加油站电涌保护器（SPD）的选型策略研究

季芬琴 廖晓婷 陈州川

（福建省泉州市气象局,福建 泉州 362000）

一般情况下，未做屏蔽的架空线路的感应电压可以达到10～20 kV。若3 km以外出现雷击，一般的信号线路能产生1 kV的感应过电压，当雷击入地雷电流达到5 kA时，位于雷击附近5～10 m无屏蔽的线路能感应到5～7.5 kV的过电压，即便信号传输线采用的是光缆线路，光缆中心或者是外层的金属体（如加强筋）上也能感应到雷电电涌。

为有效避开雷电过电压或雷电电磁脉冲沿着金属线路入侵后损坏设备，需要安装电涌保护器（SPD）以保障设备的安全运行[1]。SPD是雷电防护的重要设备之一，通过低压线路将入侵的雷电流泄放到大地，巨大的雷电能量可以通过SPD泄放至大地。设备安装SPD保护，能预防和减少由雷电引起的过电压、过电流带来的损害，还可以抑制系统运行过程中产生的操作过电压。值得注意的是，SPD的选型会直接影响到其保护效果。因此，在加油站设计过程中应结合实际情况选择合适类型的SPD，以保障电力系统安全稳定运行。

1 电涌保护器的基本原理

根据国际电工委员会（IEC）对电涌保护器的概述，电涌保护器“是在特定条件下，用于保护电气系统和设备免受各种过电压和冲击电流的损害，例如雷电和开关电涌”。由此可知，该装置主要用于限制瞬态过电压和泄放电涌电流，它至少具备一个非线性元件。在被保护的设备端安装了电涌保护器后，电涌电流就会经过电涌保护器后被泄放，并对电涌电压进行限制进而来保护设备。电涌保护器的作用均由非线性元件（开关元件或非线性电阻）来实现的。当设备电路处于正常工作状态时，非线性元件呈现高阻状态，不影响被保护电路开展工作；但瞬态电涌到达时，非线性元件就会迅速转变到低阻抗的状态，电涌电流成为旁路，并且把要进行保护的设备两端的电压限制在较低水平；当雷电电流能量释放后，该非线性元件又自动、快速恢复到高阻状态。如果电涌保护器启动和恢复过程可以正常运行，那么被保护的设备就不会遭到操作电涌和雷电电涌的破坏，从而保障电路的正常运行。

2 电涌保护器的类型

2.1 电压限制型SPD

电压限制型SPD由各种非线性电阻元件构成，这些元件有连续的伏安特性，当电流开始连续增大，电阻就出现连续的减小。其中，常用的元件为金属氧化物非线性电阻（MOV），也叫作压敏电阻。MOV元件包含ZnO等多种金属氧化物，呈圆片或者方片状。正常情况不受电涌影响时，MOV为小电流密度区，电涌通过时处于饱和区，有钳位作用。

2.2 电压开关型SPD

电压开关型SPD的构造中，其核心保护元件主要是各种开关型器件，开关型器件也是非线性元件，但其伏安特性表现为不连续，与电压限制型SPD不一致，电压低时通常处于开路状态，一旦电压升至一定程度时，两个电极间的电阻就会迅速下降，转化为低阻状态。

2.3 组合型SPD

在IEC和国家标准中，组合型SPD是电压开关型和电压限制型元件的结合，两个元件通常以串联或并联的方式存在，而且这两种方式的工作原理类似。组合型SPD也表现出非线性的特性，但其伏安特性与电压开关型SPD一样，也为不连续。组合型SPD表现出和电压、电流的相关性，有时发挥其电压开关型的特性，有时又表现出电压限制型的特性。

2.4 三种结构类型SPD的优缺点比较

三种类型SPD的优缺点如表1所示。由表1可知，响应时间方面，电压限制型SPD最短，响应时间小于25 ns，组合型SPD响应时间最长；动作平稳性方面，表现为电压限制型SPD＞组合型SPD＞电压开关型SPD，其中，电压限制型SPD无动作分散性，而电压开关型SPD和组合型SPD均表现出动作分散性大；续流方面，电压限制型SPD的续流极小，组合型SPD的续流较小，而电压开关型SPD的续流很大，但能自熄；泄漏电流方面，电压开关型和组合型这两种SPD基本无泄漏电流，而电压限制型SPD存在泄漏电流的现象；电压保护水平方面，电压限制型SPD的电压保护水平偏低，电压开关型SPD和组合型SPD的电压保护水平相对较高，但可触发降低；老化方面，电压限制型SPD的性能会老化，但可采取相应措施延缓老化进程，而电压开关型SPD和组合型SPD不存在性能老化现象。

表1 三种SPD的优缺点比较

3 雷电灾害风险评估

在设计加油站之前，应进行雷电灾害风险评估，评估内容包括雷击线路导致的对活体伤害的概率、雷击线路导致实体损害的概率、雷击线路导致内部系统失效的概率、雷击线路邻近区域导致内部系统失效的概率等，从而确定SPD的选型参数。

3.1 建筑物及入户设施的截收面积计算

（1）电力线路截收雷电面积AL(P)

AL(P)=6Hc×[Lc3(Ha+Hb)]

（2）电力线路周围地面截收雷电的面积Ai(P)

Ai(P)=1000×Lc

（3）通信线路截收雷电的面积AL(T)

AL(T)=0.8×[Lc-3(Ha+Hb)]

（4）通信线路附近地面的截收雷电面积Ai(T)

Ai(T)=Lc×50

3.2 风险计算

（1）雷击入户线路后引发危险火花导致的火灾实体损害风险RV

RV=NL×PV×LV=[NL(P)+NL(T)+NDa]×PV×r×h×rf×Lf

（2）雷电击中建筑物附近后引发的内部系统失效风险RM

RM=NM×PM×LM=NM×PM×Lo

（3）雷击入户线路造成的危险火花引起火灾导致的实体损害风险RV

RV=NL×PV×LV=[NL(P)+NL(T)+NDa]×PV×r×h×rf×Lf

（4）雷击入户线路造成内部系统失效风险RW

RW=NW×PW×LW=[NL(P)+NL(T)+NDa]×PW×Lo

（5）雷击入户线路附近造成内部系统失效风险RZ

RZ=Ni×PZ×LZ=[NI(P)+NI(T)-NL(P)-NL(T)]×PZ×Lo

3.3 风险评估与控制

将计算结果与可承受风险的典型值比较进行评估。若加油站建筑物公共设施损失的可承受风险的典型值小于10-3，则在可承受范围内，但需要采取相应的措施降低雷击造成损坏的风险。由于加油站周围地理环境复杂，大部分的电源线为架空引入，沿线路入侵的雷电流值NIP很大，可将架空的线路进行金属铠装敷设或护套电缆穿钢管后直接埋地，长度要超过15 m；将电缆与架空线的连接处安装户外型I级浪涌保护器，然后将电涌保护器、电缆金属外皮、钢管和绝缘子铁脚、金具等仪器设备形成共同接地，确保浪涌保护器的电压保护水平≤2.5 kV，每一保护模式需要选冲击电流大于或等于计算值。如果没有户外型浪涌保护器，应选用户内型电涌保护器，该电涌保护器的使用温度要符合安装环境的温度，装设在防护等级为IP54的箱内。

4 电涌保护器试验类别的选择

依据侵入电应力的不同，在入口处的SPD试验按Ⅰ级、Ⅱ级或Ⅲ级进行。根据建筑物防雷分类，加油加气站由于属于具有0区、1区、2区爆炸危险区域的建筑物，按照《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010）的规定，被划分为第二类防雷建筑物。《建筑物防雷设计规范》规定，当电气接地装置与防雷接地装置共用接地或连接时，其中在低压电源线路引入的总配电箱、配电柜处安装Ⅰ级电涌保护器[2]。因此，加油加气站可以对低压电源线路引入的总配电箱、配电柜位置上安装Ⅰ级电涌保护器进行防雷保护。

5 电涌保护器Uc、UT和In/Iimp/Imax/Uoc的选择

（1）在加油站低压配电系统中，SPD的Uc要比系统中可能产生的最大持续工作电压高，其中，Ucs=k·U，即Uc＞Ucs，且Uc至少为1.1 U，UT=Uc≥UTOV.LVmax。

（2）根据试验级别选择SPD的能量，必须在风险分析的基础上，并依据Iimp、Imax或Uoc来选择合适的电涌保护器。

6 前后级电涌保护器之间的能量配合

为了预防雷电电磁脉冲入侵，或者是雷电天气下雷电过电压干扰或永久性破坏电子系统设备，首先于低压配电系统位置上、电源线路处均要安装多级的SPD进行防护，目的是分级泄流产生的雷电流，如果仅是作单级防护，可能会出现较大的雷击电流加大设备损坏概率，甚至造成高残压。当然，即使安装了多级SPD，但防护配合不科学，也不能有效发挥多级SPD的作用，依然会发生整个供电系统SPD失常的现象，甚至还会出现其中的SPD被击毁，造成被保护设备的严重损坏[3]。

6.1 防雷区的划分

根据《建筑物防雷设计规范》，按磁场强度有无衰减，可将雷电防护区划分为LPZ0A、LPZ0B、LPZ1、LPZ2～n后续防雷区。0区的LPZ0A、LPZ0B雷电电磁强度均没有衰减。1区的雷电电磁场可能得到衰减，衰减程度多少取决于屏蔽措施。加油站供配电系统SPD安装在0区进入1区的线路上。

6.2 供电系统接地形式

我国供电系统接地形式主要包括TN系统、TT系统、IT系统。其中，TN系统接地形式有TN-C系统、TN-C-S系统、TN-S系统。根据《汽车加油加气加氢站技术标准》（GB 50156—2021），汽车加油加气加氢站380/220 V供配电系统宜采用TN-S系统，当外供电源为380 V时，可采用TN-C-S系统。

6.3 电涌保护器的安装

6.3.1 级间配合问题

当进入电涌电流为i时，首先要考虑有多少流入SPD1、有多少流入SPD2，其次考虑两个SPD是否能耐受这些电应力。

两个SPD典型线路图如图1所示，其中，Eq表示正常工作的被保护设备，O/c表示开路（设备从供电系统断开），i表示侵入的电涌。从图1可以看出，当设备被断开，无电流流过设备，总电应力被两个SPD承担，此时应考虑SPD端子和负载间存在电涌源的情况。SPD的优良配合，既能保护后面的设备，也能保证SPD不被损坏。根据美国电气与电子工程师协会（IEEE）相关标准，敏感设备作雷电过电压防护时，要结合设备的实际情况设计好各种SPD的防护位置，通常必须达到两级或两级以上才能达到防雷要求。

图1 两个SPD的典型应用电路图

6.3.2 配电电涌保护器配置

室内SPD的配置，SPD前、后级的参数对SPD的保护效果影响较大。第一级SPD一般是用来泄放雷电大电流，大部分冲击电流和能量都是通过第一级SPD泄放，第一级SPD通流容量大于第二级SPD。第二级SPD是用于钳位设备两端的雷电过电压，使SPD在设备可耐受电压之内。

6.3.3 安装第二级配电涌保护器要求

第一级SPD保护电压等级与设备所能承受的过压相比是很高的。如果第一级SPD与被保护设备间的距离过大，设备不能很好地被保护，还会因为振荡，在被保护设备端产生高电压，从而损坏被保护设备。SPD不是安装越多级效果越好，是否需要加第二级或第三级SPD应满足下列条件：一是第I级的SPD有效电压保护水平相比被保护设备的耐过压额定值要低；二是第I级SPD与被保护设备之间的线路长度小于10 m时；三是在建筑物内部不存在雷击放电或内部干扰源产生的电磁场干扰时；四是第二级SPD无法满足上述3个条件时，应安装第三级SPD。

6.3.4 电涌保护器的级间配合

在对SPD防护模块进行设计时，一方面，要考虑大功率及高电压的输入；另一方面，要降防护模块的泄漏电压，两者综合考虑才能减少保护设备和元器件损坏率。解决这个问题的方法就会，采用多级SPD级联结的方法，依次降低每一级的电压，然后形成一个电压梯度下降状况，即前级SPD抑制高电压，中间级SPD抑制电压次之，到最后一级SPD时电压降至被保护器件可以承受的电压范围内，这样一来就能对电磁脉冲作相应的防护。

由于耐受高电压的前级SPD在防护过程中响应时间较长，耐受低电压的后一级SPD响应速度快，存在耐压和响应时间之间的矛盾。因SPD的电涌保护非线性器件各自都有不同的特点，为了让响应速度快、但特征能量小的器件通过的雷电流能量不超过自身最大承受能量[4]，需要做能量配合，即要将剩余的大能量交换到反应慢却可承受更大能量的器件上。气体放电管（GDT）和瞬态抑制二极管（TVS）组合防护电路示意图如图2所示，设计中采用的GDT通流量容量大、电容较小、绝缘电阻高，但缺点是反应速度慢、残压高；TVS的响应速度较快、残压不高，但其耐受电压偏低，如果直接连接GDT和TVS，受雷电电磁脉冲的作用，可能直接损坏TVS，失去雷电防护作用，所以要在GDT与TVS之间增加一个退耦器，用于加速GDT开启，达到防电磁脉冲入侵的目的。电磁脉冲通过GDT和TVS的组合防护电路后，其电压可从10 kV降至80 V以内，进而很好地抑制雷电电磁脉冲，但因中间存在的退耦器件会缩短TVS的响应时间，在钳位响应电压之间出现尖峰过冲[5]。器件之间组合匹配后，不但能提高雷电保护器的输入电压，而且还能减小输出防护器残压。

图2 GDT和TVS组合防护电路示意图

6.3.5 信号线路SPD安装级数

A级防护系统宜采用2级或3级，B级防护系统宜采用2级，C、D级防护系统宜采用1级或2级。在LPZ0A区或LPZ0B区与LPZ1区交界处应选用Iimp值为0.5～2.5 kA（10/350 μs）的SPD或0.25～5 kA（8/20 μs）的SPD；在LPZ2区与LPZ3区交界处应选用Iimp值为0.5～1.0 kA（1.2/50 μs）的SPD或0.25～0.5 kA（8/20 μs）的SPD。

7 结论

科学合理地选用和安装SPD，是确保被保护设备不受雷电电涌侵入损坏的雷电防护手段之一，然而，选用SPD并进行安装，都对技术要求很高，若是选择的电涌保护器不合理或是安装不规范，不仅难以起到自身具备的保护作用，相反还会带来很大的破坏性[6]。因此，在设计SPD时，要考虑SPD上下级之间的能量配合，保证设备遭受雷击瞬间每级的SPD能及时启动。SPD选型是个技术性很强的工程，要依据大量、繁杂的观测数据资料，还要参考设计方提供出的建筑物原始数据、建筑物属性以及开展雷击风险评估方法需要的有关参数，同时也要考虑现场情况传递的信息和实际时局。本文通过对加油站项目雷击线路导致的对活体伤害的概率、雷击线路导致实体损害的概率、雷击线路导致内部系统失效的概率、雷击线路邻近区域导致内部系统失效的概率等进行评估分析。以此为基础，对风险评估结论进行比较和分析，得出相关的结论，从而确定SPD的选型参数，电涌保护器试验类别的选择、电涌保护器前后级间的能量配合、安装级数等，并提出了气象灾害防范措施。在实际应用中，要根据每个加油站的实际情况，分析项目所在地环境，以及被保护设备承受过电压的能力，确定合理的能量配合，科学选择合适的SPD防护。为加油站科学防雷提供了参考依据，同时节省了经济投入，并有针对性地提出设计指导意见，用于降低雷击损坏风险。