低压配电系统接地型式对SPD选型的要求

傅春华+吕海勇+王涪德+雷雨云

摘 要：文章介绍了不同低压配电系统接地型式的特点及表征SPD性能的相关特性参数，并分析在不同接地型式下对SPD选型的相关要求，以期在建筑物防雷设计及施工过程中对选择适配的SPD起到一定的指导作用，避免选用错误的SPD导致危险的发生。

关键词：电涌保护器；低压配电系统；接地型式

引言

SPD（电涌保护器）作为一种限制瞬态过电压和分泄电涌电流的非线性器件，在建筑物及其电子信息系统的防雷中应用广泛。为防止由反击造成人身伤亡及电气电子设备损坏，《建筑物防雷设计规范》中强制规定要在低压电源线路引入的总配电箱、配电柜处装设Ⅰ级试验的电涌保护器[1]。然而在设计或安装过程中，由于工作人员没能根据电气系统接地型式的特点合理地选择SPD或对SPD的特性不了解等，导致所安装的SPD不起作用或造成低压配电系统的误动作，影响了电气系统的正常运行。作者经过长期的实践工作，总结出低压配电系统接地型式的应用特点及其与SPD选型之间应注意的要点，希望对从事建筑物及其电子信息系统雷电防护工作的人员起到一定的指导作用。

1 低压配电系统的接地型式

低压配电系统根据电源端与地的关系以及电气装置的外露可导电部分与地的关系可以分为TN、TT、IT三种系统[2-3]。

1.1 TN系统

TN系统根据中性导体与保护导体的组合情况，又可以分为TN-C，TN-S及TN-C-S三种。

（1）TN-C系统（见图1）

目前我国广泛采用这一系统 ，整个系统的中性导体和保护导体是合一的，但该系统当PEN线中断时，设备金属外壳对地将带220V以上的故障电压，危险性大。而且PEN线因通过中性线电流产生电压降，从而使所接设备的金属外壳对地带电位，此电位对电子设备产生干扰，也可能在爆炸危险环境内产生危险火花放电，故现在很少采用。

图1 TN-C系统

（2）TN-S（见图2）

电源变压器中性点接地，整个系统的中性导体和保护导体是分开的，PE线正常情况下不通过电流，也不带电位，它只在发生故障时通过故障电流，因而正常情况下不会产生干扰电流影响电子设备正常运行，是一种比较好的低压配电系统。各种计算机信息系统一般采用该制式，而且要求单独引线。缺点是初期相对投入相对较高，若相对地短路的时候，对地面故障电压也高。

图2

（3）TN-C-S系统（见图3）

这种系统目前在我国采用最广泛。系统中一部分线路的中性线路的中性导体和保护导体是合一的，一旦PEN导体与N和PE分开后，N与PE导体不应重新连接在一起。一般用于住宅建筑或一般工业企业。

图3 TN-C-S系统

1.2 TT系统

该系统（见图4）电源端有一点直接接地，电气装置的外露可导电部分直接接地，此接地点在电气上独立于电源的接地点，电源侧和各个装置出现故障电压不互窜。但发生接地故障时因故障回路内包含两个接地电阻，故障回路阻抗较大，通过电流小，不易引起电气保护装置动作，增加了人体触电的危险，因而须加装RCD（剩余电流保护器）。TT系统可适用于农村居住区、市电用户和分散的民用建筑及对接地要求高的设备场所。

图4 TT系统

1.3 IT系统

该系统（见图5）电源端的带电部分不接地或有一点通过阻抗接地，电气装置的外露可导电部分直接接地，在发生接地故障时由于不具备故障电流返回电源通路，其故障电流小，对地电压低，不致引发事故，供电安全性好，可靠性高。一般用于不允许停电的场所或煤矿、化工厂、纺织厂等不良环境。由于它一般不引出中性线，不能提供照明、控制等所需的220V电源，且其故障防护和维护管理较复杂，供电距离不宜过长，加之其他原因，IT系统的应用受到限制。

图5 IT系统

2 SPD的选型要求

SPD的全称为Surge Protective Device，也即电涌保护器，它一般由一个或几个具有非线性特征的元件组成。这种非线性元件一般又可分为开关型和限压型两种，常用的开关型电涌保护器元件主要有放电间隙、气体放电管、晶闸管和三端双向可控硅元件；限压型电涌保护器则通常采用压敏电阻或抑制二极管作为其主要元件。图6为采用ZnO压敏电阻作为主要元件的限压型电涌保护器的典型U-I特性曲线，通过该特性曲线可以知道，当流过SPD的电流在1mA至In（一般为几kA）范围内，SPD两端的电压被限制在Um范围内，只要Um足够小，便可以保护后面的设备。

图6 ZnO压敏Ures-I典型曲线

2.1 SPD的特性参数

表征SPD的特性参数有很多，这里选择相对比较重要的一些参数进行分析，这些参数往往在设计阶段对SPD的选型起决定性作用。

（1）Uc：最大持续工作电压

Uc是允许持久地施加在SPD上的最大交流电压有效值或直流电压。一个适配的SPD的Uc值必须考虑该SPD所处电力系统的最大持续工作电压Ucs，并且Uc要大于Ucs。

（2）Iimp、In或Imax：冲击电流、标称放电电流或最大放电电流

这三种放电电流是针对不同型式试验类型下流过SPD的电流峰值：Iimp用于表征流过SPD具有10/350波形的冲击电流，它由电流峰值Ipeak、电荷量Q及比能量W/R确定，一般用于Ⅰ级试验的SPD分类试验；In是流过SPD具有8/20波形的电流峰值，用于Ⅱ级试验的SPD分类试验以及Ⅰ级、Ⅱ级试验的预处理试验；Imax则是流过SPD具有8/20波形的电流峰值，其值按Ⅱ级动作负载的程序确定，Imax大于In。

（3）型式试验类型

型式试验是在一种新的SPD设计完成时所进行的试验，一般用来证明它符合有关标准并确定其典型性能。型式试验一般可以分为Ⅰ级试验、Ⅱ级试验、Ⅲ级试验，通常也用T1、T2、T3来表示。

（4）Up：电压保护水平

Up是SPD非常重要的一个参数，它用于表征SPD限制接线端子间电压的能力，其值从优选值的列表中选择。Up、Ures（残压）、Um（限制电压）、Uc之间一般符合下列关系：Up>Ures≥Um>Uc。

除上述四个主要特性参数外，表征SPD性能的还有诸如If（续流）、Ures（残压）、UT（暂时过电压）、保护模式、失效模式、短路电流耐受能力等，这些都是在选择适配的SPD时需要考虑的。

2.2 不同接地型式对SPD的要求

由于各类低压配电系统接地型式的不同特点，在设计SPD时必须考虑相关参数能否满足低压配电系统接地型式的要求。如果选择不当，所安装的SPD不能真正起到限制瞬态过电压和泄放电涌电流的功能，相反，有时甚至会因为不当的SPD接入导致低压配电系统运行的不稳定和误动作，甚至危及生命。

2.2.1 Uc值的选择

对大多数SPD来说，当暂时过电压持续时间超过5s时被认为永久性电压。因此， Uc的选择应根据正常条件和超过5s的故障条件（暂时过电压）来确定。

在正常条件下，在相线和中线之间SPD的Uc应比Ucs高（通常Ucs取1.10U0，即10%的电压调整率，如果考虑由于SPD的老化和其它不正常状况，再增加5%的系数，取1.15U0）；在相线与相线之间，Ucs为■U0，此时Uc应取1.10■U0；在相地之间或中线与地之间，Uc取1.10U0。

然而，在选择接在相和地之间SPD的Uc时，必需考虑到故障条件，以避免损坏过多的SPD。TT和TN系统在接地故障条件下，相和地间的电压可能会超过Ucs，这是由于高压系统或低压系统的故障条件下，电压最大幅值取决于接地。Uc的选择应根据故障条件下给定的实际电压值。另外，用一个足够高的Uc去保证系统故障时不损坏SPD是不现实的，因为这会使得SPD的电压保护水平变得很差。一个合适的Uc值通常独立于系统布局，比1.5U0高。

不同低压配电系统接地型式下Uc的取值可参考表1：

表1 Uc在不同保护模式下的取值

注a：在某些情况下（如中线断线）可能需要较高的值

2.2.2 UT值的选择

SPD在其寿命期内会受到比电力系统最大持续工作电压（Ucs）更高的暂时过电压UTOV的影响，UT（暂时过电压）就是用来定义SPD在UTOV下的特性。由于不同电力系统实际产生的暂时过电压（UTOV）各有差异，在选择SPD时需同时考虑UT和UTOV随时间变化的特性。表2是IEC60364-4-44给出的低压电网中预期的UTOV最大值。

表2 IEC 60364-4-44给出的最大TOV值

电涌保护器UT值的选择须符合下列要求：即当发生故障时，UT值应比设备上预期产生的暂时过电压UTOV高：UT>UTOV。SPD的UT与UTOV的关系可以如图7所示[3]：

注：a LV装置故障时（短路），在TT、TN和IT系统相 - 中线之间的UTOV，LV区域；

b LV装置故障时（偶然接地），IT（TT）系统相 - 地之间的UTOV，LV作用区域和TT和LV装置故障时（中线断线），TN系统相 - 中线之间UTOV，LV的区域；

c 当HV系统发生故障时，在TT和IT系统中，用户端相 - 中线之间UTOV，HV的最大值；d 未定义区域。

■ SPD的UT值。

图7 UT和UTOV的关系

需要注意的是，并不是所有的SPD都具有TOV耐受能力。在TOV值很大的情况下，很难找到一个可以对设备提供电涌保护的SPD，这时可以考虑在一个不能耐受该TOV过电压的SPD前面使用一个合适的断路器。

2.2.3 保护模式问题

一般情况下，电涌保护器的安装模式可以为L-L，L-N，L-PE，N-PE等。对于入户处安装的第一级SPD而言，大部分都选择L-PE的保护模式。然而，在TT系统中安装的SPD必须注意当SPD安装在RCD（剩余电流保护器）前方的情况下，SPD的保护模式必须采用3P+N的模式，也即采用L-N，N-PE的模式，如图8所示[4]。

图8 TT系统中SPD安装在RCD前方

3 结束语

在建筑物及其内部电子信息系统防雷保护中，选择适配的SPD是很重要的。在选择适配的SPD时，除了要考虑SPD的安装位置、电压保护水平UP、通流容量及与被保护设备的能量配合等问题外，针对不同接地型式的低压配电系统时，还应考虑不同保护模式下的最大持续运行电压UC、耐受暂时过电压的能力UT以及在某些特殊情况下SPD保护模式的选择，这些参数的选择需要根据不同低压配电系统的接地型式视情况而定。如果选择不当，所安装的SPD不但不能起到应有的保护作用，相反还会带来不可预见的故障和生命危险，这些都是在建筑物防雷设计与施工中应该注意的问题。

参考文献

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50057-2010.建筑物防雷设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2011（8）：24-25

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB 14050-2008.系统接地的型式及安全技术要求[Z]. 北京：中国标准出版社，2009（1）：2-5

作者简介：傅春华（1981-），男，工程师，研究方向为雷电防护及检测技术。

（4）Up：电压保护水平

Up是SPD非常重要的一个参数，它用于表征SPD限制接线端子间电压的能力，其值从优选值的列表中选择。Up、Ures（残压）、Um（限制电压）、Uc之间一般符合下列关系：Up>Ures≥Um>Uc。

除上述四个主要特性参数外，表征SPD性能的还有诸如If（续流）、Ures（残压）、UT（暂时过电压）、保护模式、失效模式、短路电流耐受能力等，这些都是在选择适配的SPD时需要考虑的。

2.2 不同接地型式对SPD的要求

由于各类低压配电系统接地型式的不同特点，在设计SPD时必须考虑相关参数能否满足低压配电系统接地型式的要求。如果选择不当，所安装的SPD不能真正起到限制瞬态过电压和泄放电涌电流的功能，相反，有时甚至会因为不当的SPD接入导致低压配电系统运行的不稳定和误动作，甚至危及生命。

2.2.1 Uc值的选择

对大多数SPD来说，当暂时过电压持续时间超过5s时被认为永久性电压。因此， Uc的选择应根据正常条件和超过5s的故障条件（暂时过电压）来确定。

在正常条件下，在相线和中线之间SPD的Uc应比Ucs高（通常Ucs取1.10U0，即10%的电压调整率，如果考虑由于SPD的老化和其它不正常状况，再增加5%的系数，取1.15U0）；在相线与相线之间，Ucs为■U0，此时Uc应取1.10■U0；在相地之间或中线与地之间，Uc取1.10U0。

然而，在选择接在相和地之间SPD的Uc时，必需考虑到故障条件，以避免损坏过多的SPD。TT和TN系统在接地故障条件下，相和地间的电压可能会超过Ucs，这是由于高压系统或低压系统的故障条件下，电压最大幅值取决于接地。Uc的选择应根据故障条件下给定的实际电压值。另外，用一个足够高的Uc去保证系统故障时不损坏SPD是不现实的，因为这会使得SPD的电压保护水平变得很差。一个合适的Uc值通常独立于系统布局，比1.5U0高。

不同低压配电系统接地型式下Uc的取值可参考表1：

表1 Uc在不同保护模式下的取值

注a：在某些情况下（如中线断线）可能需要较高的值

2.2.2 UT值的选择

SPD在其寿命期内会受到比电力系统最大持续工作电压（Ucs）更高的暂时过电压UTOV的影响，UT（暂时过电压）就是用来定义SPD在UTOV下的特性。由于不同电力系统实际产生的暂时过电压（UTOV）各有差异，在选择SPD时需同时考虑UT和UTOV随时间变化的特性。表2是IEC60364-4-44给出的低压电网中预期的UTOV最大值。

表2 IEC 60364-4-44给出的最大TOV值

电涌保护器UT值的选择须符合下列要求：即当发生故障时，UT值应比设备上预期产生的暂时过电压UTOV高：UT>UTOV。SPD的UT与UTOV的关系可以如图7所示[3]：

注：a LV装置故障时（短路），在TT、TN和IT系统相 - 中线之间的UTOV，LV区域；

b LV装置故障时（偶然接地），IT（TT）系统相 - 地之间的UTOV，LV作用区域和TT和LV装置故障时（中线断线），TN系统相 - 中线之间UTOV，LV的区域；

c 当HV系统发生故障时，在TT和IT系统中，用户端相 - 中线之间UTOV，HV的最大值；d 未定义区域。

■ SPD的UT值。

图7 UT和UTOV的关系

需要注意的是，并不是所有的SPD都具有TOV耐受能力。在TOV值很大的情况下，很难找到一个可以对设备提供电涌保护的SPD，这时可以考虑在一个不能耐受该TOV过电压的SPD前面使用一个合适的断路器。

2.2.3 保护模式问题

一般情况下，电涌保护器的安装模式可以为L-L，L-N，L-PE，N-PE等。对于入户处安装的第一级SPD而言，大部分都选择L-PE的保护模式。然而，在TT系统中安装的SPD必须注意当SPD安装在RCD（剩余电流保护器）前方的情况下，SPD的保护模式必须采用3P+N的模式，也即采用L-N，N-PE的模式，如图8所示[4]。

图8 TT系统中SPD安装在RCD前方

3 结束语

在建筑物及其内部电子信息系统防雷保护中，选择适配的SPD是很重要的。在选择适配的SPD时，除了要考虑SPD的安装位置、电压保护水平UP、通流容量及与被保护设备的能量配合等问题外，针对不同接地型式的低压配电系统时，还应考虑不同保护模式下的最大持续运行电压UC、耐受暂时过电压的能力UT以及在某些特殊情况下SPD保护模式的选择，这些参数的选择需要根据不同低压配电系统的接地型式视情况而定。如果选择不当，所安装的SPD不但不能起到应有的保护作用，相反还会带来不可预见的故障和生命危险，这些都是在建筑物防雷设计与施工中应该注意的问题。

参考文献

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50057-2010.建筑物防雷设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2011（8）：24-25

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB 14050-2008.系统接地的型式及安全技术要求[Z]. 北京：中国标准出版社，2009（1）：2-5

作者简介：傅春华（1981-），男，工程师，研究方向为雷电防护及检测技术。

（4）Up：电压保护水平

Up是SPD非常重要的一个参数，它用于表征SPD限制接线端子间电压的能力，其值从优选值的列表中选择。Up、Ures（残压）、Um（限制电压）、Uc之间一般符合下列关系：Up>Ures≥Um>Uc。

除上述四个主要特性参数外，表征SPD性能的还有诸如If（续流）、Ures（残压）、UT（暂时过电压）、保护模式、失效模式、短路电流耐受能力等，这些都是在选择适配的SPD时需要考虑的。

2.2 不同接地型式对SPD的要求

由于各类低压配电系统接地型式的不同特点，在设计SPD时必须考虑相关参数能否满足低压配电系统接地型式的要求。如果选择不当，所安装的SPD不能真正起到限制瞬态过电压和泄放电涌电流的功能，相反，有时甚至会因为不当的SPD接入导致低压配电系统运行的不稳定和误动作，甚至危及生命。

2.2.1 Uc值的选择

对大多数SPD来说，当暂时过电压持续时间超过5s时被认为永久性电压。因此， Uc的选择应根据正常条件和超过5s的故障条件（暂时过电压）来确定。

在正常条件下，在相线和中线之间SPD的Uc应比Ucs高（通常Ucs取1.10U0，即10%的电压调整率，如果考虑由于SPD的老化和其它不正常状况，再增加5%的系数，取1.15U0）；在相线与相线之间，Ucs为■U0，此时Uc应取1.10■U0；在相地之间或中线与地之间，Uc取1.10U0。

然而，在选择接在相和地之间SPD的Uc时，必需考虑到故障条件，以避免损坏过多的SPD。TT和TN系统在接地故障条件下，相和地间的电压可能会超过Ucs，这是由于高压系统或低压系统的故障条件下，电压最大幅值取决于接地。Uc的选择应根据故障条件下给定的实际电压值。另外，用一个足够高的Uc去保证系统故障时不损坏SPD是不现实的，因为这会使得SPD的电压保护水平变得很差。一个合适的Uc值通常独立于系统布局，比1.5U0高。

不同低压配电系统接地型式下Uc的取值可参考表1：

表1 Uc在不同保护模式下的取值

注a：在某些情况下（如中线断线）可能需要较高的值

2.2.2 UT值的选择

SPD在其寿命期内会受到比电力系统最大持续工作电压（Ucs）更高的暂时过电压UTOV的影响，UT（暂时过电压）就是用来定义SPD在UTOV下的特性。由于不同电力系统实际产生的暂时过电压（UTOV）各有差异，在选择SPD时需同时考虑UT和UTOV随时间变化的特性。表2是IEC60364-4-44给出的低压电网中预期的UTOV最大值。

表2 IEC 60364-4-44给出的最大TOV值

电涌保护器UT值的选择须符合下列要求：即当发生故障时，UT值应比设备上预期产生的暂时过电压UTOV高：UT>UTOV。SPD的UT与UTOV的关系可以如图7所示[3]：

注：a LV装置故障时（短路），在TT、TN和IT系统相 - 中线之间的UTOV，LV区域；

b LV装置故障时（偶然接地），IT（TT）系统相 - 地之间的UTOV，LV作用区域和TT和LV装置故障时（中线断线），TN系统相 - 中线之间UTOV，LV的区域；

c 当HV系统发生故障时，在TT和IT系统中，用户端相 - 中线之间UTOV，HV的最大值；d 未定义区域。

■ SPD的UT值。

图7 UT和UTOV的关系

需要注意的是，并不是所有的SPD都具有TOV耐受能力。在TOV值很大的情况下，很难找到一个可以对设备提供电涌保护的SPD，这时可以考虑在一个不能耐受该TOV过电压的SPD前面使用一个合适的断路器。

2.2.3 保护模式问题

一般情况下，电涌保护器的安装模式可以为L-L，L-N，L-PE，N-PE等。对于入户处安装的第一级SPD而言，大部分都选择L-PE的保护模式。然而，在TT系统中安装的SPD必须注意当SPD安装在RCD（剩余电流保护器）前方的情况下，SPD的保护模式必须采用3P+N的模式，也即采用L-N，N-PE的模式，如图8所示[4]。

图8 TT系统中SPD安装在RCD前方

3 结束语

在建筑物及其内部电子信息系统防雷保护中，选择适配的SPD是很重要的。在选择适配的SPD时，除了要考虑SPD的安装位置、电压保护水平UP、通流容量及与被保护设备的能量配合等问题外，针对不同接地型式的低压配电系统时，还应考虑不同保护模式下的最大持续运行电压UC、耐受暂时过电压的能力UT以及在某些特殊情况下SPD保护模式的选择，这些参数的选择需要根据不同低压配电系统的接地型式视情况而定。如果选择不当，所安装的SPD不但不能起到应有的保护作用，相反还会带来不可预见的故障和生命危险，这些都是在建筑物防雷设计与施工中应该注意的问题。

参考文献

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50057-2010.建筑物防雷设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2011（8）：24-25

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB 14050-2008.系统接地的型式及安全技术要求[Z]. 北京：中国标准出版社，2009（1）：2-5

作者简介：傅春华（1981-），男，工程师，研究方向为雷电防护及检测技术。