浅谈低压电源线路电涌保护器的选型与设置

卢卫星 程传军 周岳建

(1．乐清市气象局，浙江 乐清325600;2．南阳市防雷中心，河南 南阳473000)

0 引言

随着现代化水平的不断提高，建筑物内安装的电子信息设备和计算机设备越来越多，电子信息设备一般工作电压较低，耐压水平也很低，极易受到雷电电磁脉冲的危害，由电力线路遭受雷击感生、传导高电压可能威胁着电气设备，造成电脑及网络系统故障、通讯传输中断或数据丢失、设备或器件受损和失效等。因此设有信息系统设备的建筑物，除应考虑防直击雷措施外，还应考虑雷电电磁脉冲的防护措施。雷电防护是一个系统工程，内部防护和外部防护同等重要，外部防护技术已基本成熟，内部防护也正在快速发展，SPD已经成为内部防护的重要组成部分，如何选择与设置显得尤为重要，只有针对不同用途的建筑、不同的供电系统特点，依据相关国家标准，才能合理选择SPD品牌与技术参数、科学设置SPD位置。

1 确定需设置SPD防护对象的等级

建筑物内是否需要设置SPD?首先应该根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000版)第2章第2．0．1条“建筑物应根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，以及建筑物其防雷类别的划分条款，《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB 50343-2009相关条款对应分析后确定防雷类别;同时应用《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB 50343-2009相关条款、附录A用于建筑物电子信息系统简易雷击风险评估的N和Nc的计算方法与《雷电防护第2部分：风险管理》GB/T 21714．2-2008引言部分：“影响建筑物以及服务设施的年平均雷击次数既取决于所处地区的地闪密度，又取决于它们的尺寸、性质和所处环境。雷电损害概率既取决于所采取的保护措施的类型和效能，还取决于建筑物、服务设施以及雷电流的特性。”等条款;摸清建筑物的规模和雷电环境，建筑物外部防雷措施，室内需保护的电气、电子系统的重要性等因素，进行雷电电涌风险分析评估后，确定建筑物内是否需要设置SPD。如建筑物内必须设置电涌保护器，确定具体的设置等级。如：

等级A：大型计算中心、大型通信枢纽、国家金融中心、银行总(分)行、机场、大型港口、火车枢纽站等;甲级安全防范系统，如国家文物、档案库的闭路电视监控和报警系统;大型电子医疗设备、五星级宾馆。

等级B：中型计算中心、银行支行、中型通信枢纽、移动通信基站、大型体育场(馆)监控系统、证券中心;乙级安全防范系统，如省级文物、档案库的闭路电视监控和报警系统;雷达站、微波站、高速公路监控和收费系统;中型电子医疗设备;四星级宾馆。

等级C：小型通信枢纽、电信局。大中型有线电视系统;三星级以下宾馆;除上述A，B级以外一般用途的电子信息设备。

此外对于不同的行业尚需以行业防雷技术规范为主要参考依据。

2 电涌保护器材料结构分类

SPD的功能是限制瞬态过电压和分走电涌电流，它至少含有一非线性元件。按SPD的功能结构可分为以下几种类型。

2．1 开关(限流)型(又称间隙型)SPD

其内部常用元件是放电间隙、充气放电管、闸流管类型。如图1所示。因间隙两端不连通，所以平常状态呈(开路)高阻抗状态，无漏流，且阻抗不因加在其两端的电压变化而变化。当所加电压达到设定的点火电压值时，点火并拉弧放电;当两端的电压降低但大于维持电压时，仍然维持放电(续流);当两端的电压低于其维持电压时，放电停止，重新恢复成高阻抗状态。该类SPD具备疏导10/350 μs的雷击电涌电流功效，一般用在建筑物LPZ0B-LPZ1区的电源系统。

2．2 限压型(又称箝位型)SPD

电压限制型(又称箝位型)：内部常用元件是压敏电阻、抑制二极管等非线性元件，如图2所示。平常状态时呈高阻抗截止状态，其阻抗随加在两端电压的增加而缓慢减小，当所加电压增加到压敏动作电压时，瞬时转变成低阻抗(导通状态)。当其两端的电压低于其设定值时，停止导通，重新恢复成高阻抗状态。限压型防雷器因其芯片原材料纯度、制造工艺、配方等不同而不同程度地存在漏电流，且呈正温度系数变化。该类SPD具备疏导8/20 μs的雷击电涌电流功效，一般用在建筑物LPZ1区和LPZ2区的电源系统。

2．3 组合型SPD

由电压开关型组件和限压型组件串联、并联或串并联组合而成。串连时，阻抗特性与电压开关型相同，如图3所示;并联时，阻抗特性与电压限制型相同，如图4所示;串并联时若干路有间隙型元件则阻抗特性同电压开关型，若干路无间隙型元件则阻抗特性同电压限制型。可以显示为电压开关型或限压型或这两者都有的特性，这决定于所加的电压的特性。视通流容量应用在不同的防雷区域。

3 SPD的技术参数选择

依据相关防雷技术规范，必须对SPD技术参数进行选择，如：电压保护水平Up、最大持续运行电压Uc、标称导通电压Un(动作电压)、额定通流容量In、最大通流容量Imax(或冲击电流Iimp)等参数根据具体情况进行选用。还必须考虑使用环境、供电电压的波动等因素。

3．1 电压保护水平(Up)的选择

SPD必需能承受预期通过它们的雷电流，并应符合以下两个附加要求：通过电涌时的最大钳压，有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流。电压保护水平必须小于如表1各类设备耐冲击过电压额定值。

3．2 持续运行电压(Uc)选择

可以持续施加于SPD的最大交流有效值电压或最大直流电压，持续工作电压的选择需根据不同的供电系统制式选择相应的规定值。如：按GB 50057-2000版图6．4．5-1接线的TT系统 Uc≥1．55Uo;按图 6．4．5-2 和图 6．4．5-3接线的 TN 和 TT 系统 Uc≥1．15Uo;按图6．4．5-4接线的IT系统Uc≥1．15Uo;压敏SPD标称导通电压Un(动作电压)≥2．2Uo;其中Uo=220 V。另外，石化系统及电压波动频繁的场所尚需加大10%的余量。

表1 230/400 V配电系统各类设备耐冲击过电压额定值

3．3 SPD的雷击冲击电流Iimp及标称放电电流In的选择

在LPZ0A或LPZ0B区与LPZ1区交界处，在从室外引来的线路上安装的SPD，应选用符合Ⅰ级分类试验的产品。应按GB50057-2000规范的第6．3．4条的规定确定通过 SPD的10/350μs雷电流幅值。当线路有屏蔽时，通过每个SPD的雷电流可按上述确定的雷电流的30%考虑。以上述得出的雷电流作为Iimp来选用SPD。

当按上述要求选用配电线路的SPD时，其标称放电电流In不宜小于15 kA。在建筑物电气装置中使用SPD限制从电源系统传来的大气瞬态过电压(由间接的，远处的雷击引起的)和操作过电压时，可选用Ⅱ级分类试验的SPD及必要时加装Ⅲ级分类试验的SPD。Ⅱ级、Ⅲ级分类试验的SPD的标称放电电流In应符合技术规范要求参数。

4 SPD在低压电源系统中的布局

SPD在低压电源线路设置布局，一般可按照上述1部分防护对象的等级，视防护对象设备的重要程度、发生雷击事故严重程度等将防护设置SPD分为A，B，C，D 4个等级。

A级：在低压系统中采取3～4级SPD进行保护。

B级：在低压系统中采取2～3级SPD进行保护。

C级：在低压系统中采取2级 SPD进行保护。

D级：在低压系统中不少于1级或以上SPD进行保护。

也就是在重要电气、电子设备输入端和机房电源设备输入端装设电压保护水平与入口级相等的SPD，具有可能带电开断的较长的电源分支线段(多芯电缆或穿金属管的线路＞40 m，散线＞30 m)的分支处，或当机房有屏蔽时在电源线路进入机房处，宜装设中间级SPD。其电压保护水平不大于2．5 kV，位置可在分支所在楼层的配电箱处。如入口级的Up不大于1．5 kV，在入口级和设备级之间的线路上无论距离多长、有无分支线均不需装设中间级SPD。如设备级SPD离入口级的距离小于10 m，应要求入口级的电压保护水平低于设备级的电压保护水平，或在设备级前串入解耦器。SPD设置布局示例如图5所示。

图5 SPD布局设计示例简图

另外，由于石化系统是防雷、防火的重点部门，在石化系统的建(构)筑内，有些环境都存在气体，一旦发生火花将导致燃烧、爆炸的可能，因此，可能产生火花的间隙SPD是不允许使用的，千万须牢记。仅允许设置压敏电阻类型的SPD，其模式如图6(b)所示为4模块接线法，必要时使用防爆型SPD。

5 SPD前置空开设置与连接线问题

5．1 SPD前置空开设置

低压电源线路设置SPD，当雷击电磁脉冲传导入侵电源线路时，科学合理设计的SPD将能及时响应发生瞬态对地短路，将雷电流泄放入地。但那些设置在低压配电线路的SPD(多数为ZnO压敏材料)在线长期运行，一方面抗御雷击脉冲的侵扰，另一方面也在自然老化;一旦所使用的ZnO压敏材料的SPD处于劣化状态，其压敏电阻可导致温度升高，引起压敏电阻热崩溃，从而导致漏电流增大且防护功能失效。一旦雷电入侵产生的过电流如果造成对地短路时间达到几个ms，将造成电源线路跳闸引起系统供电中断;因此，设置附加的SPD连接线路必须自设过电流保护装置(如熔断器或空气断路器)，那么，当雷击过程万一引起过流时，让SPD连接线路自设的过电流保护装置先动作，以不影响正常供电为妥。空开的具体选择为保护空开(或保险丝)的标称电流不应大于前级供电线路空开(或保险丝)的1/1．6倍。

5．2 SPD连接线长度问题

SPD设置中其两端的连接线(含：接地线)，连接的导线要尽可能短而直，以短于0．5 m为理想。因为导线的电感分量关乎SPD的效能，假定电器设备耐压为2．5 kV，SPD的电压保护水平Up≤1．5 kV，接线方式如图7所示，如SPD两端连接导线长1．5 m，而导线上的电压降为：雷击脉冲上升速率((雷电流陡度di/dt)以1 kV/μs计)乘以导线单位长度电感(以1 μH/m计)再乘以导线单位长度(假设有1．5 m)再加上SPD的电压保护水平(Up=1．5 kV)：

由于UAB=3．0 kV，大于被保护设备的耐压(2．5 kV)，可能导致设备的绝缘被击穿而损坏。

6 结语

SPD的选择与设置应根据建筑物其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，摸清建筑物的规模和雷电环境，建筑物外部防雷措施，室内需保护的电气、电子系统的重要性等因素，首先进行雷电电涌风险分析评估，再严格按照规范要求，且应以行业防雷技术规范为主要参考依据，根据实际情况需要，熟悉SPD预期寿命，选择相关技术参数。SPD选型与设置应做到安全可靠、技术先进、经济合理。

［1］ 机械工业部．建筑物防雷设计规范GB 50057-94(2000年版)［S］．北京：中国计划出版社，2000．

［2］ 四川省建设厅．建筑物电子信息系统防雷技术规范GB 50343—2009［S］．北京：中国建筑工业出版社，2009．

［3］ 全国雷电防护标准化技术委员会．雷电防护第2部分：风险管理 GB/T 21714．2-2008［S］．北京：中国标准出版社，2008．

［4］ 信息产业部邮电设计院．通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范YD/T5098-2001［S］．北京邮电大学出版社，2001．

［5］ 国家能源局．电子设备防雷技术导则DL/T 381-2010［S］．北京：中国电力出版社，2010．