2.中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉市 430063
摘要：地铁项目配电系统易受过电压侵害和干扰，由于SPD选型不当、自身劣化及后备保护失效等原因造成的火灾事故时有发生。文章分析了部分地铁项目SPD及其过流保护器设计选型的缺陷并提出了建议选型值，最后介绍了SPD专用后备器（SCB）的动作特点和在地铁项目的应用情况。
关键词：地铁；SPD；过流保护器；后备保护器（SCB）
1、地铁项目配电系统SPD设计选型现状
国内地铁项目配电系统过电压保护设计主要侧重于雷电过电压、特别是直接雷的防护，对于防雷击电磁脉冲的设计则侧重于对接地和等电位连接的要求上，而针对配电系统SPD及前端过流保护器的设计选型则有凭经验设计的情况，更有甚者认为地铁地下车站可以不用设计安装SPD。总结起来存在以下几点问题：
1）SPD参数选型存在问题。未充分考虑设备耐冲击电压额定值Uw、过于要求较低Up值，致使SPD采用较低Uc值；未依据雷电防护等级和安装区域边界设计原则，产品泄流参数选型偏大。
2）SPD未依据分区逐级泄放原则设计，各级配电箱、控制箱、应急电源处SPD参数均相同；
3）SPD过流保护器选型存在保护盲区。目前业内多采用熔断器FUSE或微型断路器MCB在与SPD配合，在冲击电流、速断电流、运行短路能力Ics和有效保护水平Up/f方面均存在保护盲区。
2、SPD及其过流保护器的选型分析
2.1 SPD的选型分析
1）接合现场确认雷电防护等级和区域边界，依据GB50343-2012 表5.4.3-3电源线路浪涌保护器冲击电流和标称放电电流参数推荐值，确认各类配电柜、配电箱、控制箱等额定标称放电电流值（In）和产品试验类别；
2）依据GB50057-2010 表6.4.4 建筑物内220/380V配电系统中设备绝缘耐冲击电压额定值UW，确认各类配电柜、配电箱、控制箱等耐冲击电压额定值UW。
3）依据GB50057-2010 6.4.6 电涌保护器的有效电压保护水平规定，限压型电涌保护器Up/f=Up+△U，考虑到地铁项目电缆进线均采用穿管引入，△U可按0.2 Up来计算；部分场合是由户外线路进入建筑物的，应按△U=L*（di/dt）也可采用1kV/m来速算；电压开关型电涌保护器Up/f=Up或Up/f=△U，接合GB50057-2010 附录J 电涌保护器，可以直接按要求确认Up应小于或等于2.5kV；
4）依据GB50057-2010 表J.J.1，电涌保护器取决于系统特征要求的最大持续运行电压最小值。地铁项目低压配电系统多采用TN-S接地保护系统，相线与PE线间UC值应不小于1.15*220=253V，中性线与PE线间UC值应不小于220V，相线与PE线间UC值建议大于等于320V，确保产品安全、可靠运行；
5）依据GB50343-2012 图5.4.3-1，接合地铁项目低压配电系统接地保护类型，浪涌保护器应采用共模保护模式。
2.2 SPD过流保护器选型
依据GB50057-2010附录J 图J.1.2-5 电涌保护器前端需装设F2过电流保护电器，预防电涌保护器非预期失效引起的供电安全事故，过流保护器的选型必须满足以下要求：
1）过流保护器不脱扣或熔断电流应大于等于电涌保护器的最大放电电流Imax值；
2）过流保护器速断电流应小于等于5A，确保SPD失效熔穿前分断；
3）过流保护器运行短路能力Ics应不小于配电柜、箱总开额定极限短路分断能力（Icu），确保过流保护器脱扣或熔断时，不拉弧、不熔接分断安全可靠；
4）过流保护器感应电压降应尽可以低，最大限度确保△U为最低值。
3、SPD专用后备保护器（SCB）的特性分析
3.1熔断器FUSE或微型断路器MCB与SPD配合的保护盲区
3.1.1熔断器FUSE与SPD配合的保护盲区分析
要保证熔断器在雷电流冲击下（Imax或Iimp）不熔断，Ir2t（实际熔化热能值）必须小于If2t（公称熔化热能值）。熔断器的熔断温度、熔断速度取决于其材质，因此其不具备对工频电流和雷电冲击电流的选择性熔断的能力，只要达到相等的Ir2t均会熔断。以gG32熔断器的熔断曲线为例，在工频电流5A到熔断曲线左下方范围即会出现保护盲区。
3.1.2 微型断路器MCB与SPD配合的保护盲区分析
微型断路器是内置热脱扣和电磁脱扣的配电保护开关。MCB承受冲击电流试验证明，作用于电磁铁的电磁能量和电动力容易造成误脱扣而使线路失去防雷保护。由于此时是MCB内部软铜线受电动力的作用损坏开断造成隐性故障而MCB外部的操作机构完好，造成设备脱离了雷电保护而管理者却无法发现，直到被保护的设备遭雷击损坏。以某款C32规格MCB的典型脱扣曲线为例，在工频电流5A到MCB脱扣曲线左下方范围即出现保护盲区。
3.2 SPD专用后备保护器（SCB）的结构及瞬动特性分析
3.2.1 SCB的结构分析
SPD专用后备保护器SCB具备双参量选通通道，可根据雷电浪涌电流与工频电流的频率特性和幅值特性差异进行参量选通通流。
当雷电浪涌电流到达SCB输入端时，雷电流将由SCB内的瞬态大电流通道导通至输出端；而当异常的工频电流到达SCB输入端时，工频电流将由SCB内的暂态电流通道导通至输出端。由于采用暂态工频电流及瞬态雷电流双通道设计，可保证两个通道的参数独立设计，可有效解决MCB和FUSE单通道无法同时解决雷电浪涌电流和工频故障电流的技术矛盾。
3.2.1 SCB的瞬动特性分析
SCB采用步进式电磁脱扣机构、无内置热脱扣保护开关，其脱扣曲线如下图蓝色曲线所示。雷电流通过瞬态参量通道通流，而作用于步进电磁脱扣机构的电磁能量和电动力不会造成开关机构误脱扣使线路失去防雷保护。
3.2.3 SCB与SPD配套优势
SPD配备专用后备保护器SCB可解决MCB、FUSE与SPD配套时产生的两大难题：
1）雷电浪涌电流耐受冲击能力不足，MCB、FUSE容易误动作或熔断，无法进行持续雷电防护；
2）当SPD回路通过异常工频电流后出现熔穿甚至着火时，MCB、FUSE无法及时响应断开，起不到SPD工频过流有效防护作用；
SPD专用后备保护器SCB与SPD配套具有以下明显优势：
1）超高的雷电浪涌耐受能力，可达100kA（8/20）或25kA（10/350）的优异通流能力，避免遭受雷电浪涌冲击时误动，能对电气设备进行持续有效雷电防护；
2）当SPD回路通过异常工频电流不超过5A时，SCB能迅速脱扣，将SPD从配电线路中及时断开，避免SPD发热熔穿或起火；
3）采用的瞬态参量通道设计，雷电浪涌电流通过短、直、粗的专用通道时，其残压值非常低，可有效配合SPD更好地防护后端将被保护电气设备；
4）采用步进电磁激励脱扣机构，部分SCB产品还具备超强的高达100kA的工频短路运行分断能力Ics。
4、结束语
随着熔断器和微断作为SPD过电流保护器的保护盲区逐步被的工程建设者所认知，SCB在地铁项目中的应用也越来越多。目前已有合肥、厦门、宁波、常州、上海、青岛等城市的新建地铁项目确定采用SCB后备保护方案，其中合肥地铁2号线、厦门地铁1号线、南京宁高城际轨道交通禄高段工程预计在年底前试运营，上海地铁8号线、5号线改造项目已投入使用。但SCB作为新型电涌后备保护产品也存在产品标准尚不统一、规范要求缺失、产品价格过高等问题需要全行业共同努力进一步解决。
参考文献：
1]厦门合立道工程设计集团电气总工：洪友白 《大底盘建筑群电源SPD配置研究》和《SPD过电流保护对断路器说“不”》；
[2]厦门大恒科技有限公司 李欣《SPD外置过流保护器失效模式分析》；
[3]《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2012；
[4]《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010。
论文作者:曹亚林1,刘,毅2
论文发表刊物:《基层建设》2017年第34期
论文发表时间:2018/3/22
标签：电流论文; 保护器论文; 雷电论文; 浪涌论文; 地铁论文; 过流论文; 盲区论文; 《基层建设》2017年第34期论文;