（四川省水利水电勘测设计研究院 成都 610072）
摘要：浪涌保护器是水电站电气设备防雷的重要部分，合理选择和配置浪涌保护器是电站可靠运行的重要保障之一。本文根据浪涌保护器原理和基本参数，提出了浪涌保护器的选择方法，介绍了卡其电站低压配电系统浪涌保护器的配置，目前电站低压系统运行良好。
关键词：浪涌保护器；防雷；水电站；选型；配置
0 引言
雷电灾害是一种人类目前无法避免的自然灾害之一，闪电电流及闪电高频电磁场所形成的闪电电磁脉冲通过接地装置或电气线路导体的传导耦合和空间交变磁场的感应耦合，在电气及电子设备中产生危险的过电压和过电流，即“浪涌”，这种雷电浪涌释放出数十至数百兆焦耳的能量及数十至数百千伏的高压，对低压电气设备产生致命的伤害。此外，由于低压系统内部开关操作以及高压系统故障亦会在低压配电系统中产生电涌，从而对电气及信息系统设备造成伤害。浪涌保护器（Surge Protective Device,SPD）是一种用于带电系统中限制瞬态过电压和导引泄放电涌电流的非线性防护器件[4]。采用一种非线性特性极好的压敏电阻，在正常情况下，浪涌保护器处于极高的电阻状态，漏流几乎为零，保证电源系统正常供电。当电源系统出现瞬时过电压时，浪涌保护器在极短时间内迅速导通，将过电压的幅值限制在设备的安全工作范围内，同时把过电压的能量释放掉。随后，保护器又迅速变为高阻状态，不影响电源系统的正常供电。以此保护电气或电子系统免遭雷电或操作过电压及涌流的损害。
1 电站概况
卡其电站为引水式电站，原电站装设3台机组，电站于2001年~2003年对3台机组进行了改造。2012年电站进行扩容增效，新增1台40MW立式混流式水轮发电机组。四台机组均为发-变组单元接线，发电机出口电压13.8kV，发电机出口不设断路器。厂房为地面一层，为发电机层，地下三层，从地面负一层至负三层分别为电气设备夹层、水轮机层和蜗壳层，厂用供电设备主要布置在电气设备夹层，水轮机层和蜗壳层布置有配电箱。
卡其电站厂用电系统有480V和208V两级电压，主母线（一级母线）电压480V，分为两段，中间设置母联断路器。分屏母线（二级母线）电压480V，提供各电机用电源。辅助配电屏由分屏引接，母线（三级母线）电压208V，提供各屏柜辅助电源以及照明电源。厂用变压器至主母线即电源进线为三相四线制，为TN-C-S模式，所有馈线均为三相五线制，为TN-S模式。
2 浪涌保护器选择方法
浪涌保护器的主要参数有最大持续工作电压Uc、标称放电电流In、冲击电流Iimp、最大放电电流Imax、额定负载电流IL和电压保护水平UP等，标准设计的SPD很多参数与基本参数相关，选择SPD时只需约束基本特性参数即可。
卡其电站低压系统选择浪涌保护器采用的步骤为：
1）根据被保护线路的制式，选择合适保护模式的浪涌保护器；
2）根据防雷区的划分，选择分类试验级别；
3）根据系统标称电压，选择浪涌保护器的最大持续工作电压Uc；
4）选择合适的标称放电电流，确定浪涌保护器的最大放电电流Imax ;
5）浪涌保护器后备保护的选择。
2.1 保护模式的选择
根据工业与民用配电设计手册，配电系统的接地形式不同，浪涌保护器的安装位置及个数也不同，及所谓“保护模式”不同，应符合表一的装设位置。
注：表中符号O为强制规定装设SPD，NA为不适用装设SPD，+为需要时可增加装设SPD。
根据卡其厂用电接线模式，电源进线为三相四线形式，参考TN-C系统，一级母线上装设的浪涌保护器应接于每一相线和PEN线之间，二级母线和三级母线为TN-S系统，中性线与PE线不直接相连，则采用“3+1”接法。
2.2 防雷区的划分
将被保护的空间划分为不同的防雷区是为了限定各部分空间不同的雷击电磁脉冲强度，以界定各不同空间内被保护设备相应的防雷击电磁干扰水平，并确定浪涌保护器的安装位置。
根据GB50343建筑物电子信息系统防雷技术规范要求：进入建筑物的交流供电线路，在线路的配电箱属于LPZ0A或LPZ0B与LPZ1区交界处，应设置Ⅰ级分类试验的浪涌保护器或Ⅱ级分类试验的浪涌保护器作为第一级保护；在配电线路配电箱、电子设备机房配电箱等后续防护区交界处，可设置Ⅱ类或Ⅲ类试验的浪涌保护器作为后级保护；特殊重要的电子信息设备电源端口可安装Ⅱ类或Ⅲ类试验的浪涌保护器作为精细保护。根据卡其电站布置特点，配电屏布置于地面以下区域，属于LPZ0与LPZ1交界或LPZ1区或LPZ1与LPZ2交界处。因此，卡其电站选择设置Ⅱ类试验的浪涌保护器。
2.3最大持续工作电压Uc的选择
根据IEC规范要求，卡其厂用电系统为480V和208V两级，标称相电压U0对应为277V和120V两级，根据要求，最大持续工作电压Uc≥1.1U0 。则卡其电站选用的浪涌保护器最大持续工作电压不能小于305V和132V。
2.4 最大放电电流Imax的选择
最大放电电流为通过SPD的8/20us电流波的峰值电流，用于SPD的Ⅱ级分类试验，其值按Ⅱ级动作负载的试验程序确定，选择时保证Imax>In。根据规范中电源线路电涌保护器标称放电电流参考值，卡其电站按照C级雷电防护等级考虑，装设于主屏的SPD最大放电电流应大于50kA，分屏的SPD最大放电电流应大于20kA。
2.5 浪涌保护器的后备保护
浪涌保护器正常的工作情况是没有电涌时处于高阻抗，有电涌时转化为低阻抗，将雷电流泄入大地。但如果设备长时间使用后出现老化或环境条件等原因，SPD保护器件在暂态抑制过程结束后，并不能有效的切断泄放电流，在被保护线路的工频电压的作用下原先处于导通状态的保护器件有可能不会灭弧，出现续流。此时相当于SPD和系统电源出现短路，SPD中将流过数千安培的短路电流，将使SPD的保护器件发生爆裂或爆炸，影响其他设备的安全、正常运行。所以浪涌保护器一般需要设置备用保护，有加装熔断器和断路器的方法，但因为熔断器电感量小的特点，熔断器的限制电压比用断路器的限制电压低，一般使用熔断器作为后备保护更好。根据建筑物防雷设计规范要求[1]及熔断器特性，作为后备保护的熔断器的额定电流应与SPD标称放电电流相对应。
另外，当系统中安装多级SPD时，各级SPD之间应进行能量和动作性能的配合，有基于稳态伏安特性的配合和采用去耦元件的配合。
卡其电站选用限压型SPD，此时要考虑通过两级SPD各自的电涌电流的能量，电流波的持续时间与冲击电流相比不能过短。
根据以上选择方法及结果，卡其电站选用菲尼克斯浪涌保护器，一级母线SPD型号为VAL-MS 385/65/3+0（Ⅱ类，Uc=385V，Imax=65kA，3+0接线形式），配额定电流为80A的熔断器做后备保护；二级母线SPD型号为VAL-MS320/3+1（Ⅱ类，Uc=335V，Imax=40kA，3+1接线形式），配额定电流为63A的熔断器做后备保护。SPD的详细参数见厂家样本。卡其电站浪涌保护器配置图如下图所示。
3. 结论
卡其电站已于2015年3月进入有水调试并于2015年6月投入商业运行，经过常规发电、调相运行和黑启动等全部运行方式，并经历雨季多雷暴日，已正常无故障运行5100多个小时，证明卡其电站配电系统配置合理。
浪涌保护器是电站电气设备防雷的重要部分，合理选择和配置浪涌保护器并与其它防雷措施相配合，是电站可靠运行的重要保障之一。然后现在很多项目中浪涌保护器直接由屏柜厂家配置，而厂家并不了解系统具体情况，只能根据常规方式配置，可能会出现配置不合理的情况，为项目的可靠运行留下隐患。本文以卡其电站为例，介绍了浪涌保护器的选型步骤及方法，为其他项目浪涌保护器的选型提供参考。
参考文献：
[1] GB50057-2010 建筑物防雷设计规范
[2] GB50343-2012 建筑物电子信息系统防雷设计规范
[3] IEC61643-12:2002 电涌保护器
[4] 工业与民用配电设计手册（第二版）
作者简介：
黄咏容（1979-），女，湖北大冶人，硕士研究生，电力系统及其自动化专业，目前从事水电站及水利项目电气设计工作。
论文作者:黄咏容
论文发表刊物:《电力设备》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/4
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