智能型低压 SPD 专用保护器设计

      SPD 的伏安特性在正常电网电压下呈高阻抗，泄漏电流( 阻性) 1 mA 以下［1］; 当电网遭雷击发生瞬态过电压时呈低阻抗，泄放雷电流，以限制过电压。SPD 的“脱离器”用于防止电网发生暂态过电压故障或 MOV 老化( 劣化) 时，泄放电流异常增加，导致 SPD 发热起火事故发生。断路器( 或熔断器) 作后备保护，防止线路或设备发生短路故障。

      但是 SPD 本身是一种保护电器，其运行特性不同于一般的电器负载，在常态运行时电流趋于零; 保护动作时，泄放数千安的脉冲电流; 其故障状态是如上所述的( 数毫安至安培) 异常泄漏电流导致发热起火。所以，其与常规的断路器或熔断器的保护特性不匹配，不能为其提供充分的保护。

SPD 后备保护装置现状

1．1 SPD 故障类型

      SPD 主要故障现象是异常发热，原因是电网故障，出现超过其最高持续运行电压 UC 的暂态工频过电压，泄漏电流产生的热效应; 而 SPD 老化( 劣化) ，非线性拐点( 导通电压) 降低，同样使泄漏电流增加，产生热效应。异常发热加速其老化( 劣化) ，二者互为因果。

      因雷电强度超预期，泄放电流大于其额定值( Iimp 、Iimx ) ，SPD被击穿或炸裂，导致电网短路。SPD 在老化( 劣化) 阶段运行，待机功耗增加，长期运行的能耗不容忽略，不符合节能减排的大趋势。

      由于上述原因，或 MOV 本身的工艺技术质量缺陷，导致 SPD 内部引线脱落、电阻体断裂等故障，造成保护失效的隐形虚假运行，也需引起关注。

1．2 SPD 后备保护装置现状

      NB /T 42150《低压电涌保护器专用保护装置》［2］规定专用保护装置性能。专用保护器示意如图 1 所示。专用保护器主要由一个具有非线性的放电间隙( T) 和一个脱扣线圈( L) 并联的断路器组成，其有如下二种运行状态。

       ( 1) 当低压配电系统遭雷击，发生脉冲过电压时，放电间隙击穿导通，经 SPD 释放雷电流，以限制过电压。而脱扣线圈对脉冲电流呈高阻抗，避免脱扣断路器分闸。但此状态下低压系统的过电压限制值是放电间隙的残压和 SPD 的残压叠加，降低钳制电压的性能，也增加被保护的电子设备击穿损害的风险。

      ( 2) 当低压配电系统电压正常，放电间隙截止呈高阻抗。SPD 劣化时，工频故障电流经脱扣线圈形成回路，达到设定动作值( 0．5 ～ 15 A) 时，驱动断路器分闸，切断故障电流。或当电网电压波动，出现工频暂态过电压，导致 SPD 产生故障电流时，也由脱扣线圈驱动断路器分闸。

      这类 SPD 后备保护装置，过电流保护的( 最小) 动作值为 0．5 A，SPD 的待机功耗达 110 W。同时也没有对 SPD 退出运行的故障( 开路状态)采取监控措施。

       智能型 SPD 专用保护器是一个特殊结构的单极断路器与控制器的组合。每个单极对应一个SPD，在三相电路中，3 个单极断路器与控制器组合，分别检测、控制、保护 3个 SPD。智能型SPD 专用保护器结构原理图如图 2 所示。

2．1 专用断路器的结构

      断路器的外壳及形式、操作机构、触头系统及灭弧系统与 100 A 的小型断路器( MCB) 基本相似。专用断路器结构如图 3 所示。断路器内部的主电路直通导体用于SPD与低压配电系统，是泄放雷电流的导电途径，没有线圈结构不会对雷击冲击电流产生高频阻抗，不会产生残压，也不会对 SPD 的运行性能产生不利影响。拍合式瞬动电磁脱  扣器在 SPD 发生电击穿短路时，驱动断路器脱扣机构动作，切断短路故障电流。

      电流检测线圈( 环型电流互感器) 与控制器连接，用于检测 SPD 运行中的泄漏电流。脱扣线圈是由控制器驱动。

 2．2 智能型控制器的结构

      控制器的核心部件是 N76E003AT20 型中央处理器( CPU) ，其由辅助电源模块供电，电流信号经放大器输入 CPU。当信号强度达到设定的阈值时，通过脱扣线圈，驱动断路器分闸，并驱动指示灯、蜂鸣器发出声光报警或预警。另有一个温度传感器( 热敏电阻) 接口，如果需要，可连接SPD 外壳上的温度传感器。

      控制器内置的通信模块经 ＲS-485 接口，可与低压配电系统的管理网络连接，将电流、温度信息及预警、报警信号传送至上位机，使运维人员、管理人员直观了解SPD运行的全周期，使SPD 运行的管理方式与低压配电自动化管理系统配套一致。控制器原理框图如图 4 所示。

      保护器以环型电流互感器与控制器组合，形成电流检测控制功能单元。检测 SPD 的泄漏电流变化特征，判别其运行状况。

      ( 1) SPD 投入运行初期，产生数毫安的容性( 工频) 电流，以此作为 SPD 在线运行的判别电流［1］，若电流趋于零，可判定 SPD 已退出运行，控制器报警，提示运维人员及时检修。

      ( 2) 在 SPD 投运中期，经自然热老化，或遭雷击产生泄放电流的热老化，泄漏电流增加到数十毫安至数百毫安。SPD 的待机功耗随老化程度而增加，但其温度( 温升) 仍正常，维持正常运行。

      ( 3) 在 SPD 投运后期，处于临界劣化状态，其泄漏电流在数百毫安至 1 A，但待机功耗明显增加。

      ( 4) 当检测到大于 1 A 的泄漏电流时，SPD已发生不可逆转的劣化，或电网出现暂态过电压。该故障电流会导致 SPD 严重发热，引发其塑料底座熔化或燃烧。控制器按反时限安秒特性( 如 10 A·s) 驱动断路器分闸，并报警。若在反时限动作的运行时间内，故障电流下降，则判定是电网暂态过电压消失，SPD 仍维持运行 。该反时限特性也避免了SPD再泄放雷电流时的误动作，提高运行可靠性。

      另外，当 SPD 发生击穿短路事故，或其他原因导致断路器以下电路发生短路事故，则由拍合式瞬动脱扣器直接驱动断路器分闸，切断电源并报警。

      热敏电阻直接检测 SPD 的运行温度，不但与泄漏电流相关，还受环境温度、电网电压波动、泄漏电流变化的热积累影响，所以更直观反映 SPD的发热状态。当检测到 105 ℃ 时，控制器驱动断路器分闸并发出报警。

      本文探讨环型电流互感器与电子式控制电路结合的方法，扩展 SPD 泄漏电流检测的范围，从正常泄漏电流、监界劣化泄漏电流至发热故障电流，以实现其使用寿命全周期的运行监控，特别是在 SPD 使用寿命后期，检测泄漏电流数据反映了待机功耗，可提前预警，避免劣化过程中的高能耗运行。

      SPD 专用保护装置实现保护特性与被保护对象的运行特性匹配; 具有通信功能，可与既有的低压配电管理网络连接，可使断路器、SPD 受监管平台监控，进一步提高运行可靠性，且能减轻运维人员现场巡视的工作量。