李芳+付亚平+姚宏红

摘 要：电源电涌保护器（SPD）的作用是限制过电压和泄放电涌电流。在实际操作中电源电涌保护器的安装方式主要有“4+0”和“3+1”两种。本文主要针对供配电系统的特性和SPD的安装方式对SPD的防护性能进行比较和分析。

关键词：电源电涌保护器；防护性能；漏电流；分析

【分类号】：TU8；TU758.7

1 概述

电源电涌保护器（SPD）是安装在电源系统中用于限制过电压和泄放电涌电流的设备，其核心部件由非线性元件组成[1]。当被保护系统出现过电压和电涌电流时，SPD在极短的时间内启动突变为低阻状态，响应时间通常为ns级，将过电压箝制在预定水平并通过地线泄放电涌电流，随后恢复正常的高阻抗状态并将工频续流熄灭。SPD一般情况下与被保护系统为并联式安装，正常情况下与地呈高阻抗状态，不影响系统的运行。过电压的来源主要有闪电（也称大气过电压）和操作过电压两种。针对闪电，SPD主要是防护闪电感应和闪电电涌侵入产生的瞬态过电压和电涌电流。针对操作过电压，SPD主要是防护由于大型开关电路、整流电路造成的大幅度电压波动和引起的过电流。

2 SPD的安装方式分类

针对实际情况，SPD的安装方式主要有“4+0”和“3+1”两种。如图1，“4+0”安装方式指的是为三根相线（L）和中心线（N）分别对地安装SPD模块，当L线和N线上产生过电压时，SPD各自启动，对地泄放电涌电流。如图2，“3+1”安装方式指的是三根L线对N线分别安装三只模块，N线对地线（PE）安装一只模块，N线模块一般为气体放电管，每根L线的电涌电流要通过L线和N线两只模块泄放入地，这种情况下要求N线模块的通流量要远大于L线模块。

3 操作过电压对SPD的影响和性能分析

3.1 操作过电压对SPD的影响

在实际运行中，电源系统的操作过电压对SPD的影响也是非常大的，而且系统操作过电压产生的次数要远大于闪电。操作过电压具有波形陡度小，持续时间较长的特点，一般介于0.1s和1s之间；而闪电是典型的瞬态脉冲过电压，具有陡度大，持续时间短的特点，为ns至ms之间。

根据供电要求，一般要求标准工作电压为UN的+7%至-10%，但在供电质量很差时，电压会出现大幅度的波动，甚至超过±10%，加上供电频率的波动，SPD的工作环境会十分不利。另外，SPD如果安装在有大功率整流装置或电梯等频繁启动设备的供电系统中，由于这些设备的工作会给系统带来电压波动，产生过电压和过电流，虽然未遭受雷击，但仍会造成SPD动作。而频繁的动作会导致SPD加速劣化，产生漏电流，长期通过的漏电流会使得SPD元器件发热，甚至会燃烧爆炸。

3.2 不同安装方式SPD的性能分析

3.2.1泄漏电流Iie对SPD的影响

（1）在图1的“4+0”方式安装时，L线和N线SPD劣化后产生的泄漏电流Iie经PE线流入大地，过电流保护器F会动作，切断SPD的电路。如果没有过电流保护器F，SPD会持续产生Iie并发热，甚至燃烧爆炸，给系统造成故障和损失。

“4+0”安装方式的优点是SPD的残压为本身的值，相对较低，但是必须装设过电流保护器，SPD劣化后通过过电流保护器将其从系统中切除。

（2）在图2的“3+1”方式安装时，L线SPD劣化后如果没有过电流保护器进行切断，Iie将流向N线，而电压达不到N线SPD气体放电管的点火电压（500V）时[2]，Iie不能通过N线泄放入地，Iie会经N线流回变压器，Iie达到额定值时配电室的中性线继电热保护系统动作，切断装有故障SPD的电路，防止事故的发生。在正常情况下，除放电间隙外SPD都会泄放Iie，通过的电流为微安级。

“3+1”安装方式的优点是在没有过电流保护器的前提下，较“4+0”安装方式安全。缺点是残压较大，其残压值为L与N的残压加上N与PE的残压，以及N线SPD的通流量不小于L线的3倍。

（3）在供配电系统正常的情况下，在TT系统和TN系统中安装的SPD劣化后，此时仅L线上安装的SPD有Iie流过，而两种安装方式的N线SPD则不会。由于IT系统采用中性点不接地方式，在设备端仅安装L线的SPD，不安装N对PE的SPD，仅考虑L线SPD即可。

3.2.2三相不平衡对SPD的影响

由于三相不平衡会引起中性点漂移，使得中性线产生电流，如图3。在380/220供电系统中，正常情况下相电压UA=UB=UC=220V，UN为0；线电压UAB=UBB=UCA=380V，三相电流矢量和为零，IA+IB+IC=0。但是当三相严重不平衡时，中性点也发生漂移，N线对PE线的电压接近相电压220V，而UC则非常小，并在N线上会产生零序电流，UA和UB接近线电压380V。此时，“4+0”和“3+1”方式安装在LA、LB、N线上的SPD有可能会动作，或产生漏电流。

安装SPD前应充分考量供配电环境，避免因三相不平衡导致的SPD劣化失效，如果确实无法避免时，应增大SPD的持续工作电压Uc值，使其接近于线电压。

4 结论

（1）如果SPD安装在有大功率整流装置或电梯等频繁启动设备的供电系统中，由于这些设备的工作会给系统带来电压波动，产生过电压和过电流，造成SPD频繁动作，加快其劣化速度。SPD的持续工作电压Uc不能根据设备的工作电压选择，要根据设备操作产生的过电压的幅度选择。

（2）SPD“3+1”方式安装的优点是在无过电流保护器的情况下，L线SPD劣化后避免长时间通过泄漏电流，导致发热燃烧的事故发生。不会向PE线产生漏电流。但SPD总体的残压较高，比较难达到设备要求的保护水平，以及N线SPD的通流量不能小于单只L线SPD的3倍。“4+0”安装方式的SPD必须加装过电流保护器，残压相对较低。

（3）两种方式均建议在SPD前端安装过电流保护器，过电流保护器包括断路器和熔断器，在备件及电工条件具备时可选择熔断器，无备件或电工操作条件不具备时选择断路器，一般应选择动力型断路器。有剩余电流保护器（RCD）的系统中，SPD的泄漏电流应和RCD的额定动作电流匹配。

参考文献

[1]GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》[S].中国计划出版社

[2]叶小燕，杨西侠.电源防雷器四模块与3+1模块性能探析[J].电信工程技术与标准化

[3]GB/T21431-2008《建筑物防雷装置检测技术规范》[S].中国标准出版社

[4]付亚平 张治海等. 从雷击原理分析接闪器的保护范围[J].山西气象2008第4期