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3+NPE模式电涌保护器在智能建筑电气设计中的应用

周慧生  平帅
 
[摘  要] 智能建筑(IB)是一种新型建筑,为今后建筑发展的方向。本文通过对GB 50057-94(2000版)《建筑物防雷设计规范》标准中电涌保护器设计图的分析,比较了RCD装在SPD的电源侧,和RCD则装在SPD的负载侧的不同,得出当采用“3+NPE”模式进行保护时,由于NPE模块是一种放电间隙型模块,不会在线路中导致接地故障,因此可解决电涌保护器(SPD)安装位置受限制及高接地电阻地区电涌保护器(SPD)因串联断路器无法脱扣导致的烧毁等设计问题。
 
[关键词]  3+NPE  电涌保护器(SPD)  智能建筑
 
1、前言
 
智能建筑(Intelligent Building,IB)是采用计算机技术对建筑物内的设备进行自动控制和管理并对用户提供信息和通信服务等的一种新型建筑。智能建筑以建筑为平台,兼备通信、办公、建筑设备自动化等功能,集系统结构、服务、管理为一体,向人们提供一个高效、舒适、便利的建筑环境。根据建设部《2000年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案》和《全国住宅小区智能化技术示范工程建设工作大纲》的方针与精神,国家已将建设智能化小康示范小区列为今后重点发展方向。近年来兴起的现代高科技和信息技术(IT)正在由智能大厦(IB)走向智能住宅小区,进而走进家庭(SH)。现代社会的家庭成员正在以追求家庭智能化带来的多元化信息和安全、舒适与便利的生活环境作为一个理想的目标。
 
随着现代化电子设备在智能建筑中的广泛应用,因雷击导致的系统设备损坏数量不断增多,其危害不仅在于受损设备的直接经济损失巨大,而且由此产生的间接损失和严重后果更难以估量。国际电工委员会第81技术委员会关于“防雷”的IEC61312-1(1995)文件中强调指出:“鉴于各种形式电子系统的应用不断增加,使本标准的制定成为必须。这些系统包括计算机、通信设备、控制系统等(统称信息系统)。这些系统应用于商业和工业的许多部门,包括相当大的资金投入、规模和复杂性很大的工业控制系统。出于代价和安全的考虑,雷电对其造成运转停顿的影响是不可估量的”。 
 
早时期单一的、片面的防雷措施已不能保证通信、网络等设备的可靠、安全、和畅通。雷电灾害被国际电工委员会(IEC)称为“电子化时代的一大公害”,雷电灾害给全球千百万的经济损失每年在十多亿美元以上。在雷击灾难与事故的背后,人们越来越深刻认识到富兰克林时代的防雷技术已跟不上信息时代的发展脚步。雷电灾害与高科技的发展相伴,要将雷电灾害减至最低,就必须全面实施信息时代的综合防雷治理。
 
现代综合防雷原则强调“全方位防治,综合治理,层层设防,把防雷当作一个系统工程”。按照相关的防雷规范,在建筑物外部和内部及各电子设备安装相应的防雷措施。完整的设备系统防雷方案包括外部防雷和内部防雷两个方面。外部防雷系统包括避雷针、避雷带、引下线、接地极等等,其主要的功能是为了确保建筑物本体免受直击雷的侵袭,将可能击中建筑物的雷电通过避雷针、避雷带、引下线等,泄放入大地。内部防雷系统是为保护建筑物内部的设备以及人员的安全而设置的。在需要保护设备的前端安装合适的电涌保护器,使设备、线路与大地形成一个有条件的等电位体,将可能进入的雷电流阻拦在外,将因雷击而使内部设施所感应到的雷电流得以安全泄放入地,确保后接设备的安全。
 
2、电涌保护器(SPD)在智能建筑电气设计中的应用
 
2.1、开关型SPD和限压型SPD的区别
 
开关型SPD为间隙放电型器件,其雷电能量泻放能力大,在线路上使用的主要作用是泄放雷电能量;限压型SPD为氧化锌压敏电阻器件,其雷电能量泻放能力小,但其过电压抑制能力好,在线路上使用的主要作用是限制过电压。因此,一般在建筑物入口处选用开关型SPD来泄放雷电能量,然后,在后级电路使用限压型SPD来限制因前级雷电能量泻放后,在后级线路产生的高过电压。两种SPD需配合使用,方能保证配电线路中设备的安全。
 
2.2、RCD作用的有限性
 
有一种观点认为装用RCD后就不会发生人身电击事故了,其实不然,它的作用是有限的。RCD对接地故障危害的防范有很高的动作灵敏度,能在数十毫秒的时间内有效地切断小至毫安计的故障电流。即使发生直接接触电击,接触电压高达220V,高灵敏度的RCD也只能在人体发生心室纤颤导致死亡以前快速切断电源。但它只能在所保护的回路内发生故障时起作用,不能防止从别处沿PE线或装置外导电部分传导来的故障电压引起的电击事故。因此,在N与PE之间安装电涌保护器(SPD)并做可靠的等电位连接是必要的。
 
2.3、3+NPE模式SPD在电气设计的应用
 
依据GB 50057-94(2000版)《建筑物防雷设计规范》标准,在图6.4.5-1和图6.4.5-3中,总配电箱内都装有作用于跳闸或报警信号的RCD,它是用于防接地电弧火灾和作为下级RCD的后备RCD用的。在图6.4.5-3中RCD装在SPD的电源侧,而在图6.4.5-1中的RCD则装在SPD的负载侧,这是IEC标准和我国GB50057-1994(2000年版)第六章内的规定,这一规定是必要的。如下图:


 
因为,压敏电阻类的SPD即使是新品,在施加正常的相电压后也会有微量的泄漏电流流通。随着时间的推移,此泄漏电流会逐渐增大,最终导致SPD短路失效而寿命终了。维护管理人员发现SPD显示行将失效的标志后若未及时更换备品,则失效的SPD将对地短路成为接地故障,将引发种种电气事故。例如流过SPD的对地短路电流在接地电阻RA和接地引线上的电压降,使PE线带故障电压而引起间接接触电击事故等。
 
将RCD装在SPD的电源侧可检测出这一故障电流,防止这一危险的发生。这一要求也适用于为防接地电弧火灾而装设在电源进线处的RCD。在图6.4.5-3中因有放电间隙将SPD与PE线隔离,SPD的失效短路不会导致接地故障,故可将RCD装设在SPD的负荷侧,以避免电源进线处大幅值的雷电脉冲电流不必要地通过RCD的零序电流互感器。
 
因此在采用“3+NPE”模式进行保护时,由于NPE模块是一种放电间隙型模块,不会在线路中导致接地故障,因此其安装位置可安装于RCD电源侧也可安装于RCD负荷侧。而采用“每线对地”模式进行保护时,就需要合理的选择安装位置。
 
2.4、3+NPE模式SPD在高工频接地电阻条件下的应用
 
在供电环境恶劣的地区,或不清楚供电情况的地区,建议用户采用3+NPE电涌保护器。3+NPE电涌保护器是指相线与零线之间安装压敏电阻防雷模块,而零线和地线之间安装放电间隙防雷模块。此种保护结构较传统的相线与地线间安装防雷模块,具有更可靠之优点。
 
在TT电网之下,电涌保护器如连接在市电相线与地线之间,回路阻抗主要是接地电阻,在不同的工地接地电阻差异很大,某些地方地阻值偏高,并非不常见。
 
电网故障时,比如说中性线断开或零点漂移,形成市电故障电压长期高于电涌保护器最大持续工作电压(Uc),电涌保护器损坏产生回路故障电流。在接地电阻值偏高或地线接触不良的情况下,流经电涌保护器的短路电流太小,无法使前级保险丝跳脱,使电涌保护器持续过电流,造成损坏。
 
采用NPE模块的3+NPE结构电涌保护器在电网故障时,即使接地电阻值高或地线接触不良的情况下,因为电涌保护器接在市电线与零线之间,而市电相线与零线回路阻抗,主要是供电变压器及供电电缆,阻抗很低,故此故障电流很大,流经电涌保护器的电流可使前级保险丝(空开)跳脱,使电涌保护器与电网隔离,确保电路安全。
结束语
智能建筑(IB)这种采用计算机技术对建筑物内的设备进行自动控制和管理并对用户提供信息和通信服务的新型建筑对安防与防雷问题所提出了的新要求,使用传统的雷电防护手段已经无法解决日益增加的雷电事故。依据国家有关标准的要求,针对智能建筑电气设计的特点,在采用“3+NPE”模式进行保护时,由于NPE模块是一种放电间隙型模块,不会在线路中导致接地故障,因此可解决电涌保护器(SPD)安装位置受限制及高接地电阻地区电涌保护器(SPD)因串联断路器无法脱扣导致的烧毁等设计问题。
 
参考文献
 
[1] GB 50057-94(2000版)《建筑物防雷设计规范》
[2]JGJ/T16-92《民用建筑电气设计规范》
[3] 《智能建筑设计技术》华东建筑设计研究院主编


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