低压配电系统浪涌保护器（SPD）设计现状及方法

曾峰

摘 要：防雷设计的强制性条文规定，建筑物应设置防直击雷的外部防雷装置，并采取一定的防闪电电涌侵入措施。而安装浪涌保护器（Surge Protection Device，简称SPD）是防止闪电电涌侵入的主要措施之一。结合浪涌保护器的设计现状及存在问题，提出了较为完善的低压配电系统浪涌保护器的设计方法，以期为相关单位提供参考。

关键词：防雷装置；浪涌保护器；电磁干扰；电子信息系统

中图分类号：TM862 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.111

随着信息技术的发展，电子信息系统被广泛应用于建筑物内部。但是这些系统普遍具有绝缘强度低、过电压和电流耐受能力差、对雷击所引发的电磁干扰敏感等特点。某些电子设备一旦遭受闪电电涌的侵害，则会失去效用，严重时将永久损坏，进而导致电子信息系统瘫痪。浪涌保护器是电子设备雷电防护中不可缺少的装置之一，能保护相关设备或系统不被破坏，应用领域十分广泛。但因我国防雷工程的设计和施工水平参差不齐，导致一些不规范的浪涌保护器被安装于建筑中。因此，本文对现行模式化的浪涌保护器设计存在的问题进行了分析和研究，并提出了较为完善的低压配电系统浪涌保护器的设计方法，以期进一步保障建筑物电子信息系统的安全。

1 浪涌保护器的设计现状

1.1 设计依据

目前，浪涌保护器设计的主要依据为《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB 50343—1994）。该标准适用于电子信息系统防雷的设计、施工、验收和管理，明确规定了电子信息系统雷电防护等级的分级标准和浪涌保护器的设置位置、型号。

1.2 设计参数

建筑物防雷装置的设计应与建筑物主体设计同步，且浪涌保护器应作为安全电器安装于电气系统中。在设计时，设计人员应根据GB 50343—1994确定建筑物电子信息系统的防雷等级。

本文以某民用建筑为例，该建筑物电子信息系统的雷电防护等级为D级。表1为该建筑中浪涌保护器的安装位置及其标准放电电流。

1.3 存在问题

虽然上述模板化的浪涌保护器的设计方法简单易行，但却未考虑到建筑物的特点、所处雷电环境、浪涌保护器的能量配合及其参数，难以真正实现科学、合理的设计目标。因此，最终生成的施工图存在以下问题：①确定冲击电流（放电电流）的方法仅考虑了建筑物的特性，未有效分析雷电环境。②浪涌保护器的设计仅注重了冲击电流的选取，忽略了最大持续工作

电压、电压保护值等重要参数。③在浪涌保护器的设计中，虽然设定了第I级和第Ⅱ级浪涌保护器的放电电流均≥50 kA，但未考虑两级间的距离和配合方法。④未考虑浪涌保护器的有效保护距离。如果浪涌保护器与设备的距离过远，则雷击电流可能通过回路产生振荡，形成反射雷击电流，进而导致浪涌保护器两端的过电压超过电压保护范围。

2 浪涌保护器的优化设计方法

2.1 参考依据

在设计工作中，设计人员应根据《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010）、《雷电防护》（IEC62305）和《低压配电系统的电涌保护器（SPD）第12部分：选择和使用导则》（GB/T 18802.12—2006）等相关标准，综合考虑浪涌保护器的设计要求，并运用最先进的技术完善现有浪涌保护器的设计方法。

2.2 设计步骤

浪涌保护器的设计要点包括浪涌保护器配电箱的位置、浪涌保护器的主要参数。

2.2.1 雷电环境分析

设计人员应分析建筑物所在位置的闪电定位资料，计算该区域的年平均落雷密度和雷电流峰值。在上述所举的例子中，2000—2010年建筑物附近3 km×3 km范围内的年平均落雷密度为1.06次/km2，雷电流峰值为267.2 kA。

2.2.2 建筑特性分析

浪涌保护器的设计必须在全面了解建筑物特性的基础上，与建筑物的整体设计同步进行。建筑物的特性包括建筑规模（长、宽、高），供电制式，入户线路的敷设方式、规格、型号，配电箱的位置，重要设备的位置、数量，配电系统中设备绝缘的耐冲击电压。

2.2.3 第I级浪涌保护器的基本参数

在本文所举的例子中，应安装开关型浪涌保护器，其冲击电流Iimp由雷电流峰值和入户线路的情况决定，最大持续运行电压UC由配电系统的供电制式决定，电压保护水平Up由被保护设备的最大耐受电压决定。

冲击电流Iimp为浪涌保护器能承受的最大电流。如果入户的线缆为无屏蔽线缆，则：

Iimp=0.5I/nm. （1）

式（1）中：I为雷电流幅值，为保障浪涌保护器能泄放项目所在位置所有可能通过的雷电流，此处应选取年雷电流峰值；n为入户线缆数；m为芯线数量。

屏蔽电缆可通过以下公式计算：

Iimp=0.5IRs/n（mRs+Rc）. （2）

式（2）中：Rs为屏蔽层单位长度的电阻；Rc为芯线单位长度电阻。

最大持续运行电压UC为可能持续施加于浪涌保护器的最大均方根电压或直流电压，且等于浪涌保护器的额定电压。在计算UC时，要保证其能满足回路中电源电压不平衡和不稳定的实际需求。在TN系统中，UC应大于1.1倍的系统供电相电压，即>242 V。

电压保护水平Up为后续保护的限制电压。因此，应考虑有效的电压保护水平，即在保证浪涌保护器连接线长度<0.5 m的前提下，留有20%的余量，其计算公式为：

Up/f=1.2Up. （3）

因此，设计人员在设计中应保证：

Up/f

2.2.4 浪涌保护器配电箱的位置

从原则上讲，浪涌保护器的配电箱应设置于两防雷分区的交界处，且对于所有由外引入的电气线路，均应在低压总配电箱处安装第I级浪涌保护器。

2.2.5 有效保护距离

有效保护距离是浪涌保护器与设备间线路的最长距离，在此段距离内，浪涌保护器能有效保护设备。因此，保护距离应取因震荡现象而形成的保护距离或因感应现象而形成的保护距离中的较小值。

对于因振荡现象而形成的保护距离Lpo，当线路长度>10 m或UP>UW/2时：

LPO=[UW-UP]/K（m）. （5）

式（5）中：K=25（V/m）。

因感应现象而形成的保护距离Lpi的计算公式为：

LPi=[UW-UP]/H. （6）

式（6）中：H=30 000×KS1×KS2×KS3；KS1为与建筑物内的屏蔽在LPS或LPZ0/1临界处产生的屏蔽效应有关的因子，KS1=0.12ω（ω为栅格空间屏蔽的尺寸）；KS2为与建筑物内的屏蔽在LPZ1/2临界处产生的屏蔽效应有关的因子，计算方法同KS1；KS3为随内部线路而变化的系数。

如果被保护设备在第I级浪涌保护器的保护范围内，则第I级浪涌保护器可起到保护设备的作用；如果被保护设备在第I级浪涌保护器的保护范围外，则应考虑安装第II级和第III级浪涌保护器。在上述所举的例子中，可安装限压型浪涌保护器，虽然其对雷电流的泄放能力低于第I级浪涌保护器，但可持续工作电压和电压保护水平的确定方法可参照按第I级浪涌保护器的基本参数。

2.2.6 能量配合

为了保证多级浪涌保护器间的有效配合，实现逐级泄放雷电流的目标，开关型浪涌保护器与限压型浪涌保护器的距离应>15 m，限压级浪涌保护器之间的距离应>5 m。如果无法满足上述要求，则应增设集中电感作为等效电阻。

此外，在确定了浪涌保护器配电箱的安装位置、电压保护水平满足系统要求的情况下，如果没有其他特殊规定，则要从浪涌保护器的正常状态、故障状态两方面考虑其是否会对其他设备造成影响。在浪涌保护器正常运行的情况下，应确保最大持续工作电流IC不会引发任何设备故障，即IC应小于与之配合的剩余电流保护器额定剩余动作电流的1/3；在浪涌保护器故障的情况下，为了不影响其他设备的运行，应加设必要的脱离装置。

设计好的浪涌保护器的各项指标均满足系统的要求后，则可出图、制作。虽然浪涌保护器可加入电气系统的图纸中，但应明确其参数要求，并附上建筑物供电系统下的浪涌保护器安装示意图。

3 结束语

综上所述，配电系统中的设备常遭到雷电过电压和雷击电磁脉冲的破坏，因此，尽快解决建筑物电子信息系统的雷电灾害防护问题十分重要。随着相关法律法规、技术标准的不断完善，浪涌保护器的设计、安装日渐规范化，已成为建筑物防雷工程中不可或缺的重要组成部分之一。本文分析了浪涌保护器的设计现状、存在问题，并在此基础上，综合考虑了浪涌保护器的设计要求，完善了设计方法，以期提升建筑物电子信息系统的防雷减灾效果。

参考文献

[1]高春宇.电涌保护器SPD在低压配电系统中的应用[J].工程建设与设计，2008（01）.

[2]巫观发，朱夺标.低压配电系统浪涌保护器（SPD）设置的级间配合问题[J].江西建材，2014（09）.

〔编辑：张思楠〕