電涌保護器(SurgeProtectionDevice，SPD)的安裝可以限制電路上的瞬時過電壓，是石化企業(yè)雷電防護的常用措施之一。依據(jù)GB18802．1、GB50057和GB/T21431標準規(guī)定:安裝在電路上的電涌保護器，其前端宜有后備保護裝置，用以防止當(dāng)SPD不能阻斷工頻短路電流而引起發(fā)熱和損壞時的后備過電流保護。

目前使用的過電流保護器一般為斷路器和熔斷器，通常存在以下問題:在雷電流沖擊下，無法耐受大電流，易誤脫扣、易損壞，致使SPD防雷保護失效，損害后端設(shè)備;雷電流沖擊電流殘壓高，使設(shè)備防雷保護可靠性降低;SPD常年使用后漏電流增大劣化失效、配電線路發(fā)生異常過電壓時，斷路器不能快速分離，導(dǎo)致SPD起火。

一、SPD后備保護斷路器性能測試

1．1電涌耐受性能測試

在SPD的測試標準IEC61643-1:2011中，使用了兩種波形的沖擊電流，一種是10/350μs波形的沖擊電流，表征的是雷電直擊產(chǎn)生的電涌電流;另一種是8/20μs波形的沖擊電流，表征了雷電感應(yīng)在線路上產(chǎn)生的電涌電流。標準對SPD提出了相應(yīng)的耐受要求，由于后備保護斷路器和SPD串聯(lián)使用，因此也相應(yīng)地必須滿足這些耐受要求。以下通過大量的試驗，研究了不同系列的斷路器對沖擊電流的耐受性能。

對于8/20μs電涌，表1給出了實驗所得從10A到100A斷路器的最大耐受電流值IMW，斷路器對8/20μs電涌的耐受水平的大體變化趨勢為隨著額定電流的提高而提高，但是并不是每一級斷路器都嚴格滿足。

由表2可見，普通斷路器對10/350μs波形的沖擊電流的耐受能力是十分有限的。對于最大額定電流125A的斷路器，它能耐受的10/350μs波形沖擊電流的峰值僅為4.11kA，對于32A額定電流的斷路器，能耐受的僅僅只有1.32kA，這對I級SPD來說實在太小了，因此對于32A以下的就沒有必要去尋找其耐受沖擊電流。

1．2工頻過電流保護性能測試

進行斷路器5s工頻耐受試驗(圖1)，在施加負載電流下模擬雷電沖擊。觀察工頻電流下，斷路器能否實現(xiàn)快速分斷，防止SPD起火，起到保護電路的作用。

在施加5s工頻標稱電流下，樣品斷路器均不能實現(xiàn)分斷。沖擊SPD使之發(fā)生損壞條件下，交流負載下?lián)p壞的SPD出現(xiàn)脫扣、冒煙、甚至開始著火燃燒。實驗結(jié)果如表3所示。

目前選用的斷路器和熔斷器后備保護裝置的額定電流一般都比較高，所以當(dāng)SPD支路出現(xiàn)較低的短路電流時，將達不到斷路器或者熔斷器的瞬動值，短路電流將無法被及時切斷，這時SPD極易起火、爆炸。例如C曲線瞬動脫扣值為5～10倍的額定電流In，如選用C16做后備保護，當(dāng)SPD出現(xiàn)80A以下工頻續(xù)流不會瞬動脫扣，在這個電流下SPD已經(jīng)起火燃燒。

1．3普通斷路器失效原理分析

一方面，當(dāng)大的雷電流經(jīng)過時，由于斷路器無法承受而脫扣，SPD保護失效，雷電流不能徹底泄放，損害后端設(shè)備。這是由于普通斷路器從進線端到出線端線路過長，并且還有感性元器件(電感線圈)串聯(lián)在線路中，如圖2所示。用來感應(yīng)出磁場進行斷路器額定負荷動作時的動能，當(dāng)雷電流通過時會因為震蕩效應(yīng)和長線效應(yīng)造成感升電壓升高。雷電流作為高頻脈沖會產(chǎn)生很強的電動勢，造成斷路器無法順利通過雷電流，誤動作脫扣。

另一方面，斷路器要完成超過5A工頻電流保護動作，動作電流就必須小于5A，這與承受雷電沖擊電流不誤動作相矛盾。例如，要在雷電流I為15kA的作用下不動，需要選用額定電流為幾百安培的斷路器;要在工頻電流不大于5A時瞬時分斷，與“幾百安培”才不斷的需求相矛盾，無法匹配。SPD常年使用后漏電流增大劣化失效，但電流值未達到斷路器脫扣值，不能分離，導(dǎo)致SPD起火。電網(wǎng)暫態(tài)過電壓導(dǎo)致SPD瞬間擊穿短路失效，斷路器不能快速分離，導(dǎo)致SPD起火。

二、新型SPD專用斷路器設(shè)計原理及性能測試

對于用作SPD后備保護的過電流保護器的要求有兩點:當(dāng)雷電流通過斷路器和SPD串聯(lián)回路時，要求保護器不動作，使得電涌能夠被SPD進行泄放;當(dāng)工頻電流通過，SPD短路失效的時候，要求保護器能夠切斷短路過電流。

2．1設(shè)計原理

新型SPD專用斷路器利用雷電流持續(xù)時間短暫這一特性，對雷電流進行選擇性通過，對在斷路器電路中持續(xù)時間超過脫扣時間的工頻電流實現(xiàn)阻斷，工作原理如圖3所示。雷電流沖擊時，利用磁飽和原理，當(dāng)電流傳感器的一次側(cè)雷電流達到設(shè)定閾值后，二次側(cè)電流將不再增大。此時電磁鐵是否動作，其能量(I2t)只取決于通流的時間，由于雷電流的瞬態(tài)過渡時間為微秒級，時長非常短，電磁鐵能量太小，不足以動作分斷，實現(xiàn)“不該斷時不能斷”的功能。

發(fā)生工頻短路時，由于其短路電流的暫態(tài)過渡時間為毫秒級，裝置利用了短路電流與雷擊電流故障過渡時間的千倍數(shù)量級差異特性，經(jīng)過對電流傳感器和電磁鐵的特殊設(shè)計，使其可以識別不同故障狀態(tài)過渡時長的電流，并析出工頻不大于5A的小電流，瞬時分斷，實現(xiàn)“應(yīng)該斷時可靠斷”的功能。

2．2耐受沖擊電流的性能

對新型SPD專用斷路器進行8/20μs、10/350μs雷電流波形沖擊測試試驗，觀察沖擊后的現(xiàn)象，并測試了新型SPD專用斷路器的殘壓，結(jié)果如表4所示。試驗結(jié)論表明，當(dāng)有雷擊發(fā)生時，串聯(lián)在防雷器前端的專用外置脫離器能保證雷電流經(jīng)過時不脫扣、不損壞，保證防雷器件功能持續(xù)有效。

額定電流63A的斷路器耐電涌沖擊電流的水平對于8/20μs波形大約為32.7kA，對于10/350μs波形大約為2.06kA。而使用SPD通流容量越來越大，顯然用斷路器作為SPD的后備保護存在耐沖擊電流的配合問題。SPD專用外置脫離器不脫扣沖擊電流大于80kA(8/20μs)/25kA(10/350μs)，確保雷電流通過SPD快速泄放入地。且雷電沖擊殘壓低，在同等沖擊電流下，明顯低于普通斷路器。

2．3分斷工頻電流的性能

當(dāng)電源出現(xiàn)異常暫態(tài)過電壓使SPD導(dǎo)通發(fā)生短路時，斷路器應(yīng)具備分斷短路電流能力并能迅速斷開電路。當(dāng)SPD發(fā)生劣化，致使啟動電壓降到低于電源電壓時，其工頻漏電流會迅速增大，當(dāng)漏電流比較小時SPD熱脫扣機構(gòu)能夠斷開電路，當(dāng)工頻漏電流大于5A時，SPD易起火，斷路器必須在引起SPD起火前斷開電路，防止火災(zāi)的發(fā)生。新型SPD專用斷路器分斷工頻電流性能測試結(jié)果見表5。

從過電流分斷數(shù)據(jù)看，普通斷路器的脫扣電流值約為額定電流的5～7倍，符合斷路器的脫扣曲線。說明普通斷路器的確不能及時分斷小的工頻電流。而新型SPD專用斷路器在任何工頻電流值下分離時間比SPD起火時間小，能夠確保SPD不起火，工頻續(xù)流脫扣值小于5A。從TOV試驗數(shù)據(jù)看，普通斷路器在通過1200V暫態(tài)過電壓時，雖能實現(xiàn)分斷電路，但不夠及時，導(dǎo)致SPD損壞或起火。而新型SPD專用斷路器能快速分斷電路，解決了工頻續(xù)流不脫扣、電源異常SPD起火的問題。