周正波：高海拔宇宙线观测站（LHAASO）电涌保护器选型简析

要正确在配电系统中设计配置电涌保护器，应首先清楚配电系统形式。当地政府在LHAASO园区外200 m处配套建设了一座专用35 / 10 kV变电站，为园区提供电源。LHAASO园区内部，在用电负荷中心位置共设置了两座10 / 0.4 kV变电站；整个供电系统采用市电 + 自备柴油发电机组的模式供电，为保障一级负荷的供电连续性，还设有UPS电源；低压配电标称电压为AC 220 / 380 V,频率50 Hz。与变配电房设于同一栋楼内的用电负荷，配电为TN - S系统，采用放射式与树干式相结合的方式配电。与变配电房不在同一栋楼内的用电负荷及广泛分布于室外的KM2A设备，配电为TN - C - S系统，采用电缆放射式与树干式相结合的方式配电。室外的KM2A设备采用树干式三级配电（如图1所示），所有电力电缆（铠装）沿电缆沟或穿管埋地敷设。

LHAASO项目为国家重大科技基础设施工程，地处高海拔、多雷暴日、落雷密度大地区，选择的SPD需考虑产品残压对设备的影响，应优先选择放电非线性元件为金属氧化物压敏电阻或抑制二极管的电压限制型SPD产品，选择有放电间隙的电压开关型SPD产品时应考虑高原空气密度对放电的影响。

对于建筑物室内的低压配电设备的SPD设置，GB 50057 - 2010《建筑物防雷设计规范》第4.3.8条第4款规定：“在电气接地装置与防雷接地装置共用或相连的情况下，应在低压电源线路引入的总配电箱、配电柜处装设Ⅰ级试验的电涌保护器。电涌保护器的电压保护水平值应小于或等于2.5 kV。每一保护模式的冲击电流值，当无法确定时应取等于或大于12.5 kA”;第5款规定：“…… 在低压侧的配电屏上，当有线路引出本建筑物至其他有独自敷设接地装置的配电装置时，应在母线上装设Ⅰ级试验的电涌保护器，电涌保护器每一保护模式的冲击电流值，当无法确定时冲击电流应取等于或大于12.5 kA；当无线路引出本建筑物时，应在母线上装设Ⅱ级试验的电涌保护器，电涌保护器每一保护模式的标称放电电流值应等于或大于5 kA。电涌保护器的电压保护水平值应小于或等于2.5 kV”。GB 50343 - 2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》第5.4.3条第3款规定:“进入建筑物的交流供电线路，在线路的总配电箱等LPZ0 _A 或LPZ0 _B 与LPZ1区交界处，应设置Ⅰ类试验的浪涌保护器或Ⅱ类试验的浪涌保护器作为第一级保护；在配电线路分配电箱、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”。依据以上规定，设计在变电站内低压母线侧按I级试验SPD（T1级）选择，二级配电箱按Ⅱ级试验SPD（T2级）选择，末端三级配电箱及弱电机房配电箱按III级试验SPD（T3级）选择产品。

KM2A系统的配电采用树干式三级配电，各配电柜（箱）安装位置分散，电源线路长，且全部处于高地闪密度区域，这些配电设备内的SPD该如何选择呢？结合GB 50057 - 2010第4.3.8条第4款与第4.5.4条：“…… 采取相应的防止闪电电涌侵入的措施 …… 在配电箱内应在开关的电源侧装设Ⅱ级试验的电涌保护器，其电压保护水平不应大于2.5 kV，标称放电电流值应根据具体情况确定”的规定，这些室外配电箱内的SPD以及安装在ED / MD电子探测器设备处的SPD统一按Ⅰ级试验（T1级）选择。同时由于ED / MD为电子设备，其绝缘耐冲击电压为1.5 kV，故要求第三级配电箱与设置在ED / MD探测器设备处的SPD电压保护水平U _p 值应限制在1.5 kV内。

结合上述分析,设计在LHAASO项目中的Ⅰ级试验SPD选择了具有T1 + T2 + T3级的组合型电涌保护器，Ⅱ、Ⅲ级试验SPD选择了具有T2 + T3级的组合型电涌保护器。表1为项目所选Ⅰ级试验具有T1 + T2 + T3级SPD产品S254VG - 400 / G的技术参数。

SPD产品在高原环境中使用受到的影响主要表现在以下方面：最大持续工作电压Uc、放电电流I _n 、电气间隙、工频耐受电压、冲击耐受电压、温升及保护开关等。市面上销售的SPD为常规型号产品标准规格，其适用于海拔2 000 m以下地区；LHAASO项目位于海拔4 410 m,按常规型号产品标准规格选择的SPD应对其参数进行校验，通过校验后方可在该项目中使用。下面以所选的Ⅰ级试验常规型号标准规格SPD产品为例，详细介绍如何进行高原环境下常规型号产品标准规格的参数校验。

> > > >   最大持续工作电压U _c 的校验

SPD的绝缘配合是将瞬态过电压限制在SPD电压保护水平U _p 之下，并以最大持续工作电压U _c 为基础规定的，故Uc应该比系统中可能产生的最大持续工作电压U _cs (= kU ₀ ，其中k为系数，U ₀ 为低压系统的相电压)要高，即U _c > U _cs ;各种电力系统推荐的U _c 最小值见表2；由表2可知，在TN系统中，U _c 最小值为1.15 × 220 = 253 V。通常在2 000 m以下海拔高度的常规型号产品标准规格中，TN系统中Ⅰ级试验的SPD单相U _c 取值为不小于320 V。

在高原地区，其最大持续运行电压值等于2 000 m以下海拔高度常规型号产品标准规格的最大持续运行电压值Uc与海拔修正系数K ₁ 的乘积。K ₁ 取值见表3，采用插入法，在海拔4 500 m时，其修正系数K ₁ = 1.26，修正后的U _c = 1.26 × 320 = 403.2 V,现设计所选产品U _c 为440 V，满足海拔4 500 m处的使用要求。

> > > >   工频耐受电压TOV和冲击耐受电压U _choc 校验

根据GB / T 20626.1 - 2017《特殊环境条件 高原电工电子产品 第1部分：通用技术要求》第5.5.1条：当使用地点与试验地点海拔相同时，工频耐受电压和冲击耐受电压值应符合常规型相应产品标准规定。当使用地点与试验地点海拔不同时，工频耐受电压和冲击耐受电压值应乘以相应海拔修正系数。

海拔修正系数K ₂ 取值见表4，在4 500 m海拔高度时，K ₂ = 1.36。

工频耐受电压校验：常规型号产品标准规格的工频耐受电压不小于380 V,修正后的工频电压TOV = 1.36 × 380 = 516.8 V,所选SPD的额定工频耐受电压TOV为550 V，满足海拔高度4 500 m的使用要求。

冲击耐受电压校验：常规型号产品标准规格的冲击耐受电压为6 kV,修正后的冲击耐受电压U _choc = 1.36 × 6 = 8.16 kV，所选SPD的额定电压耐受值U _choc 为20 kV，大于修正后8.16 kV，满足海拔高度4 500 m的使用要求。

> > > >   高海拔对标称放电电流In降容的影响

在高原地区，SPD产品标称放电电流等于2 000 m以下海拔高度常规型号产品标准规格的标称放电电流与海拔修正系数（SPD放电电流降容系数）K ₃ 的乘积，不同海拔高度SPD放电电流降容系数见表5。

根据GB / T 18802.12 - 2014《低压电涌保护器（SPD） 第12部分：低压配电系统的电涌保护器选择和使用原则》第6.2.1.3条：如果需要SPD来保护雷电电涌，在被保护设施起始点处每种所需保护模式的额定放电电流I _n 应不小于5 kA（8 / 20 μs）；依据连接类型2的安装，在被保护设施起始点处连接在中性线和PE线之间的电涌保护器的额定放电电流I _n ，在三相系统中应不小于20 kA（8 / 20 μs），在单相系统中应不小于10 kA（8 / 20 μs）。查表5的数据，海拔高度4 500 m的降容系数K ₃ = 0.91，修正后所选产品额定放电电流I _n = 0.91 × 30 = 27.9 kA。大于标准要求的最小20 kA，满足海拔高度4 500 m的使用要求。

> > > >   冲击电流I _imp 、电压保护水平U _p

根据GB 50057 - 2010第4.3.8条第4款及第5款规定，所选Ⅰ级试验的SPD产品的冲击电流值I _imp ：25 kA；电压保护水平U _p （L - PE）：1.5 kV;U _p （N - PE）：1.5 kV,均满足标准要求。

> > > >   高海拔对绝缘强度的影响

随着海拔高度的升高，空气密度及气压随之降低，SPD冲击击穿电压也会随着空气密度及气压的减少而降低，电晕闪络在SPD表面的发生率也会随之升高，为保证产品在高原环境使用时有足够的耐冲击击穿能力，应增大电气间隙（带电部件与接地极之间的间隙）。

根据GB / T 20626.1 - 2017《特殊环境条件 高原电工电子产品 第1部分 通用技术要求》的要求，在不同海拔高度、不同最大持续运行电压U _c 下的电气间隙修正系数K ₄ 见表6，不同海拔高度及不同最大持续运行电压Uc下，常规开关型户内外SPD的最小电气间隙见表7。

SPD最大持续运行电压Uc为200 ~ 450 V，海拔2 000 m及以下应用时的电气间隙和爬电距离均为3 mm；当用于更高海拔时，电气间隙需要乘以海拔修正系数；在地海拔4 500 m时，其修正系数为1.38,即在最大持续运行电压U _c 为200 ~ 450 V时，电气间隙和爬电距离最少需要达到1.38 × 3 = 4.14 mm。该项目实际所选SPD产品的电气间隙和爬电距离均大于9 mm,满足该海拔高度的校验要求。

> > > >   高海拔环境对SPD的温升影响

通常情况下，高海拔环境对SPD温升影响可以不计，但应校验产品耐受低温的能力，特别应考察设置在室外的SPD耐受低温能力，以满足使用环境的最低温度要求。LHAASO项目所在地的年气温为 - 22.9 ~ + 20.9 ℃，所选SPD产品的工作温度范围为 - 40 ~ + 85 ℃，满足使用环境温度要求。

综合上述分析，所选Ⅰ级试验SPD产品均通过了海拔4 500 m处的参数校验，能在LHAASO项目低压配电系统中使用。