近年来,随着信息技术的发展,互联网业务的广泛应用和发展,IDC数据中心也在快速地发展和建立。IDC数据中心的供配电系统,对于可靠性也提出了非常高的要求。而其中做好电源系统的防雷保护,是提高IDC供电可靠性的重要一环。如何做好电源SPD的正确选型,又是做好防雷保护的重中之重。
　　
　　SPD在选型时，我们可能会经常面临一些问题，一一厘清这些问题，有助于我们实现合理地选型。
　　
　　1 SPD的型式
　　
　　低压配电系统,依据接地型式的不同,可以分为TN、TT和IT系统。对于数据中心供配电系统,推荐采用TN-S系统,即从变压器低压侧,中性线和保护接地线分开,并且电源侧接地和设备侧接地连接在一起。
　　
　　数据中心供配电系统,针对TN-S系统,电源SPD的型式,可以有两种选择:
　　
　　①“3+1”型式(见图1)
　　
　　“3+1”型式,既有L-N之间的差模保护,也有L-PE的共模保护。
　　
　　②“4+0”型式(见图2)
　　
　　“4+0”型式,只有L-PE之间的共模保护。对于电涌防护而言,L-PE之间的保护是必须的,选择哪种型式均可以,但需要IDC数据中心供配电系统,SPD前后各级协调一致。
　　
　　2 最大持续工作电压Uc
　　
　　顾名思义,最大持续工作电压Uc即可连续地施加在SPD保护模式上的最大交流电压有效值或是直流电压。
　　
　　SPD选型时,最大持续工作电压Uc的选择,需要考虑以下因素:
　　
　　①供配电系统额定电压的波动范围;
　　
　　②SPD器件参数的偏差范围;
　　
　　③供配电系统的异常情况,比如,系统中可能发生的暂时过电压TOV;具体暂时过电压的情况和要求,详见后面第6节的描述。
　　
　　IDC数据中心供配电系统,首要考虑的是SPD的运行安全,SPD的选型和安装,以220/380V三相交流供电系统为例,最大持续工作电压Uc,一般推荐选择Uc=385V的SPD。
　　
　　3 标称放电电流In和最大放电电流Imax
　　
　　这两个指标是SPD产品的核心指标,表征了SPD产品的承受模拟雷击电流的能力。
　　
　　标称放电电流In:流过SPD具有8/20μs波形的电流峰值,用于II类试验的SPD分类以及I类、II类试验的SPD的预处理试验。
　　
　　在一定意义上,我们可以把它理解为SPD的电涌额定防护能力。用于评定SPD在规定冲击波形下,可耐受的冲击电流的幅值,这个冲击电流的施加,需要符合标准规定的程序和方法。
　　
　　最大放电电流Imax:流过SPD,具有8/20μs波形电流的峰值,其值按II级动作负载试验的程序确定。Imax应大于In。
　　
　　最大放电电流Imax,是考验SPD整体产品具备的最大防护能力,在承受最大放电电流的冲击之后,SPD的基本参数仍要在合格范围内,且不发生机械损坏和危险后果。
　　
　　在数据中心的供配电系统中,微模块一般处于整体配电系统的第二级,相比于建筑物入口处的第一级配电,遭受的雷击电流的幅值有所下降。参照GB/T50343-2012建筑物电子信息系统防雷技术规范5.4浪涌保护器的选择5.4.3第7条,通常,SPD的标称放电电流In,选择的范围一般在10～40kA(II级,8/20μs)范围内。
　　
　　4 电压保护水平Up
　　
　　电压保护水平Up:表征SPD限制接线端子间电压的性能参数,其值可从优先值的列表中选择。该值应大于限制电压的最高值。
　　
　　限制电压Umlv,施加规定波形和幅值的冲击时,在SPD接线端子间测得的最大电压峰值。这一指标的意义,是指SPD在冲击放电电流的作用下,SPD两端呈现出的电压值。这一电压值,与后端被保护设备的耐冲击电压Uw有关。如果电压保护水平Up大于设备的耐冲击电压额定值Uw,则SPD不仅不会起到保护作用,相反,还有可能造成后端被保护设备的功能失常或是实质损坏。
　　
　　SPD选型时,应注意结合SPD的安装位置和被保护设备的耐冲击电压额定值Uw来选择。参照GB50343-2012建筑物电子信息系统防雷技术规范5.4浪涌保护器的选择5.4.3第1条配电系统中设备的耐冲击电压额定值Uw。表1为220/380V三相配电系统中各种耐冲击电压额定值Uw。
　　
　　IDC数据中心的SPD选型,电压保护水平Up起码不应超过安装位置处设备的耐冲击电压额定值Uw。但需要注意,SPD安装时,需要通过接线将SPD并接到主回路上,由于导线本身具有直流阻抗和感抗,在雷电流作用下,导线上会呈现出电压,SPD两端导线的电压降与SPD两端的限制电压叠加在一起,会施加在被保护设备上。也就是说,SPD实际安装后,其在主回路上,实际呈现的保护电压,会有所增大。如果接线不规范,由此引起的叠加后的电压会更高。因此,电压保护水平Up的选择,应留有一定余量,一般情况下,Up不超过耐冲击电压额定值Uw的80%。
　　
　　5 SPD的热稳定和热崩溃
　　
　　热稳定性:在引起SPD温度上升的动作负载试验后,在规定的环境温度条件下,给SPD施加规定的最大持续工作电压Uc,如果SPD的温度能随时间而下降,则认为SPD是热稳定的。
　　
　　热崩溃:当SPD承受的功率损耗超过外壳和连接件的散热能力,引起内部元件温度逐渐升高,最终导致其损坏的过程。
　　
　　SPD在接入低压供配电系统后,未发生雷击时,一直持续承受着系统的额定电压;当有雷击发生时,SPD还要承受雷击电流。这两种情况下,SPD有电流通过,由于电流的热效应,总会引起SPD本体温度的上升。这个过程产生的热量,如果能够很快地耗散掉,则SPD不会损坏,结果就是热稳定的,否则,则会发生热崩溃,SPD就会损坏掉。
　　
　　SPD逐步损坏的过程,我们用一个词语“劣化”来描述。
　　
　　所谓的“劣化”,即是由于电涌、使用或不利环境的影响造成,SPD的原始性能参数会发生变化的过程和现象。
　　
　　SPD在未劣化时,流过SPD的电流是μA级的。电压限制型SPD,在出厂时,一般要求在直流参考电压的75%条件下,不超过20μA。
　　
　　SPD安装使用后,随着SPD使用时间的增长,SPD逐渐劣化,此时,由于系统电压的作用或是电涌冲击的累积效应,SPD的微观组织会有损坏,结果就是流过SPD的工频电流也逐渐增大,电流的增大,会造成SPD本体温度的升高;反过来,由于SPD温度的升高,SPD的电流还会继续增大。这是一个渐进的过程。
　　
　　GB/T18802.1-2011低压电涌保护器(SPD)第1部分:低压配电系统的电涌保护器性能要求和试验方法和YD/T1235.1-2002通信局(站)低压配电系统用电涌保护器技术要求,这两个标准对于SPD的热稳定性,均有具体要求和测试方法。
　　
　　国标里,SPD的热稳定性测试,测试电流从2mA起,变化到相应于元件最大功耗的电流。行标里,SPD的热稳定性测试,测试电流从20mA起,变化到5000mA。
　　
　　在IDC数据中心,SPD的选型,推荐参考行标的要求,选择SPD的热稳定性测试电流相对较大者,这样更有助于实现标准意义上的安全。
　　
　　6 暂时过电压TOV
　　
　　暂时过电压TOV(temporaryovervoltage):施加在SPD上并持续一个规定时间的试验电压,以模拟在TOV条件下的应力。
　　
　　由于供配电系统的低压子系统发生故障,或者前端高(中)压子系统发生故障而传导到低压系统的故障,从而这些故障施加在SPD的两端,并且有可能超过系统的额定电压。暂时过电压TOV持续时间的长短,有可能是ms级,达到秒级甚至更长时间(低压系统,中性线接地,或是相线接地,长短与发现和撤销的时间有关)。
　　
　　SPD承受暂时过电压TOV后,是否会引起SPD的损坏,与SPD的设计有关。YD/T1235.1-2002通信局(站)低压配电系统用电涌保护器技术要求6.4.5和6.4.6,清晰地给出了暂时过电压的耐受特性。
　　
　　①暂时过电压耐受特性
　　
　　安装在L-PE或是L-N之间的SPD应能耐受如表2所示的TOV，SPD故障时应具有安全耐受的模式。
　　
　　②暂时过电压失效安全性
　　
　　安装在L-PE或是L-N之间的SPD应能耐受如表3所示的TOV,SPD故障时应具有安全的失效模式。针对暂时过电压的耐受特性,我们可以通过选择SPD的最大持续电压Uc不低于380V,来满足暂时过电压的耐受特性,也就是说,SPD承受低压系统发生的TOV,而不损坏,TOV过后,仍可以继续运行。而针对暂时过电压失效安全性,我们可以接受SPD的失效后果,但这种失效是需要符合标准意义上的安全性的。
　　
　　7 SPD的脱离器
　　
　　SPD的脱离器,将SPD从电源系统断开所需要的装置(内部的和外部的)。
　　
　　SPD的脱离器作为SPD的后备保护，一般需要满足以下三个条件，才能达到二者之间较好地匹配。
　　
　　①与SPD一起,能够承受所要求的的雷电流,而不发生分断;
　　
　　②SPD损坏短路时,能够分断流过的短路电流,即需要具备所要求的的短路分断能力;
　　
　　③SPD脱离器，需要能够动作切断从较低值(一般为3A)起始的工频电流，以防止SPD损坏的蔓延。
　　
　　另外,SPD脱离器,在冲击电流作用下,需要具备较低的限制电压,以达到保护后端设备的效果。
　　
　　在专用的脱离器出现之前,原来通常使用的脱离器是断路器和熔断器,这两种产品,对于上述要求,不能完全满足,只能部分满足,亦不能实现很好地匹配。
　　
　　现在市场上,出现了专门用于保护SPD的脱离器,并也有相应的标准出现,以此规范SPD脱离器的要求和测试。
　　
　　IDC数据中心,SPD的脱离器选型,需要考虑上述要求,以实现与SPD的良好匹配和保护。
　　
　　8 结束语
　　
　　以上描述的这些问题,SPD选型时会经常遇到,为了正确地选型,我们还需要参考相关的国标和行标要求,并结合客户的标书要求,进行合理地选择。
　　
　　另外,SPD满足国家或行业的有关认证要求,也是SPD质量认证的要求和客户的标书要求,也是我们SPD选型提要求时需要参考和考虑的一个因素。
　　
　　编辑：Harris