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1、电涌保护器的选用和安装 摘要 本文介绍了电涌保护器的基本类型,阐述了电涌保护器的电压保护水平、通流容量、最大持续运行电压三个主要参数的重要性、基本概念、术语、相关标准和确定这些参数应注意的事项，指出电涌保护器的安装应注意的问题。可作为电气、电子设备电涌保护设计的基础。关键词 电压保护水平 电涌保护器 选用 安装引言 低压电网有三类过电压：雷电引起的过电压、操作过电压及工频过电压。其中雷电过电压破坏性最大，会造成设备介电强度下降，电子器件损坏，使保护装置和监控系统误动作，造成停电，停机，停产等事故,特别是金融、航空、通信、计算中心及微电子生产等行业由雷电造成的危害尤为严重。 目前，常见的建筑物总
2、体防雷电电磁脉冲措施应包括：接闪、分流、屏蔽、接地和等电位连结等，同时建筑物内的电源线，通讯线需要通过电涌保护器（以下简称 SPD）与等电位 连接，确保建筑物中的电子信息设备和计算机的安全。它的基本作用是：防止雷电时地电位升高反击、雷电侵入行波、限制设备端口上的雷电感应、限制操作过电压、进行综合的最后把关。1 电涌保护器(SPD)的分类及主要技术数据1.1电涌保护器(SPD)的分类从工作原理和性能上，电涌保护器(SPD)分三类：电压开关型SPD无电涌出现时为高阻抗，当出现电压电涌时突变为低阻抗。通常采用放电间隙、充气放电管、闸流管和三端双向可控硅元件作这类SPD的组件。有时称这类SPD为“短路
3、开关型”SPD。它的特点是放电能力强，但残压较高，一般安装在LPZ0与LPZ1的交界处。限压型SPD无电涌出现时为高阻抗，随着电涌电流和电压的增加，阻抗跟着连续变小。通常采用压敏电阻、抑制二极管作这类SPD的组件。有时称这类SPD为“钳压型”SPD。它的特点是响应迅速，残压小，但放电电流较小，一般安装在建筑物内。组合型SPD由电压开关型组件和限压型组件组合而成，利用限压型组件对浪涌响应速度非常快的特点，在一般雷电过电压的保护时，由它承受浪涌电流，其In可达1020KA；若遇到较大量级的雷电过电压，第一级由限压型组件组成的电路保险管可自动断开，由第二级电压开关型组件进行雷电过电压保护，作为组合型
4、SPD，其电压型组件能承受冲击电流容量一般大于100KA。1.2电涌保护器(SPD)的参数1.2.1电压类参数：电压保护水平Up、最大持续运行电压Uc。电压保护水平Up：表示雷电流下SPD能将端子间的电压限制到什么数值。对电压开关型SPD ，Up是指规定雷电流波形下最大放电电压。对限压型SPD，Up指规定雷电流下的最大残压。需澄清“残压”的概念：“残压”是指雷电流通过SPD时两端出现的最大电压，他对开关型SPD没有意义，因为电压开关型SPD在间隙击穿后，雷电流通过SPD时两端的电压很低（只有几十伏），其上的最大电压恰恰出现在击穿以前。对限压SPD，残压还不是保护水平，将标称放电电流In下的残压
5、向下靠一个优选值；才能限压型SPD的Up值；最大持续运行电压Uc，反映SPD长期在工作电压作用下不损坏的能力；Up和Uc的关系：不论哪种类型的SPD，只能限制瞬态过电压，这是因为瞬态过电压峰值虽很高，但持续时间极短（us、ms级），通过SPD的能量有限。然而电网中还有暂态过电压（TOV）,它是电网自身运行、异常、故障等引起，虽然其幅值较瞬态过电压低，但持续时间较瞬态过电长的多（几个周期波到几秒，甚至更长），所以能量大。对MOV等限压型SPD，TOM轻则加速老化，重则加热直到损坏、短路、爆炸。对间隙电压开关型SPD虽无老化问题，但是如在TOV下击穿而击穿后不能自动熄弧，也会爆炸。所以选用SPD的
6、最大持续运行电压Uc过低是不安全的，过高则SPD瞬态下的动作电压抬高，保护效果就变差；1.2.2电流类参数：标称放电电流In，最大放电电流Imax，冲击放电电流Iimp。SPD的通流容量，本应以其能够承受的最大雷电流能量来表征，但在工程上方便起见，近似地用规定波形的最大雷电放电电流代替。标称放电电流In：通过SPD的8/20us 电流波形峰值电流，用于对SPD做1级和2级分类实验的预处理，即按不同的标准，施加15-20次（IEC规定是15次）；最大放电电流Imax：通过SPD的8/20us电流波的峰值电流，用于2级分类试验，先用In做预处理试验后，再用Imax施加1-2次，IEC是1次；冲击放
7、电电流Iimp:用于SPD的1级分类试验。用In做预处理后，再用冲击放电电流Iimp施加1-2次（IEC是1次）。冲击试验是时不仅要求用10/350波形，而且电流包含的电荷量应为Q=0.5Ipeak(其中Ipeak是Iimp的峰值)，而且Q应在10ms内通过。从以上三种电流参数的定义可以看出，三者的数值相差很大，测试电流波形和要求通过的次数也不同。对一个MOV型SPD来讲，其Imax约为2-3倍的In，Iimp则小的多。1.2.3其他参数残压Ures ：当冲击电流通过SPD时，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
8、残压比概念。残压比一班应小于3，越小则表征SPD性能指数越好。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Uas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。 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。它比最大持续操作电压Uc要大。泄漏电流Ic：指SPD在不导通下的泄漏电流。Ic1mA响应时间T0：SPD的响应时间是一个很重要参数，因为当浪涌电
9、压到来时，要求SPD能迅速响应，将电流尽快地泄放到地中，保护电器设备的安全。2电源SPD的选择2.1SPD的保护模式 SPD保护元件可以连接在相对相、相对地、相对中线、中线对地及其组合。这些连接方式称作保护模式。过电压通常以共模和差模两种干扰方式干扰电网，共模方式过电压在带电导体(或中性线)和大地之间产生；差模过电压在带电导体之间产生。前者保护的是两个输入端之间的电路和器件本身，后者保护的是设备内接于相与相之间的器件。2.2 确定SPD的电流、电压参数 2.2.1电流参数：通流量IimpSPD选型涉及到的第一个问题就是其通流量大小选择,是根据所要保护的建筑物防雷类别,1类选200kA,2类选1
10、50kA,3类选100kA,以及进入建筑物的外来导电电力线路和通信线的根数和绝缘状况,评估可能遭受的雷电流。假设全部雷电流(10/350s)的50%流入被保护建筑物的外部防雷装置,电流的其余50%(用Is表示)进入建筑物的各种外来导电物,电力线和通讯线等。流入每一个支路的电流(用Ii表示)为Is/n,其中n为外来导电物、电力线、通讯线的根数。在实际操作中,应注意:对民用性质的建筑物,通讯线数不考虑列入n计算,考虑到电力线的屏蔽效果,IEC规定为0.5,国标为0.3,雷电流参数是根据建筑物防雷类别来选择。以2类建筑物为例,在遭受雷击情况下,假设220V市电引入,即只有2条(L:pen)则每根导线
11、上要承受25kA的感应电流,若是屏蔽线则250.5=12.5kA即在LPZ0/X的界面处选用15kA的SPD(10/350s)的浪涌保护器。In的选用一定要根据SPD安装的位置和分类试验的类别来确定，对于LPZ0和LPZ1交界处(即总进线柜处)安装的SPD，要根据产品的试验波形进行换算。举例如下： 根据建筑物防雷设计规范(GB50057-94 2000年版)附录六，单位能量： WR(1/2)(I0.7)I2T2 (J/) 式中：I一雷电流幅值(A) T2一半峰值时间(s) 在单位能量相同时，设10350s为I1和T2(1)，820s为I2和T2(2)，则： I1I2(T2(2)T1(1)1/2
12、I24.18 若I240KA，则I19.56KA。 即耐受820s波形40KA的SPD，实际上只能耐受10350s下的9.56KA的通流容量，两者相差近5倍。所以，在In的选用时，不止要看通流量大小，还要看它的试验波形。 一般情况下In、Iimp可按表1进行选择表1电流参数In、IimpSPD安装位置要求安装I级分类实验的SPD线路第二级第三级通流容量接线形式Iimp（kA）每模块In(kA)每模块In(kA)每模块In(kA)每模块共模接线12.51553“3+1”接线L-PE12.51553N-PE506020122.2.2 电压类参数：最大持续运行电压Uc、电压保护水平UpSPD的最大持
13、续运行电压Uc是可持续施加于SPD上的最大交流方均根电压或直流电压，它应大于低压网络内可能出现的工频过电压，其值应按接地系统的类型来确定。TN系统Uc1.15Uo，在TNCS系统中SPD装设于相线和PE线之间，在TNS系统中中性线和PE线间也需装设SPD(由附设变电所供电的TNS系统内不需装设)。因TN系统中PE线自回路的中性线引出，当回路因种种原因对地电位升高时SPD承受的电压仍是不变的相电压，所以在TN系统中SPD需躲过的工频过电压是相电压的正偏差。我国规定220V网络的正偏差不大于7%，但一些电压质量差的地区都大大超过此值，再加上SPD老化的因素，我国取Uc1.15Uo，此处Uo为相电压
14、。TT系统- Uc1.55Uo 当TT系统发生一相接地故障时，故障相对地电位降低，另两相非故障对地电位则升高而导致对地过电压，此过电压幅度与变电所接地电阻和故障点接地电阻的比值有关，其值一般不超过Uo的50，SPD的Uc应躲过此持续过电压，为此取Uc1.55UoSPD电压保护水平Up具体数值的确定按设备安装位置、重要性、设备冲击耐受水平而定。各标准对此要求有所不同,也要充分利用SPD新产品性能。现在市场上已出现电压保护水平在115kV的金属氧化物电阻SPD和触发型间隙SPD（参见表2）。由于设备的重要性和抗扰度要求程度的不同以及设备的老化,各SPD尤其是设备旁的SPD,电压保护水平应低于其保护
15、范围内被保护设备的冲击耐受水平。对很重要的设备要求裕度大于20%。当一组SPD的Up达不到保护水平时,应增加安装符合能量配合要求的匹配效果好的SPD来达到设备要求的水平,SPD的响应时间要求在s级(10-9s)。表2电压保护水平要求说明SPD第一级/kVSPD中间级/kVSPD设备级/kV冲击耐受水平IEC60654-142.51.5紧凑配合满足上行要求42.51.5有裕度配合应大于20%3.22.01.2利用新产品一般情况低电压保护水平产品1.51.51.5需要注意，必须有效保证不会因工频过压而烧毁电涌保护器。因为SPD是防瞬态过电压(s级)，工频过电压(ms级)是属于暂态过电压，工频过电压
16、的能量是瞬态过电压的能量的几百倍。所以会烧毁电涌保护器，因此，选择SPD时应注意选择较高工频工作电压的保护器。为了保护负载免受雷击过电压的危害，必须考虑以下参数： 被保护设备耐冲击电压值SPD电压保护水平值UPSPD限制电压值SPDlmA直流参考电压值SPD最高持续电压值电源最大故障过压值电网正常波动值。2.3 电涌保护器上端短路保护器件选择 各级电涌保护应接在相应的断路器熔断器的负载端。一般可以根据不同的产品要求选择不同的保护方式及保护器件的型号规格。当电涌保护器制造商没有上端熔断器的具体配置建议时，则按表3选择。 表3 电涌保护器上端保护器件选择电涌保护器最大放电电流100kA70kA45
17、kA30kA15kA电涌保护器上端熔断器额定电流选择200A150A100A60A30A3.电涌保护器安装时注意的几个问题3.1 电涌保护器安装场所 安装在LPZ0区与LPZ1区交界处的第一级SPD应安装符合IEC616431所规定的I级分类试验的产品。应能荷载相应的直击雷电流(10350s波形)并能在交界处将这些电流的大部分导走。计算出每个SPD通过的雷电流，使所选SPD的Ipeak大于此值。当线路有屏蔽时，通过SPD的雷电流可按计算的雷电流的30。对每一保护模式，SPD的雷击冲击电流Iimp通路不应小于12.5kA。建议安装位置：总电源进线处，如变压器低压侧或总配电柜处，及引至室外照明线路
18、或动力线路的配电箱内。 安装在LPZ1区与LPZ2区交界面处的第二级SPD应考虑由雷电流引发的电磁场的作用及进一步降低第一级避雷器的残压。应安装符合IEC616431所规定的II级分类试验的产品。SPD的标称放电电流对每一保护模式通路不宜小于820s，5kA。 安装在LPZ2区与其后续防雷区交界面处的第三级SPD应考虑由雷电流引发的电磁场的作用及进一步降低第二级避雷器的残压，并应具有防操作过电压功能。应安装符合IEC616431所规定的III级分类试验的产品。SPD的标称放电电流对每一保护模式通路不宜小于8/20s，3kA。 第一、二、三级SPD均应符合以下两个附加要求：通过电涌时的最大箝压。
19、有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流。最大电涌电压，即电涌保护器的最大钳压Up加上其两端引线的感应电压Ul应与所属系统的基本绝缘水平和设备允许的最大电涌电压相一致，即:Up+Ul设备耐冲击过电压水平。(2)当上述安装的SPD电压保护水平加上其两端引线的感应电压保护不了后续配电盘供电的设备时，应在该级配电盘安装第二级SPD(一般为限压型)，其位置一般设在LPZl区和LPZ2区交界面处。建议安装位置：安装于下端带有大量弱电、信息系统设备或需限制哲态过电压的设备的配电箱内，如：楼层配电箱、计算机中心、电信机房、电梯控制室、有线电视机房、楼字自控室、保安监控中心、消防中心、工业自控室、变频设备控制室
20、、医院手术室及监护室等场所的配电箱内。对于需要将瞬态过电压限制在特定水平的设备(尤其是信息系统设备)，宜考虑在该设备前安装具有防操作过电压和防感应雷双重功能的第三级SPD(一般为浪涌吸收器)，其位置一般设在LPZ2区和其后续防雷区交界面处。建议安装位置：计算机设备、信息设备、电子设备及控制设备前或最近的插座箱内。七层及以上中、高层住宅应在照明、动力总配电箱内安装第一级SPD，并宜在引至室外照明或动力线路的配电箱内安装第二级SPD。中、高层住宅在工程档次较高及造价允许的情况下宜在住户配电箱内安装第三级SPD。六层及以下的住宅应在照明总配电箱内安装一级SPD，分散型小别墅应将SPD安装在住户配电箱
21、内。考虑到经济性及安全性两方面的因素，对安装SPD的住宅有以下要求：进线一级的SPD应选择残压低的产品(如Up1.5kV)以减少保护级数。配电干线应穿金属管或金属线槽敷设，采用电缆配线时应沿钢筋混凝土结构的电缆竖井敷设。住户内插座支路的配线宜穿金属管敷设。3.2 SPD的级联问题 在多级保护中,次级保护的残压要求比初级低,其动作电压也将低于初级保护,这就带来初、次级保护的协调问题。如果次级保护先于初级动作,将可能抑制初级保护的动作而使次级保护承受所有的浪涌能量,导致保护的失败。一般电压开关型SPD与限压型SPD之间线落长度不宜小于10m，限压型SPD之间的线路长度不宜小于5m，否则中间应加装退
22、耦器。当进线端的SPD与被保护电气设备之间的距离大于30时,应在离被保护设备尽可能近的地方安装另一个SPD;反之,如果不增加一级保护,由于电缆距离较长,SPD的残压加上电缆感应电压仍可能损坏设备,不能起到保护作用。在大楼低压配电室电源输入总开关后并联安装一组高能量电涌保护器，作为一级保护；在楼层配电箱的断路器后并联安装一组能量稍低的电涌保护器，作为二级保护；在电源终端配电箱的空气开关后并联安装一组能量较低的、动作电压也较低的电涌保护器，作为三级保护；对于重要的设备，如服务器(主机)、程控交换机等可在设备的供电部分加装第四级电涌保护器，作为精细保护。通过以上四级保护，就能很好地把过电压钳制到设备
23、可以承受的范围。最大限度的减少雷电灾害3.3 SPD与漏电保护装置RCD的配合 限压型SPD为压敏电阻器件，正常泄漏电流很小，但泄漏电流会随雷击冲击次数的增加而增加，当通过SPD的电流超过一定值时，有可能器件内部短路，造成系统故障或因上级RCD故障造成人身触电事故。为保证重要负荷不问断供电，电源进线应选动作值为300500mA或采用延时跳闸的漏电保护装置，以躲过雷电流的干扰，对下级漏电保护设备(RCD)应保证漏电保护的选择性跳闸。器件因发热而性能劣化，在选SPD时应考虑带失效指示，必须在它的上端接漏电保护设备并及时切除损坏的SPD。 带漏电保护功能的断路器的RCD安装在SPD的电源侧， 或RC
24、D则安装在SPD的负荷侧，这是IEC标准IEC60364534(过电压保护器的选用和安装)的规定。我国GB5005794的局部修订条文也有相同规定。这一规定是必要的。SPD不同于断路器之类的保护电器，它即使是新品也有微量的泄漏电流。随着时间的报移，此泄漏电流逐渐增大，最终导致失效而寿命终了。所以维护管理人员发现SPD显示“失效”标志时应及时更换备品，否则SPD的对地导通将成为接地故障，故障电流在接地电阻和接地引线上的电压降将使PE线带故障电压而引起间接接触电击危险。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TN系统防接地电弧火灾的RCD。有放电间隙的隔
25、离，SPD的失效不导致接地故障，所以可将RCD装设在SPD的负荷侧，以避免电源进线处大幅值的雷电泄放电流不必要地通过RCD的零序电流互感器。 IEC标准对电源进线处RCD和SPD的安装要求做出专门的规定，说明国际上对建筑物电源进线处安装RCD的重视。不少人对RCD防接地电弧火灾的作用表示赞同，但对在建筑物电源进线处安装RCD则有顾虑，担心全建筑物泄漏电流过大，RCD跳间引起全建筑物停电。这不无道理，但国外的同行没有这个顾虑，这是因为建筑物电源进线通常是三相回路，三相RCD检测出的正常泄漏电流是矢量相加而非算术相加。它要比全建筑物正常泄漏电流总和要小得多。另外，电源进线处RCD的额定动作电流并非
26、限定为500mA，500mA只是接地电弧能量不足以引燃起火的最大电弧电流值，而非安装RCD的最大允许动作电流值。实际上引燃起火的电弧电流是以若干安计算的(包括TT、TN系统的接地电弧电流)。IEC的RCD产品标准规定RCD的额定动作电流的优选值500mA以上的还有1A,3A直到20A。指导RCD选用安装的IEE技术报告(IEC6120053(开关设备和控制设备的选用和安装)举例推荐大型建筑物可设三级RCD，电源进线处的额定动作电流值为1A，以对全建筑物进行防护，并避免过大泄漏电流引起的跳闸。还需说明，RCD不正常跳闸的原因是很多的，例如中性线和PE线接反，被RCD保护的回路的中性线又串接至其他
27、回路等，应用仪表查出其真实原因后对症下药，加以改正，以免做出错误的判断，影响RCD作用的发挥。现在SPD在电源进线处的装用又对该处RCD的安装提出新的要求，应按有关规范要求正确安装，避免在建筑物中留下事故隐患。4 结论 目前，浪涌保护技术的发展动向主要是提高压敏电阻的性能，包括提高电阻片的电位梯度、降低ZnO压敏电阻片的残压比，提高单位体积的能量耐受能力，提高长期老化性能，以及大力发展新型氧化锌线性电阻浪涌保护器。我国电子设备浪涌保护器的发展比电力设备浪涌保护器还很落后，现在市场上比较好的浪涌保护器基本上是从国外进口的价格非常昂贵。电子元器件是我国今后十五年的发展重心如果相应配套的保护器跟不上
28、，会影响电子器件的发展，因此研究国产的性能优越、价格适合的电子设备浪涌保护已经刻不容缓。研究保护性能好、价格适中的电子设备浪涌保护器是信息社会高度发展的必然要求。参考文献 1 建筑物防雷设计规范(GB5005794 2000年版) 2 建筑物防雷设计规范第六章建筑电气2002No43 GB18801.12002，低压配电系统的电涌保护器4 王厚余低压配电系统的接地建筑电气，1998.17(2):612selection and installation of SPD （Department of Electrical engineering,Nanjing Institute of meteo
29、rology, china 210044）Abstract: The author in this article introduces the major technique date of surge protective device，and three main parameters of surge protective device，namely voltage protective level，current deverting capacity and maximum continous operating voltage，were expounded，including it is significance，concept，term，relative standards and selection method，to be the foundation of power side surge protective design of electrical and electronic equipments.Keywords: Voltage protection level；surge protective device；Choise；installlation 7