浪涌保护器使用原则

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1、防雷培训班 教材之四电涌保护器的性能要求和使用原则引言SPD（Surge Protective Device）是国际电工委员会（IEC）标准中对电涌保护器的英文缩写。过去国内大多数生产厂商使用避雷器、低压避雷器、电子防雷器等名称均不够准确，使用避雷器一词易与使用于高压供电系统的避雷器相混淆，特别是国家标准已颁布了避雷器的内容和设有专门的检测单位，它们主要应用于高压系统。行业标准GA173把SPD定名为防雷保安器是与国家制定电器安全标准的规定相矛盾的，该标准对使用“安全”一词有特定规定，不允许把“安全”及类似含意的词与某元件联用，而且SPD除具备有防雷的功能外，还有抑制投切过电压的作用。在IEC

2、61312、IEC61643和IEC60364等相关标准中对SPD性能和安装使用提出了一系列要求，简要归纳出要点，以供讨论。一、SPD的定义：在GB50057-94建筑物防雷设计规范中，SPD定名是过电压保护器：“用以限制存在于某两物体之间的冲击过电压的一种设备，如放电间隙，避雷器或半导体器具”。近日标准起草人林维勇先生在为中国气象局组织起草的某标准草案讨论稿上郑重的将“过电压保护器”易名为“电涌保护器”，并以近期颁布的国际标准和美国标准做了更名的文字说明。SPD的定义应是，电涌保护器（SPD）：用以限制瞬态过电压和引导电涌电流的一种器具，它至少应包括一种非线性元件。这一观点将在林维勇先生执笔

3、对GB50057-94局部修订条文征求意见稿中做为强制性国家标准出现。二、SPD的分类：SPD可按几种不同方法进行分类：1按使用非线性元件的特性分类：（设计电路拓朴）推荐精选电压开关型SPD：当没有浪涌出现时，SPD呈高阻状态；当冲击电压达到一定值时（即达到火花放电电压），SPD的电阻突然下降变为低值。常用的非线性元件有放电间隙，气体放电管等。开关型SPD具有大通流容量（标称通流电流和最大通流电流）的特点，特别适用于易遭受直接雷击部位的雷电过电压保护。（即LPZ0A直击雷非防护区），有时可称雷击电流放电器。电压限制型SPD：当没有浪涌出现时，SPD呈高阻状态；随着冲击电流及电压的逐步提高，SP

4、D的电阻持续下降。常用的非线性元件有压敏电阻，瞬态抑制二极管等。这类SPD又称箝压型SPD，是大量常用的过电压保护器，一般适用于户内，即IEC规定的直击雷防护区（LPZ0B）、第一屏蔽防护区（LPZ1）、第二屏蔽防护区（LPZ2）的雷电过电压防护。IEC标准要求将它们安装在各雷电防护区的交界处。混合型SPD：开关型元件和箝压型元件混合使用，随着施加的冲击电压特性不同，SPD有时会呈现开关型SPD特性，有时呈现箝压型SPD特性，有时同时呈现两种特性。2按SPD的端口型式分类：根据在不同系统中使用的需求，SPD生产商厂可以把SPD制造成一端口或两端口的型式。一端口（又称单口）SPD：与被保护电路并

5、联连接。一端口SPD可能有隔开的输入端及输出端，在它们之间没有特意设置的电阻或电感。（见图1）S P D单口SPD 总示意图单口SPD并联单口SPD图1 串联单口SPD推荐精选双口SPD总示意图a) 双口并联SPD（三个端口）b) 双口并联SPD（四个端口）输入端（IN）串联感抗输出端（OUT）共地端串联感抗图2输入端（IN）输出端（OUT）S P D两端口（又称双口）SPD：具有两组端口的SPD，一般与被保护电路串联连接，或使用接线柱连接，在输入端与输出端之间有特意设置的串联阻抗。（见图2）图1和图2上可以看出，无论SPD从外表上看是否串接或并联在被保护电路中，SPD的非线性元件实质上都是与

6、被保护电路处于并联状态，当其动作时，能将被保护电路中的电涌电流通过SPD分流泄入地中。3按使用的性质分类：由于雷电过电压和投切过电压（过去常称为操作过电压）可能沿供（配）电线路侵入，雷电过电压可能沿信号线（含电话线）或天馈线侵入，因此安装在不同的系统中的SPD必须满足不同系统的特殊要求。这样，生产厂商又可将SPD按使用性质将SPD分为：电源系统SPD、信号系统SPD和天馈系统SPD。此外，还可以按安装的环境（位置）分为室内用或户外用；按可接触性分为可接触或不可接触；按安装方式分为固定式或卡接可移式等等。三、表征SPD性能的主要技术参数：在1998年2月IEC颁布的标准低压系统的电涌保护器 第1

7、部分 性能要求及测试（IEC61643-1）中规定了用于低压配电系统的SPD的使用环境是：推荐精选1000VAC（交流）50/60Hz和1500VDC（直流）以下电路系统中的SPD，使用高度不超过2000m，贮备和使用时的环境温度应在540之间，特殊情况下可扩展到4070之间，相对湿度在常温下为30%90%。在此范围之外的恶劣环境下和使用于户外或暴露在日光中或处在其它辐射源之下的SPD应有特别的设计要求，这是设计者、制造厂商和用户要特别注意的。在IEC61643-1的第6章中对制造厂商提出必须提供下列信息内容（19项）：a)制造厂家、商标及模块型号b)安装位置类别c)端口数d)安装方法e)最大

8、持续工作电压UC(每一种保护方式一个值)及额定频率f)制造商声称的各保护方式的放电参数及试验类别： I类试验Iimp II类试验ImaxIII类试验UOCg) I类及II类试验中的额定放电电流值In(每一保护模式一个值)h)电压保护水平UP(每一保护模式一个值) i)额定负载电流j)外壳提供的保护水平(IP代码)k)短路承受能力l)备用过电流保护装置的最大推荐额定值(如果有)m)断路器动作指示n)具有特殊用途产品的安装位置推荐精选o)端口标志(进、出口端标志)P)安装指南(如：连接、机械尺寸、引线长度等)q)电网电流类型：直流(d.c)交流(a.c)及频率或两者都可应用r) I类试验中能量指标

9、(W/R)s)温度范围在上述19项内容中，a）、e）、f）、h）、j）、i）、o）和q）等8项要求制造厂商必须在产品的铭牌上注明。目前国内生产厂商使用的技术参数名称不统一，国外厂商的参数译文也不大一致，因此用户很难正确使用，在此笔者试图说明一些参数名称和内容。在进行参数介绍之前，有必要介绍一下过电压的概念。在IEC60664-1低压系统内设备的绝缘配合标准中，定义过电压（overvoltage）：“峰值大于正常运行下最大稳态电压的相应峰值的任何电压”。过电压一般分为短时过电压（或暂态过电压）（temporary overvoltage）和瞬态过电压（transient overvoltage）

10、。这两种过电压的区分是短时过电压是持续时间较长的工频过电压，而瞬态过电压则是振荡的或非振荡的，通常为高阻尼，持续时间只有几毫秒（ms）或更短的短时间过电压。雷击过电压便属瞬态过电压。由于特定通断操作或故障通断，在系统中的任何位置出现的瞬态过电压又称投切过电压（操作、通断过电压）（switching overvoltage）。SPD应具备抑制瞬态过电压的功能，含防护雷电过电压和投切过电压。1保护模式：SPD可连接在L（相线）、N（中性线）、PE（保护线）间，如L-L、L-N、L-PE、N-PE，这些连接方式称为保护模式，它们与供电系统的接地型式有关。按GB50054-95低压配电设计规范规定，供

11、电系统的接地型式可分为：TN-S系统（三相五线）、TN-C系统（三相四线）TN-C-S系统（由三相四线改为三相五线）、IT系统（三相三线）和TT系统（三相四线，电源有一点与地直接连接，负荷侧电气装置外露可导电部分连接的接地极与电源接地极无电气联系）。2额定电压Un，是制造厂商对SPD规定的电压值。在低压配电系统中运行电压（标称电压）有220V推荐精选AC、380VAC等，指的是相对地的电压值也称为供电系统的额定电压，在正常运行条件下，在供电终端电压波动值不应超过10%，这些是制造商在规定Un值时需考虑的。在IEC60664-1中定义了实际工作电压（Working Voltage）：在额定电压下

12、，可能产生（局部地）在设备的任何绝缘两端的最高交流电压有效值或最高直流电压值（不考虑瞬态现象）。3最大连续工作电压UC，指能持续加在SPD各种保护模式间的电压有效值（直流和交流）。UC不应低于低压线路中可能出现的最大连续工频电压。选择230/400V三相系统中的SPD时，其接线端的最大连续工作电压Uc不应小于下列规定：TT系统中UC1.5 UOTN、TT系统中UC1.1 UOIT系统中UCUO注1：在TT系统中Uc1.1Uo是指SPD安装在剩余电流保护器的电源侧；Uc1.5Uo是指SPD安装在剩余电流保护器的负荷侧。注2：UO是低压系统相线对中性线的电压，在230/400V三相系统中Uo=23

13、0V。对以MOV（压敏电阻）为主的箝压型SPD而言，当外部电压小于UC时，MOV呈现高阻值状态。如果SPD因电涌而动作，在泄放规定波形的电涌后，SPD在UC电压以下时应能切断来自电网的工频对地短路电流。这一特性在IEC标准中称为可自复性。上边提到的UC1.5Uo、UC1.1Uo、UcUo等标准引自IEC60364-5-534，从我国供电系统实际出发，此值应增大一些，有专家认为原因是国外配电变电所接地电阻规定为1-2，而我国规定为4-10，因而在发生低压相线接地故障时另两相对地电压常偏大且由于长时间过流很易烧毁SPD。但SPD的UC值定的偏大又会因产生残压较高而影响SPD的防护效果。也有些专家认

14、为，虽然变电所接地电阻较大，但在输电线路中实现了多次接地，多次接地的并联电阻要低于变电所的接地电阻值，因此UC1.1UO即可满足要求。由于后者分析较接近实际，在有关国家标准出台前，仍以IEC标准为准。推荐精选4点火电压，开关型SPD火花放电电压，是在电涌冲击下开关型SPD电极间击穿电压。5残压Ures，当冲击电流通过SPD时，在其端子处呈现的电压峰值。Ures与冲击电涌通过SPD时的波形和峰值电流有关。为表征SPD性能，经常使用Ures / Uas =残压比这一概念，残压比一般应小于3，越小则表征着SPD性能指数越好。6箝位电压Uas，当浪涌电压达到Uas值时，SPD进入箝位状态。过去认为箝位

15、电压即标称压敏电压，即SPD上通过1mA电流时在其两端测得的电压。而实际上通过SPD的电流可能远大于测试电流1mA，这时不能不考虑SPD两端已经抬高的Ures（残压）对设备保护的影响。从压敏电压至箝位电压的时间比较长，对MOV而言约为100ns。7电压保护水平UP（保护电平），一个表征SPD限制电压的特性参数，它可以从一系列的参考值中选取（如0.08、0.09、1、1.2、1.5、1.8、28、10KV等），该值应比在SPD端子测得的最大限制电压大，与设备的耐压一致。Up、Un、Uc之间关系参见图3。防护上限电压保护水平 UP不设防区（非受保护区域）最大连续供电系统电压 UCS2SPD最大持续

16、工作电压 UC2额定电压均方根 Un额定电压峰值 Un2图3 UP、Un和UC相关曲线8限制电压测量值，当一定大小和波形的冲击电流通过SPD时在其端子测得的最大电压值。9短时过电压UT，保护装置能承受的，持续短时间的直流电压或工频交流电压有效值，它比最大连续工作电压U推荐精选C要大。10电网短时过电压UTOV，电网上某一部件较长时间的短时过电压，一般称通断操作过电压。UTOV一般等于最大连续供电系统实际电压UCS的1.25到1.732倍。11电压降（百分比）：U=（UinUout）/Uin100%其中Uin指双口SPD输入端电压， Uout指双口SPD输出端电压， 通过电流为阻性负载额定电流。

17、12最大连续供电系统电压UCS，SPD安装位置上的最大的电压值，它不是谐波也不是事故状态的电压，而是配电盘上的电压变及由于负载和共振影响的电压值升（降），且直接与额定电压Un相关。UCS一般等于Un的1.1倍。 13额定放电电流In：8/20s电流波形的峰值，一般用于类SPD试验中不同等级，也可用于、类试验时的预试。 14脉冲电流Iimp：由电流峰值Ipeak和总电荷Q定义（见IEC61312中雷电流参数表）。用于类SPD的工作制测试，规定Iimp的波形为10/350s，也可称之为最大冲击电流。 15最大放电电流Imax：通过SPD的电流峰值，其大小按类SPD工作制测试的测试顺序而定，Imax

18、In，波形为8/20s。 16持续工作电流Ic：当对SPD各种保护模式加上最大连续工作电压Uc时，保护模式上流过的电流。Ic实际上是各保护元件及与其并联的内部辅助电路流过的电流之和。17续流If：当SPD放电动作刚刚结束的瞬间，跟着来的流过其的由电源提供的工频电流。续流If与持续工作电流Ic有很大曲别。18额定负载电流：由电源提供给负载，流经SPD的最大持续电流有效值（一般指双口SPD）。19额定泄放电流Isn：此值与当地雷电强度、电源系统型式、有无下一级SPD及被保护设备对电涌的敏感程度有关，SPD的Isn决定其尺寸大小和热容量。推荐精选20泄漏电流：由于绝缘不良而在不应通电的路径上流过的电

19、流。SPD除放电闪隙外，在并联接入电网后都会有微安级的电流通过，常称为漏电流。当漏电流通过SPD（以MOV为主的）时，会发出一定热量，至使发生温漂或退化，严重时还会造成爆炸，又称热崩溃。21温漂：在工作时，SPD产生的工频能量超过SPD箱体及连接装置的散热能力，导致内部元件温度上升，性能下降，最终导致失效。 22退化：当SPD长时间工作或处于恶劣工作环境时，或直接受雷击电流冲击而引起其性能下降，原技术参数改变。SPD的设计应考虑退化在各种环境中的期限，并采用运行测试和老化性试验方法（参见有关表格）。23响应时间：SPD两端施加的压敏电压到SPD箝位电压的时间（注：如6所说明的MOV从压敏电压到

20、箝位电压的时间约为100ns）。 24插入损耗：在特定频率下，接入电网的 SPD插入损耗是指实验时在插入点处接通电源立即出现的，插入SPD之前和以后的电压的比值。一般用dB表示。 25两端口SPD负载端耐冲击能力：双口SPD能承受的从输出口引入由被保护设备产生的冲击的能力。26热稳定性：当进行操作规定试验引起SPD温度上升后，对SPD两端施加最大持续工作电压，在指定环境温度下，在一定时间内，如果SPD温度逐渐下降，则说明SPD具有良好的稳定性。27外壳保护能力（IP代码）：设备外壳提供的防止与内部带电危险部分接触及外部固体物体和水进入内部的能力。（具体标准见IEC60529） 28承受短路能力

21、：SPD能承受的可能发生的短路电流值。 29过电流保护装置：安装在SPD外部的一种防止当SPD不能阻断工频短路电流而引起发热和损坏的过电流保护装置(如熔丝、断路器)。30SPD断路器：当SPD失效时，一个能把SPD同电路断开的装置，它能防止当SPD失效时，接地短路故障电流损坏设备，且应能指示SPD失效状态。31漏流保护装置(RCD)：一种当漏电流或不平衡电流达到一定值时便断开电路接点的机械开关或组件，又称剩余电流保护器。推荐精选32退耦装置：当对SPD施加工频电压并进行冲击试验时，一个阻止冲击反馈到供电网的装置。33定型试验：当一个新产品设计定型后，必须进行一系列的试验来建立本身的性能指标及论

22、证是否符合有关标准。之后，只要设计及性能不变，则不必重做定型试验，而只需做一些相关试验。34例行试验：对每个SPD或其部件进行的检查其是否符合设计要求的试验。35接收试验：贸易时，由用户和制造商协商同意对SPD或对订购品抽样进行的试验。36冲击试验分类36.1.类试验：对样品进行额定放电电流In，1250s冲击电压，最大冲击电流Iimp的试验 (仅对I类SPD)。362.类试验：对样品进行额定放电电流In，1250s冲击电压和最大放电电流Imax试验 (仅对II类SPD)。363 类试验：对样品进行混合波(1250s，820s)试验。371.250s电压脉冲：一个电压脉冲，其波头时间(从10峰

23、值上升到90峰值的时间)为1.2s；半峰值时间为50s。38820s电流脉冲：一个电流脉冲，其波头时间为8s，半峰值时间为20s。39混合波：由发生器产生的开路电压波形为1.250s波，短路电流波形为820s电流波。当发生器与SPD相连，SPD上承受的电压、电流大小及波形由发生器内阻和SPD阻抗决定。开路电压峰值与短路电流峰值之比为2(相当于发生器虚拟内阻Zf)。短路电流用ISC表示，开路电压用UOC表示。 40I类试验中单位能量指标W/R：电流脉冲Iimp流过1电阻时，电阻上消耗的能量。数值上等于电流脉冲波形函数平方的时间积分，W/R=i2dt。41SPD最大承受能量Emax：SPD未退化时

24、能承受的最大能量，又称SPD的耐冲击能量。说明：上述参数及定义主要源自IEC低压配电系统的SPD标准，对应用于信号或数据线的SPD参数将在以后介绍。推荐精选四、SPD在低压系统中的选择1用户是否需要安装SPD的选择1）在低压供（配）电系统装置中的设备均应具有一定的耐受浪涌能力（耐冲击过电压能力）。当无法获得230/400V三相系统各种设备的耐冲击过电压值时，可按IEC60664-1的给定指标选用。见表1表1 230/400V三相系统各种设备耐冲击过电压额定值设备的位置电源处的设备配电线路和最后分支线路的设备用电设备特殊需要保护的设备耐冲击过电压类别类类类类耐冲击电压额定值（kV）642.51.

25、5注：类需要将瞬态过电压限制到特定水平的设备；类如家用电器、手提工具和类似负荷；类如配电盘、断路器、布线系统（包括电缆、母线、分线盒、开关、插座），应用于工业的设备和一些其他设备（例如永久接至固定装置的固定安装的电动机）；类如电气计量仪表、一次线过流保护设备、波纹控制设备。在IEC60364-4-443中也将建筑物电气装置的电气设备按其所在装置内的位置划分为4类耐雷电或投切过电压的区域。鉴于集成化程度很高的电子设备是通过微电位和小电流进行工作的，其元件的耐冲击能量很低，因此从一次性投资与效益（主要指该信息系统的运转停顿的风险）之比出发，可能需要设置耐冲击电压更低的安装位置类别，如将类安装类别定

26、为500V或耐冲击电压值更低，参看图4，在实际低压运行中雷电过电压常常大于6KV，因此必须考虑SPD的选择问题。推荐精选图4 各类安装位置电气设备示例2）在IEC60364-4-443中提出低压电气装置设置防止雷电或投切过电压保护装置需考虑的因素有：所在地区多年平均雷暴日数是否超过25天/年；供电线路使用裸线或电缆以及是否架空或埋地入户等。但在实际工作中不能仅使用25天/年这个指标，也不能仅用是否使用埋地电缆供电来决定是否选用SPD。正确的方法是进行风险分析，其一为是否需要使用SPD，其二是需要使用多少级SPD，及SPD能量承受能力的分析。关于用户是否应使用SPD，可参考如下参数进行综合考虑：

27、A：环境参数A1-Ng建筑物所处地区雷击大地的年平均密度（次/km2.年）环境系数的分析应考虑到直击雷对建筑物闪击造成的电阻耦合和电感耦合，也应考虑到闪击到输电线路或通讯线路上的影响。风险分析要考虑到直接雷击和间接雷击的各种能量，雷电流可能通过外部防雷装置（LPS），电线（缆），通讯线，以及各种金属管线的侵入。光纤电缆如果没有金属外护层或金属加强芯，一般情况下不会带来雷电波侵入。A2：要充分考虑所在配电系统的投切（操作）过电压产生的频次和严重程度。A3：当一建筑物受到雷击时，除LPS系统接闪引下过程中产生电磁耦合，可至使设备损害外。进入地中的雷电流在接地装置和远处大地之间产生一个数百kV量级的

28、电压，即地电位升。此电压值取决于接地电阻。这是部分雷电流流入建筑物并引至远处大地的导体（如电缆）的原因。A4：建筑物和设备的位置地形邻近高大建筑物和森林与山谷和低矮地区相比，位于高山或山地顶部的设备更易遭受雷击，高塔架上的设备也是这样。一些位于低处的设备会因邻近更高物的保护遭受直击雷次数较少，但不能解决雷电流通过金属线缆引入的危险。推荐精选B：设备和器材B1：设备耐冲击类型和抗冲击等级设备的耐各种冲击的能力应由设备制造商提供，一般来说耐受能力越低则雷击风险越高。通常在不了解（或厂商未提供有关资料）设备耐受能力时，可以按设备内部无耐冲击能力进行防电涌设计。正确的防护方案是：在建筑物入口处将最大的

29、电涌能量分流使进入设备的电涌降到最低程度。B2：接地系统接地电阻和阻抗不同接地系统的间距不同接地系统的连接在应用SPD中最重要的一点是在SPD接地端的接地和等电位连接。B3：供电系统的设计架空电力线埋地电力线缆兼有架空和埋地的电力线缆虽然埋地电力线缆雷击概率较架空电力线更低，但仍有因埋地电缆附近遭受雷电直接闪击而产生的过电压，对于高阻值土壤电阻率的地区更是这样。在兼有架空和埋地电力线缆的防雷设计中，设计者要进一步进行精确的计算。一般来说，架空线路很长和架设高度较高的线路，风险较大。C：经济损失和业务中断C1：业务量下降或业务损失因雷电灾害损坏设备至使业务工作运转困难或中断造成的损失。如工业自动

30、化控制系统或计算机处理系统，在故障的短时间内改为人工操作是不可能的。C2：经营损失由于计算机、通讯设备等信息系统在瞬态过电压影响下无法使用会造成商业的营运和工业生产的停顿的直接损失。推荐精选C3：设备更换、修理的损失C4：应急系统如火警系统因供电或信号系统中断降低了使用效率。D：安全如果存在着绝缘击穿危及人身安全，那么有必要选用SPD。E：防护所需费用含：设计费、材料费和安装费用。根据以上A、B、C、D、E参数制作的风险估算计算公式正在研究中。2选择SPD的基本原则在低压系统中确定使用SPD后。便是如何选择SPD这个问题了。选用SPD是一系统工程，其基本原则应包含：防护分区、利用分流、划分等级

31、、区分系统和分别安装，简称“五分法”，介绍如下。1）防护分区：在培训班教材之三中，我们已对雷电防护区（LPZ）的概念和实际意义做了说明，其作用之一是便于确定在不同的LPZ交界处SPD的安装位置和估算SPD的不同性能指标。其中在LPZ0与LPZ1区交界处因冲击电流幅值较大（200100kA），持续时间较长（T2为350s），因而要求SPD具有较大的通流能量和最大承受能量（Emax）值，所以应选用开关型SPD，但由于开关型SPD的弱项是响应时间较长和大多带有续流和残压较大等，因此从能量配合角度出发需要在LPZ1和LPZ2区交界处选用SPD2，在敏感电子设备前端选用SPD3SPDn等，其安装位置也就

32、是等电位连接位置基本都在各雷电防护区的交界处，如LPZ2与LPZ3区交界处。在一多层建筑物中，LPZ的划分与SPD的安装位置可参见图5。推荐精选SPD：电涌保护器PZ：保护区LPZ：雷电防护区图52）利用分流：在培训班教材之三中，我们介绍了对进入建筑物的各种设施之间雷电流的分配。图6进一步示意说明了利用外部防雷装置（LPZ）对于分流雷电流起积极作用。在图6示意说明了通过低压配电线路进入建筑物的雷电流仅为全部雷电流的17%，在相线和中性线上各为8.5%。假定该建筑物为第一类防雷建筑物，那么在每一相线或中性线上安装的SPD的放电参数Iimp（最大冲击电流）达到200KA8.5%=17kA20KA（

33、10/350s）即能满足要求。在IEC标准中设定50%的电流通过外部防雷装置泄入地中，余下的50%称In，它平均在实际工作中，不可能计算每次雷击电流的分配，但可以设定有50%的电流通过外部防雷装置泄入地中。余下的50%，称IS，它平均分配于进入建筑物的各种设施（外来导电物、电力线和通信线等），流入每一设施中的电流Ii=IS/n，此处n为上述设施的个数。为估算流经无屏蔽电缆芯线的电流IV，电缆电流Ii要除以芯线数m，即IV = Ii/m。所以，在防雷工程设计时需认真计算分流系数，充分利用分流这一理论，做到在尽可能节约的情况下达到安全防护的目的。SPDSPD图 6 雷击中建筑物外部设施时的电流分布

34、环型接地入地闪击建筑物电流I（100%）墙雷电流分量17%17%等电位连接带金属管（燃气管）相线8.5%8.5%中性线和数为17%49%推荐精选3）划分等级：在IEC61312-1中给出了首次雷击的雷电流参量，首次以后雷击的雷电流参量（后续雷击）和长时间雷击的雷电流参量。（参见培训班教材之一的表1表3）此表中防雷建筑物类别是由建筑物的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果等综合因素考虑而确定的，是在防雷绝对保护与耗费之间取得折衷方案。简单的说：就是对易发生雷电事故，且事故后果严重的重要建筑物在防雷设计中取较大的雷电流参数（如200KA10/350s）。但是这种分类并未考虑到建筑物内部电子

35、设备的复杂性和设备的耐受冲击电流的能力（抗扰性），也未考虑到雷击通过电磁场干扰的屏蔽效力等因子。但是，在目前国内外尚无一比较系统的风险估算方式可以为我们提供一定量计算的方法时，利用GB50057-94建筑物防雷分类并与其它因子相结合，可模糊的选用雷电流参数。至于设计裕度的大小要考虑被保护设备以往的雷击事故历史，也要从一次性投资的经费宽裕程度考虑，4）区分系统：区分系统是指SPD的选择和安装要区分开是在IT还是TT或TN系统。在培训班教材之三中已经详细介绍了低压配电系统中常用的型式（参培训班教材之三的图14及图前文字说明）在选择230/400V三相系统中的电涌保护器时，其接线端的最大连续工作电压

36、Uc不应小于下列规定。推荐精选A. 按图7接线的TT系统中，Uc不应小于1.5Uo。推荐精选1装置的电源；2配电盘；3总接地端或总接地连接带；4电涌保护器（SPD）；5电涌保护器的接地连接，5a或5b；6需要保护的设备；7剩余电流保护器；F电涌保护器制造商指定的保护器（如熔丝、断路器、剩余电流保护器）；RA本装置的接地电阻；RB供电系统的接地电阻；推荐精选图7 TT系统中电涌保护器安装在剩余电流保护器的负荷侧B. 按图8和图9接线的TN和TT系统中，Uc不应小于1.1Uo。推荐精选1装置的电源；2配电盘；3总接地端或总接地连接带；4电涌保护器（SPD）；5电涌保护器的接地连接，5a或5b；6需

37、要保护的设备；F电涌保护器制造商指定的保护器（如熔丝、断路器、剩余电流保护器）；RA本装置的接地电阻；RB供电系统的接地电阻；推荐精选注：当采用TN-C-S或TN-S系统时，在N与PE线连接处电涌保护器用三个，在其以后N与PE线分开处安装电涌保护器时用四个（即在N与PE线间增加一个）。图8 TN系统中的电涌保护器推荐精选1装置的电源；2配电盘；3总接地端或总接地连接带；4电涌保护器（SPD）；4a放电间隙或电涌保护器，它们应能承受电源变压器高压侧碰外壳短路产生的过电压；5电涌保护器的接地连接，5a或5b；6需要保护的设备；7剩余电流保护器，可位于母线的上方或下方；F电涌保护器制造商指定的保护器

38、（如熔丝、断路器、剩余电流保护器）；RA本装置的接地电阻；RB供电系统的接地电阻；推荐精选图9 TT系统中电涌保护器安装在剩余电流保护器的电源侧C. 按图10接线的IT系统中Uc不应小于线间电压U。注：Uo是低压系统相线对中性线的电压，在230/400V三相系统中，Uo=230V。开路或接推荐精选推荐精选1装置的电源；2配电盘；3总接地端或总接地连接带；4电涌保护器（SPD）；5电涌保护器的接地连接，5a或5b；6需要保护的设备；7剩余电流保护器；F电涌保护器制造商指定的保护器（如熔丝、断路器、剩余电流保护器）；RA本装置的接地电阻；RB供电系统的接地电阻；推荐精选图10 IT系统中电涌保护器

39、安装在剩余电流保护器的负荷侧 5）分别安装：在本文参数定义和SPD的分类中，我们已介绍了组成SPD的非线性元件可按其特性分为开关型和箝压型两大类，也可串、并联组成混合型，它们主要有放电间隙、气体放电管和可控硅整流器及压敏电阻雪崩二极管等，常用符号参见图11。各种SPD在浪涌（8/20s）下的响应曲线，见图12。从图12中可以看出开关型与箝压型SPD具有不同的箝位电压和响应曲线，利用混合型采用不同元件和串（并）联方式又能取得新的参数。图11雪崩二极管压敏电阻放电间隙可控整流器并联混合型串联混合型气体放电管箝位电压推荐精选开关型SPD浪涌电压混合型OUTIN图12 各种SPD在浪涌（8/20s）下

40、响应曲线在IEC61024-1-2中指出：要处理脉冲为10/350s的电荷量，相当于8/20s脉冲情况下电荷量的200倍，即：Q（10/350s）=200Q（8/20s）：上式可用图13示意看出，其中脉冲电流曲线包络下的面积即Q值。推荐精选图13从计算公式也可以推导出，在电流幅值相同情况下，不同波形下Q的比值应为：Q（10/350s）=1/0.7IT2Q（8/20s）=1/0.7IT21/0.7IT21/0.7IT235020式中I值相同，T2不同，10/350s的T2为350s，8/20s的T2为20s，分别代入式中，其比值为；Q（10/350s）/Q（8/20s）= = =17.520即要

41、处理10/350s的首次雷击电流，如选用类试验（8/20s波形）的SPD，其额定泄放电流应比铭牌上标出的数值大20倍。在IEC61643-2中特别指出，雷电冲击电流有二个关健性的参数：didt ，雷电流幅值上升速度快，陡度大持续时间，一般用T2表示，如T2=350s时，对类防雷建筑物I=100KA，Qs=idt约为50C。因此，在不同的位置，对不同的设备分别安装SPD是一重要原则。3常规安装要求SPD在低压系统中的选择，安装位置及其所提供的保护可用图14表示。2 振荡现象物入口处1 保护模式3 连接导线的长度安装物入口处4 附加保护的需要安装物入口处5 SPD的安装位置取决于试验类型6 雷电防

42、护区的概念SPD的连接线尽可能短和直在入口处安装一个SPD1后，第二个 SPD2应靠近设备安装SPD安装在雷电防护区（LPZ）的交界处处尽可能安装在建筑物入口处安装应靠近被保护设备、类试验的SPD可用于入口处，、类试验的SPD可用于安装在靠近设备处图14 SPD的安装位置及其所提供的保护推荐精选对于固定式SPD，常规安装应遵循下述步骤： 1）确定放电电流路径 2）标记在设备终端引起的额外电压降的导线，见图15.1和15.2。 说明：在图15中， Ures是、类SPD的残压或更一般地说是限制电压。 3）为避免不必要的感应回路，应标记每一设备的 PE导体，图15.3、15.4和16。说明：如果不可

43、能进行单一接地则需要两个SPD(如图15.4所示)。使回路最小设备设备若UW1和UW2足够短则合格（4）（2）（1）推荐精选合格方式合格方式合格方式（3）图15 单口SPD的安装方式（合格方式） 4）设备与SPD之间建立等电位连接。 5）要进行多级SPD的能量协调 为了限制安装后的保护部分和不受保护的设备部分之间感应耦合，需进行一定测量。能通过感应源与牺牲电路的分离、回路角度的选择和闭合回路区域的限制能降低互感，见图15。当载流分量导线是闭合回路的一部分时，由于此导线接近电路而使回路和感应电压而减少。见图16。一般来说，将被保护导线和没被保护的导线分开比较好，而且，应该与接地线分开。同时，为了

44、避免动力电缆和通信电缆之间的瞬态正交耦合，应该进行必要的测量。 与防护距离有关的振荡效应当 SPD1用来保护设备或安装在输入口配电盘上却不能对某些设备提供足够的保护时， SPD2的安装位置应该尽可能地靠近被保护的设备。如果距离太远，可能会在终端设备上产生2倍于 Up甚至更高的振荡电压，尽管对设备使用了 SPD保护，但这个振荡电压仍会使（e）（d）（c）（b）（a）图16 安装合格或不合格的例示电感耦合不合格的方法负载上游下游合格负载电缆的外护层与芯线使d/dt 0设备最好的方法小回路产生的d/dt 较小设备较好的方法大回路区di/dt产生的d/dt 较大设备合格但不够好的方法推荐精选设备发生损

45、坏（见图17）。合理的距离（又称防护距离）与 SPD类型、系统类型、进入的浪涌源的陡度和波形及相连的负载有关。特别是在设备相当于高阻负载或设备内部发生脱离可能出现电压倍增。为了解释此现象，图18给出了这类情况下出现电压倍增的一个例子。被保护设备C物理图解若干米（10m） L r SPD浪涌浪涌CL rU电气设计图U=kU由r决定的L与C之间的振荡，使设备终端UkUk值取决于各种参数，在设备为高阻时k2图17 SPD与被保护设备之间可能出现的振荡SPD推荐精选 一般认为距离小于10米时不会产生振荡，图18说明即使距离为10米，也有可能产生电压倍增，但只有负载为纯电容时才有可能发生。有时设备有内部

46、保护元件（如压敏电阻），即使距离较远，振荡也会显著减少。此时应注意SPD与设备内部保护元件的协调。 说明：一般来说，仅在靠近被保护设备处安装一个 SPD是不够的。由于电磁兼容原因（为避免浪涌电压产生的电磁干扰，最好在入口处进行分流）和为了对设备进行保护（避免导线之间的闪络），最好在设备的入口处安装 SPD。如果设备不在入口处安装的 SPD的保护范围内，有必要在靠近设备处另行安装一个SPD，此时也应考虑其协调性。 说明：这种现象可以通过由与浪涌频率和导线长度相关的振荡和行波来解释。 连接线长度的影响 为获得最佳过压保护应使SPD的连接导线尽可能短。如导线太长将引起SPD电压降，为提供有效的保护有

47、必要降低安装于此的 SPD的保护等级。转移至设备的残压为由 SPD上和导线上感应电压的总和。这两种电压不一定同时达到峰值。出于实用的目的，一般情况下，它们可以相加。图19说明连接线的感应如何导致SPD残压的增加。图19 b)表示脉冲发生器先加在金属氧化物压敏电阻然后通过几米连接导线后的结果。设备终端电压SPD终端电压（残压）推荐精选10m导线冲击电源5kA（8/20s）电容：5F起负载作用SPD（MOV）图18 电压倍增图示导线长度l1和l2对应的电感建议使用的方式A、B两点的电压为SPD的终端电压（残压）与由于导线l1、l2产生电压降之和尽可能避免的方式bSPD的终端电压合格的设计冲击电流推

48、荐精选图19 与SPD连接导线对SPD的影响 一般假设导线感抗为1Hm。当脉冲陡度为1kAs，导线上感应电压降接近1kVm，而且，如果 didt陡度更大时，感应电压值将增加。在可能情况下，当这种感抗的影响被认为是由于环路的分离而显著减小时，最好选用方案c)；当方案c)不能采用时，则采用方案d)，尽可能避免采用方案a)。注意：如果回流线与进线是通过紧凑接线方式磁耦合，感抗将减小。需要附加保护之处 当建筑物进线处浪涌电压较低时，在靠近进线处安装一个SPD便行。但在某些特殊情况下，例如安装了非常敏感的设备（电子设备，计算机）或这些需要保护的设备离安装在入口处的 SPD太远、在建筑物内由于雷电放电和内

49、部干扰源而产生电磁场时，有必要在靠近被保护设备处或设备内部安装附加的SPD。 电源系统和信号网络线进入防护区时，应彼此靠近并连接在同一金属物上，实现等电位连接，这一点对由非屏蔽金属（如木材、砖混结构）建筑物尤为重要。要考虑系统中多数被保护的电子敏感设备的耐压水平。对安装在设备最近处的 SPD，必须使其UP值至少低于设备耐压值的20。假定安装在进线处的SPD在保护范围内，如果进线处的 SPD的 UPl乘以一个过压因子后低于UP2，那么，只能使用进线处的SPD。（见图20）图20 需要附合设备的情况推荐精选 说明：用户应注意设备的抗扰性可按IEC6l000-4-5标准，用混合波发生器进行试验得出。

50、在这种情况下，低阻抗设备的抗扰性不只是根据耐压UW来定义，且部分浪涌电流通过设备分流，需设计一合理的协调。 在建筑物内部当可能出现一些高能量的开关浪涌（投切过电压）时，此时需安装附加SPD。五、SPD应具备的功能和附加要求1SPD的基本功能对于正常工作状态下的低压系统，安装后的SPD不应对系统和系统装置内的设备工作特性有明显的影响。对于出现浪涌等非正常工作状态的低压系统，SPD应及时对浪涌作出反应，通过SPD能限制瞬态过电压和分走电涌电流的特性，将过电压降到IEC60664-1规定的各类别位置设备耐冲击过电压额定值以下。对于经历了非正常状态的低压系统，即经过浪涌后恢复正常状态的SPD，应恢复其

51、高阻抗特性，并采取措施防止或抑制电力线上的续流。2使用SPD的附加要求 1)对直接接触进行保护。 SPD应以这种方式安装：安装在不可接触的范围内或对直接接触采取保护（如安置隔离设备）。 2)发生 SPD失效事件的安全性。当浪涌电压超过设计的最大承受能力和放电电流容量时， SPD可能会失效或被损坏。 SPD的失效模式大致分为开路和短路两种方式。 处于开路模式时，被保护设备将不再受保护。这时，因为对系统本身几乎不会产生影响，很难发现 SPD己失效。为了保证在下一浪涌到来之前，能将失效的SPD替换掉，必须要求SPD具备指示失效的功能。推荐精选处于短路模式时，系统出于 SPD的失效而受到严重影响。短路

52、电流由配电系统流向失效的 SPD。因为失效的 SPD通常并未完全短路且有一定阻抗，在开路前将产生热能引起燃烧。在这种情况下，被保护系统没有合适的器件使其与失效的SPD发生脱离，此时，对处于短路失效模式的SPD要求安装一个合适的脱离装置。（断路器）3SPD的选择步骤1 选择Uc、UT及最大浪涌能力3 SPD寿命和失效模式2 保护距离4 SPD与其它外部设备的关系UCUCSSPD的安装位置SPD与防过电流装置间的配合正常状态故障状态5电压保护水平UP的选择6考虑SPD之间的能量配合IC不会涉及到人身安全，不会对设备产生故障SPD不干扰其它器件或线路开关在In防过电流设备不动作；在Imax防过电流设

53、备动作，且不会产生任何损伤；考虑被保护设备的承受浪涌能力和配电系统的额定电压UTUTOV一般来说，SPD的选择有如下六个步骤：说明如下：A：Uc、UT和Ic关于Uc在不同供电系统中的取值已在本文中说明。UT是SPD能承受的短时过电压值，在理论上是一直线。但在实际中常因一些值（电源频率、直流过压）可能随时间变化，使得在一定的时间间隔内（一般在0.05秒到10秒间），会超过最大连续工作电压Uc，因此选用UT值应考虑大于UTOV。但事实上，要求一个SPD既要有较高的耐短时过电压能力同时又能提供低保护等级不可能的，只有比较而舍取，或采用多级保护。推荐精选当外加连续工作电压Uc时，通过SPD的最大连续工

54、作电流值为Ic。为避免过电流保护设备或其它保护设备（如RCD）不必要动作，Ic值的选择非常有用。Ic的选择可参看“五分法”的利用分流来确定。B保护距离主要指SPD的安装位置。一般SPD应安装在低压供电系统在建筑物的入口处多指在变压器的低压侧（特别说明：在公共配电系统中安装SPD必须取得公共配电系统管理部门如供电局的批准）的配电盘上。当配电盘与用电设备距离较远或用电设备需要多重保护时，SPD2、SPD3应尽可能的靠近被保护设备并在防雷区交界处做等电位连接。CSPD的寿命和失效模式SPD的寿命是指其在使用期限内耐受规定的冲击能力。由于浪涌类型及浪涌出现的频率不同，SPD的寿命可以很长也可以很短。事

55、实上，如果一个最大放电电流Imax为20KA（820s）的 SPD，在安装几秒钟后便遭受了一个30KA（820s）的雷击电流，这个SPD可能会损坏!这种情况下，SPD的实际使用寿命只有几秒钟!这种极端的情况说明预期寿命只可能是通过标准化测试得到的，而由厂家提供的预期使用寿命没有任何保证。唯一可能的途径是进行寿命长短的比较。在先前的例子中，两个最大放电电流分别为10KA和20KA（820s）的SPD在几秒钟后都将会损坏，但一般来说，第二个SPD的寿命应该比第一个SPD的寿命长。一般应选择在标准老化试验条件下，测试SPD是否老化，而选用来老化的 SPD。另外还需考虑 UTOV、预计的雷击浪涌及与其

56、它 SPD的协调，这样即使在 SPD失效时也能保证安全。失效模式取决于浪涌类型。很容易选择到失效时开路(直接地或通过脱离装置)的 SPD，而选择一个失效时短路的 SPD却很困难。无论采用何种类型，为避免发生供电电源扰动或中断，必须考虑 SPD与上游备用防护装置之间的配合。 失效模式的作用： 如果SPD的失效模式是开路(由SPD本身的非线性元件形成或由与SPD串联的内部或外部断路器与供电电源短路所形成)，则供电电源的连续性在SPD失效的情况下被保证。然而，推荐精选应特别注意在电源的后备保护动作前 SPD的脱离能力。 SPD的断路器和后备电源的保护的协调关系应作更认真的考查。对与电源在线相连的二端

57、口 SPD或一端口 SPD，一个内部脱离装置可提供电源的连续性或不依赖于断路器在SPD中的位置，如图21所示。DD图21 双口SPD的脱离装置a）b）D为脱离装置线路串联阻抗SPD如果没有使用失效指示灯(遥控或本地)给断路器送信号，则用户将不会注意到设备己不再受保护，此时更容易感应浪涌进入。这种解决方法的主要优点是系统仍处于通电状态，其缺点是系统不再受保护。为了避免由于脱离而不再受保护，将装有断路器的 SPD并联使用是可行的，见图22。如果SPD的失效模式是短路(由 SPD本身引起或由一附加设备引起)那么，电源供电将由于系统的后备保护而中断。这种解决方法的优点是系统受到保护，主要缺点是系统不再

58、被供电。 除非，制造商申明一种特定的失效模式，（即假设 SPD能承受上述两种失效模式)，这时为了得到仅只一种失效模式(短路或开路情况)，一般可使用附加设备(如过电流断路器)。DSPDDSPDDSPDD图22 SPD并联使用D为脱离装置推荐精选 模糊状态是在 SPD的失效过程中出现的一个短时间的状态。为了产生一个明确的状态(短路或开路)，需要更多的附加设备(如热脱离装置)。 备注：文献IEC60364-4-41(防触电保护)对应用安全原则作了描述。DSPD与其它外部设备的关系在正常状态下Ic应不会造成对任何人身安全危害（非直接接触）或设备故障（如RCD）。一般情况下对RCD，Ic应小于额定残压电流值（In）的1/3。如果SPD安装在RCD（或熔断器、断路器）的负荷侧，则不能对由于浪涌引起的障碍跳闸，无意识动作或设备损坏提供任何保护。在故障状态下，为了不引起SPD与其它器件（如RCD，断路器等）相互干扰，SPD应配有必要的脱离装置。SPD与防过电流装置间的配合应达到在额定放电电流In下，过电流设备不动作（断路器未断开或熔丝未融化）。但当电流很