）的SPD或0.25～5 kA（8/20 μs）的SPD；在LPZ2區(qū)與LPZ3區(qū)交界處應(yīng)選用Iimp值為0.5～1.0 kA（1.2/50 μs）的SPD或0.25～0.5 kA（8/20 μs）的SPD。

7 結(jié)論

科學(xué)合理地選用和安裝SPD，是確保被保護(hù)設(shè)備不受雷電電涌侵入損壞的雷電防護(hù)手段之一，然而，選用SPD并進(jìn)行安裝，都對技術(shù)要求很高，若是選擇的電涌保護(hù)器不合理或是安裝不規(guī)范，不僅難以起到自身具備的保護(hù)作用，相反還會帶來很大的破壞性[6]。因此，在設(shè)計SPD時，要考慮SPD上下級之間的能量配合，保證設(shè)備遭受雷擊瞬間每級的SPD能及時啟動。SPD選型是個技術(shù)性很強(qiáng)的工程，要依據(jù)大量、繁雜的觀測數(shù)據(jù)資料，還要參考設(shè)計方提供出的建筑物原始數(shù)據(jù)、建筑物屬性以及開展雷擊風(fēng)險評估方法需要的有關(guān)參數(shù)，同時也要考慮現(xiàn)場情況傳遞的信息和實(shí)際時局。本文通過對加油站項目雷擊線路導(dǎo)致的對活體傷害的概率、雷擊線路導(dǎo)致實(shí)體損害的概率、雷擊線路導(dǎo)致內(nèi)部系統(tǒng)失效的概率、雷擊線路鄰近區(qū)域?qū)е聝?nèi)部系統(tǒng)失效的概率等進(jìn)行評估分析。以此為基礎(chǔ)，對風(fēng)險評估結(jié)論進(jìn)行比較和分析，得出相關(guān)的結(jié)論，從而確定SPD的選型參數(shù)，電涌保護(hù)器試驗(yàn)類別的選擇、電涌保護(hù)器前后級間的能量配合、安裝級數(shù)等，并提出了氣象災(zāi)害防范措施。在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)每個加油站的實(shí)際情況，分析項目所在地環(huán)境，以及被保護(hù)設(shè)備承受過電壓的能力，確定合理的能量配合，科學(xué)選擇合適的SPD防護(hù)。為加油站科學(xué)防雷提供了參考依據(jù)，同時節(jié)省了經(jīng)濟(jì)投入，并有針對性地提出設(shè)計指導(dǎo)意見，用于降低雷擊損壞風(fēng)險。