低压配电系统中SPD的安装.docx

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低压配电系统中SPD的安装

低压配电系统中SPD的选择和安装

TheChoiceandFixationofSurgeProtectorandLightningSurgeProtectiveDeviceforLVDistributionSystem

【摘要】本文主要介绍在低压配电系统中电涌保护器（也称浪涌保护器，简称SPD）的基本要求和主要的技术参数，并简述如何加以选择及其安装方式和注意点。

【关键词】低压配电电涌保护器能量配合

Abstract:

Thisdissertationmakesanintroductiontothebasicrequirement,thecommoncomponentsandmaintechnicalparametersofSPD（surgeprotectivedevice）,whichisinstalledintheLowVoltage（LV）distributionsystem.Attheendofwhich,thedissertationmainlysummarizeshowtoproperlychooseandfixSPDinL.V.distributionsystem.

Keywords:

LVDistributionSystemSPDEnergyCompatibility

引言

SPD（SurgeProtectiveDevice）是国际电工委员会（IEC）标准中对电涌保护器（过电压保护器）的英文缩写。

在2000年版的GB50057–94对电涌保护器（SurgeProtectiveDevice，SPD）的定义是：

用以限制瞬态过电压和引导电涌电流的一种器具,它至少应包括一种非线性元件。

一、SPD的分类和主要技术参数

1.1SPD的分类

SPD可按几种不同角度进行分类:

1.1.1按使用非线性元件的特性分类:

电压开关型SPD（voltageswitchingtypeSPD）:

当没有电涌出现时,SPD呈高阻状态;当电压电涌达到一定值时（即达到火花放电电压）,SPD的电阻突然下降变为低值。

常用的非线性元件有放电间隙、气体放电管、开关型SPD（闸流管）和三端双向可控硅元件作为这类SPD的组件。

有时称这类SPD为“短路开关型”或“克罗巴型”SPD。

开关型SPD具有大通流容量（标称通流电流和最大通流电流）的特点,特别适用于易遭受直接雷击部位的雷电过电压保护（即LPZOA——直击雷非防护区）,有时可称为雷击电流放电器。

电压限制型SPD（voltagelimitingtypeSPD）:

当没有冲击出现时,SPD呈高阻状态；随着冲击电流及电压的逐步提高,SPD的电阻持续下降。

常用的非线性元件有压敏电阻,瞬态抑制二极管等。

这类SPD又称箝压型SPD,是大量常用的过电压保护器。

一般适用于户内,即IEC规定的直击雷防护区（LPZOB）、第一雷电防护区（LPZ1）、第二雷电防护区（LPZ2）的雷电过电压防护。

IEC标准要求将它们安装在各雷电防护区的交界处。

混合型SPD:

开关型元件和箝压型元件混合使用,随着施加的冲击电压特性不同,SPD有时会呈现开关型SPD特性,有时呈现箝压型SPD特性,有时同时呈现两种特性。

1.1.2按SPD的端口形式分类

根据在不同系统中使用的需求,生产商把SPD制造成一端口或两端口的型式。

一端口（又称单口）SPD:

与被保护电路并联连接。

一端口SPD可能有隔开的输入端及输出端,但之间没有特意设置的电阻。

（见图1）

两端口（又称双口）SPD:

具有两组端口的SPD,一般与被保护电路串联连接,或使用接线柱连接,在输入端与输出端之间有特意设置的串联阻抗（图2）。

从图1和图2可以发现一个共同的特征：

SPD的非线性元件都是与被保护电路处于并联状态，当其动作时，将被保护电路中的电涌电流通过SPD分流泄入大地。

　1.1.3按使用的性质分类

由于雷电过电压和投切过电压（过去常称为操作过电压）可能沿供（配）电线路、信号线（含电话线）或天馈线侵入,因此安装在不同系统中的SPD必须满足不同系统的特殊要求。

这样,生产厂商又可按使用性质将SPD分为:

电源系统SPD、信号系统SPD、天馈系统SPD。

此外，还可以按安装的环境分为室内用SPD或室外用SPD;按可接触性分为可接触SPD或不可接触SPD；按安装方式分为固定式SPD或卡接可移式SPD等等。

1.2保护器件结构的介绍

1.2.1电压开关型SPD

电压开关型SPD主要由放电间隙这种非线性元件组成，所谓放电间隙就是把暴露在空气中的两块相互隔离一空气间隙的金属物作为避雷放电的装置，通常把其中一块金属接在需要防雷的导线上，例如供电系统的相线，另一块金属与地线连接。

当雷电流的高电位侵入电源的相线时，首先在间隙处击穿，使间隙的空气电离，形成短路，雷电流通过间隙的短路流入大地，而此时间隙两端的电压却很低，因而达到减低雷电压的目的。

1.2.2电压限制型SPD

电压限制型SPD主要由氧化锌压敏电阻构成。

每一块压敏电阻从制成时起就有它的一定的开关电压，当加在两端的电压低于开关电压时，压敏电阻呈现高阻值；当加在两端的电压高于压敏电压时，压敏电阻即被击穿，呈现低阻值。

当高于压敏电阻的电压撤销后，它又恢复高阻状态。

1.3.表征SPD的技术参数

1.3.1电源系统的SPD

1998年2月IEC颁布的标准《低压系统的电涌保护器第1部分性能要求及测试》（IEC61643-1）中规定,用于低压配电系统的SPD的使用环境是:

1000VAC（交流）50/60Hz和1500VDC（直流）以下电路系统中的SPD,使用高度不超过2000m。

贮备和使用时的环境温度应在-5～40℃之间,特殊情况下可扩展到-40～70℃之间,相对湿度在常温下为30%～90%。

在此范围之外的恶劣环境下和使用于户外,或暴露在日光中或处在其它辐射源之下的SPD应有特别的设计要求,这是设计者、制造厂商和用户要特别注意的。

对制造厂商而言,IEC标准要求生产和销售的SPD铭牌上必须注明下列内容:

a）制造厂家、商标及模块型号

b）安装位置类别

c）端口数

d）安装方法

e）最大持续操作电压UC（每一种保护方式一个值）及额定频率

f）制造商声称的各保护方式的放电参数

及试验类别:

——I类试验Iimp

——II类试验Imax

——III类试验

g）I类及II类试验中的额定放电电流值

In（每一保护模式一个值）

h）电压保护水平Up（每一保护模式一个

i）额定负载电流

j）外壳提供的保护水平（IP代码）

k）短路承受能力

l）备用过电流保护装置的最大推荐额定值（如果有）

m）断路器动作指示

n）具有特殊用途产品的安装位置

o）端口标志（进、出口端标志）

p）安装指南（如:

连接、机械尺寸、引线长

度等）

q）电网电流类型:

直流（DC）交流（AC）及频率或两者都可应用

r）I类试验中能量指标（W/R）

s）温度范围

1.3.2SPD在低压配电系统中技术参数的解释

在解释之前，首先说明一下过电压的概念。

在IEC60664-1《低压系统内设备的绝缘配合》标准中,定义过电压（over-voltage）:

“峰值大于正常运行下最大稳态电压的相应峰值的任何电压”。

过电压一般分为短时过电压（或暂态过压）（temporaryover-voltage）和瞬态过电压（transientover-voltage）。

这两种过电压的区分是,短时过电压是持续时间较长的工频过电压,而瞬态过电压则是振荡的或非振荡的,通常为高阻尼,持续时间只有几毫秒（ms）或更短的短时间过电压。

雷击过电压便属瞬态过电压。

由于特定通断操作或故障通断,在系统中的任何位置出现的瞬态过电压又称投切过电压（操作、通断过电压）（switchingover-voltage）。

SPD应具备抑制瞬态过电压的功能,含防护雷电过电压和投切过电压。

（1）保护模式

SPD的保护模式实际就是一组SPD中的各个模块与被保护线路或设备端子如何连接：

接在相线（L）或地线（PE）、相线（L）对中性线（N）或中性线（N）对地线（PE）之间，还是接在相线（L）对相线（L）之间.

下面简要介绍三种主要的保护模式：

①3P接线：

当N线与PE线直接相连时，SPD接在每一L线与PE线之间。

具体来说就是TN-S、TN-C系统中变压器低压端以及TN-C-S系统进户处，N线作重复接地的情况下，三相各装一个对地的SPD，N线不装;

②4P接线：

当N线不与PE线直接相连时，SPD接在每一L线与PE线之间和接在N线与PE线之间。

TN-S、TN-C、TN-C-S系统除上述情况外以及TT制系统在剩余电流保护器（RCD）的负荷侧，均采用4P接线;

③“3+1”接线:

具体接法就是三个间隙型或MOV型SPD接于L与N之间，一个间隙型SPD接于N与PE之间，主要用于安装在TT系统中剩余电流保护器（RCD）的电源侧。

（2）额定电压Un，是厂商对SPD规定的电压值。

在低压配电系统中运行电压有220、380Vac是相对地的电压值。

在正常运行条件下,供电终端电压波动值不应超过±10%。

（3）最大持续工作电压Uc

指能持续加在SPD各种保护模式间的电压有效值（直流和交流）。

UC不应低于低压线路中可能出现的最大持续工频电压。

TT系统中Uc≥1.15Uo

TN、TT系统中Uc≥1.11Uo

IT系统中Uc≥Uo

Uo指L-N间或L-PE间的电压

对以MOV（压敏电阻）为主的箝压型SPD而言,当外部电压小于Uc时,MOV呈现高阻值状态。

如果SPD因电涌而动作,在泄放规定波形的电涌后,SPD在Uc压以下时应能切断来自电网的工频对地短路电流。

这一特性在IEC标准中称为可自复性。

上边提到的Uc≥1.5Uo、Uc≥1.1Uo均引自IEC60364-5-534。

从我国供电系统实际出发,此值应增大一些,有专家认为原因是国外配电变电所接地电阻规定为1～2Ω,而我国规定为4～10Ω。

因而在发生低压相线接地故障时,另两相对地电压常偏大,且由于长时间过流很易烧毁SPD。

但SPD的Uc值定的偏大又会因产生残压较高而影响SPD的防护效果。

也有些专家认为,虽然变电所接地电阻较大,但在输电线路中实现了多次接地,多次接地的并联电阻要低于变电所的接地电阻值,因此Uc≥1.1UO即可满足要求。

（4）点火电压

开关型SPD火花放电电压,是在电涌冲击下开关型SPD电极间击穿电压。

（5）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=残压比概念。

残压比一般应小于3,越小则表征SPD性能指数越好。

（6）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。

（7）电压保护水平Up（保护电平）

一个表征SPD限制电压的特性参数,它可以从一系列的参考值中选取（如0.8、0.9、1、1.2、1.5、1.8、2、8、10kV等）。

该值应比在SPD端子测得的最大限制电压大,与设备的耐压一致。

（8）限制电压测量值

当一定大小和波形的冲击电流通过SPD时,在其端子测得的最大电压值。

（9）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。

（10）电压降（百分比）

ΔU=[（Uin-Uout）/Uin]×100%

其中:

Uin指双口SPD输入端电压

Uout指双口SPD输出端电压通过电流为阻性负载额定电流。

（11）最大连续供电系统电压UCS

SPD安装位置上的最大电压值,它不是事故状态的电压,而是配电盘上的电压变化,以及由于负载和共振影响的电压值升（降）,且直接与额定电压Un相关。

（12）额定放电电流In

8/20μs电流波形的峰值，一般用于Ⅱ类SPD试验中不同等级，也可用于Ⅰ、Ⅲ类试验时的预试。

（13）脉冲电流Iimp：

由电流峰值和总电荷Q定义。

用于Ⅰ类SPD的工作制测试，规定Iimp的波形为10/350μs，也可称之为最大冲击电流。

（14）最大放电电流Imax:

通过SPD的电流峰值，其大小按Ⅱ类SPD工作制测试的测试顺序而定，Imax>In,波形为8/20μs。

（15）持续工作电流Ic:

当对SPD各种保护模式加上最大连续工作电压Uc时，保护模式上流过的电流。

Ic实际上是各保护元件及与其并联的内部辅助电路流过的电流之和。

（16）续流If：

当SPD放电动作刚刚结束的瞬间，跟着来的流过其的由电源提供的工频电流。

续流If与持续工作电流Ic有很大区别。

（17）额定负载电流：

由电源提供给负载，流经SPD的最大持续电流有效值（一般指双口SPD）。

（18）泄漏电流Ic．指SPD在不导通下的泄漏电流。

Ic＜1mA

二．SPD的选择与安装

　SPD选型的实质是正确确定电压保护水平（残压）Up、最大放电电流,保持Up小于被保护设备的耐压等级,从而保护设备。

《规范》内给出220/380V三相系统各种设备绝缘的耐冲击电压额定值。

设计时,可从《规范》给出的雷电流分配图、雷电流分流估算式、雷电流参量表,作为选择SPD的重要依据。

　2.1电涌保护器选择

2.1.1确定建筑物防雷等级

从《规范》有关规定确定建筑物防雷等级及首次雷击及首次雷击以后的雷电流参量;也可以从实测的雷电流幅值的雷击概率曲线上由年均雷暴日T来查取雷电流幅值的雷击概率。

具体由E=1-NC/N来计算。

（NC表示因直击雷和雷电电磁脉冲引起信息系统设备损坏的可接受的最大年平均雷击次数，N表示建筑物预计累计次数）然后由不同的概率可以得出需要安装SPD不同的级数（表格如下）：

E<0.98

A级

应在低压系统中采取3-4级SPD进行保护

0.95

B级

应在低压系统中采取2-3级SPD进行保护

0.8

C级

应在低压系统中采取2级SPD进行保护

E≤0.80

D级

应在低压系统中采取1级或以上SPD进行保护

2.1.2确定安装位置

一般来讲，第一级安装在总进线的配电箱前，第二级安装在分配电箱前，第三级安装在重要设备配电系统前，第四级安装在电子设备工作电源前。

2.1.3参数的选择

如果电气设备由架空线供电，或由埋地电缆引入段短于150米的架空线供电，当地区雷电涌压大于6000伏且雷电日每年超过25天，应在电源进线处装设SPD；

如果当地雷电涌压在4000伏到6000伏之间，应在电源进线处装设SPD；当有重要的电子设备安装于建筑物内时，应在电源进线处和电子设备供电处根据设备耐过压的能力装设多级SPD。

SPD的参数有很多，笔者将其分为两类：

I．电压类参数　主要有:

最大钳压、残压、电压保护水平、最大持续电压和最大电涌电压

1）电压保护水平Up:

SPD泄放标称放电电流时,其两端的最大电位差。

2）最大箝压:

箝压（ClampingVoltage:

CV）是SPD起作用时的限制电压。

对压敏电阻这类SPD来讲,最大箝压是SPD箝压功能恶化情况下的残压。

3）最大电涌电压:

SPD的最大残压加上SPD两引线寄生电感上的感应电压,亦为被保护设备实际承受的最大过电压。

4）最大持续运行电压Ue:

可能持续加于SPD两端的最大交流电压有效值和直流电压之和。

超过此值运行时,SPD将遭受热致损坏。

在不同制式的配电系统中其值有所不同。

具体如下：

TN系统中,Ue应不小于1.1倍系统供电相电压。

TT系统，高压侧10KV系统不接地，当SPD前有RCD保护时，Ue应不小于1.5倍系统供电相电压。

当SPD前无RCD保护时，Ue应不小于1.1倍系统供电相电压。

IT系统，Ue应不小于系统供电线电压。

也就是1.15倍的相电压。

II.电流类参数　主要有:

标称放电电流,最大放电电流,冲击电流。

1）标称放电电流——流过SPD的模拟雷电流波的波头时间/半值时间为8/20μs时的电流波的峰值。

它是流过SPD的8/20us电流波的峰值电流，用于对SPD做II级分类实验或做I级分类实验的预处理。

对于I级分类实验，In不小于15KA；对于II级分类实验，In不小于5KA。

2）最大放电电流——用于SPD二级分类试验,8/20μs电流波峰值电流,（亦称通流容量）。

它与标称放电电流的不同在于前者是取多次试验中放电电流的最大值，而后者是取多次试验的平均值。

3）通流容量——用于SPD一级分类试验。

它反映了SPD的耐直击雷的能力（采用10/350us波形）。

这里简要说明一下第一级SPD通流容量的确定。

首级SPD的通流容量应采用首次雷击的雷电流参量进行估算：

50%流入建筑物避雷装置的接地装置，另外50%的雷电流被m=4根或m=2根低压输电线路分流，每根线缆上的电流i=ia/m（ia为流入每一个设施的电流），所以第一级SPD的通流容量必须大于每根输电线路的电流量。

下表表示的是各级通流容量的选择：

（补图）

SPD性能

要求

防护等级

保护

级数

第一级通流容量（KA）

第二级通流容量（KA）

第三级通容量（KA）

第四级通流容量

架空进线

埋地进线

A级

四级

20-40（10/350μs）

≥80

（8/20μs）

60-100

（8/20μs）

40-60

（8/20μs）

20-40

（8/20μs）

视其工作电压选用10KA的SPD

B级

三级

15-30（10/350μs）

≥60

（8/20μs）

40-60

（8/20μs）

20-40

（8/20μs）

20

（8/20μs）

C级

二级

10-20（10/350μs）

≥40

（8/20μs）

20-40

（8/20μs）

20

（8/20μs）

D级

一级

10-15（10/350μs）

≥30

（8/20μs）

20

（8/20μs）

10

（8/20μs）

2.1.4注意能量配合问题

由于SPD采用的非线性器件各有特点，为了保证响应速度快但是特征能量小的器件在工作时通过的能量不超过自身最大承受能量并及时响应把余下的更大的能量交换到反应慢但可以承受更大能量的器件上，SPD之间的能量配合就显得格外重要了。

在IEC61312—3（雷电电磁脉冲的保护第三部分，对电涌保护器的要求）关于能量配合的章节指出，在SPDl和SPD2之间流过的每一电涌电流通过SPD2消散的能量部分低于或等于SPD2的最大耐受能量，这样就实现了能量的配合。

由流动波的折反射原理可知,当浪涌进入保护装置到达电感时,电感将产生与入射波同极性的反射波来升高第一级SPD上的电压,促使第一级SPD尽早动作泄放电流。

同时电感将产生与入射波反极性的折射波,来降低作用在第二级SPD上的浪涌波形的波头的上升陡度,改善第二级SPD的动作特性,以便有效发挥其箝位限压作用。

下面用行波理论来计算出每级SPD达到能量配合所需距离。

限压型SPD的响应时间约为25ns，开关型SPD响应时间较其稍慢，约为100ns，那么如何能保证第一级比第二级先动作呢？

众所周知，当雷电流到达开关型SPD后，由于其有响应时延，雷电流以行波的形式继续向前传播，如果要保证第一级能起到泄放较大能量雷电流的作用，那就应该使雷电流波形在到达第二级之前第一级动作起来！

波在电缆中的传播速度约V=1.5*108m/s,两级SPD响应的时间差约为100-25=75ns，由此可以算出波传输的距离为S=VT=1.5*108*75*10-9=11.25m.这就是第一级与第二级SPD间的距离值。

如果前后两级都为限压型SPD，由于在实际中响应时间有误差（估算为25ns），为了保证前一级比后一级先动作，那么它们之间的距离应为S=VT=1.5*108*25*10-9=3.75m。

现在菲尼克斯公司首先提出了主动能量吸收（AEC）概念，它与传统能量分配原理的一个重要区别是：

AEC的能量交换点由MOV的残压决定，所以只要控制好MOV的最大能量与交换电平的关系就可以很好的控制住能量的分配。

也就是说，对于传统的能量配合，由于交换点取决于电涌电流的陡度（波形）。

而AEC不管是什么波形的电涌10/350、8/20，甚至是直流波形，只要是MOV的伏安特性曲线上的电压与交换电平相一致就可以主动控制能量的分配了。

2.2电涌保护器的安装

2.2.1不同供电制式的系统中SPD的安装（示意图）

雷电会在配电线路上感应雷电过电压，它可能是相线对地、可能是中性线对地、也可能是相线与中性线间感应过电压，而不同的配电系统中SPD的安装方法是不一样的。

TN系统一般采用相线及中性线分别对地加装过压型SPD的方式,TT系统一般为相线分别对中性线加装过压型SPD,中性线对地采用放电间隙SPD。

不同的供电接地系统,SPD的安装方法不同,在TN–C-S和TN-C中电源进线回路中有相线和PEN线,而PEN线需与总等电位联结的接地母排连通而接地,所以这两种接地系统的PEN线上可不需安装SPD,TN-S和TT接地系统中的N线在进线处不接地,这两种系统的N线上应和相线一样安装SPD。

此外,在易燃易爆危险环境中,使用的SPD应具有防爆功能.

1.TN系统

TN-S系统SPD安装示意图

TN-C-S系统SPD安装示意图

2.TT系统SPD安装示意图

3.IT系统SPD安装示意图

从上图可以看出，在不同供电制式的系统中SPD的安装位置各有不同。

笔者在生产实习期间发现，许多专业的防雷技术人员都没有重视到这点，以点带面，一概而论。

如果不对SPD的安装位置加以重视，不但使其不能起到保护系统的作用，反而会带来安全隐患。

2.2.2安装时的注意点

1.安装地点

浪涌保护器应安装在电器设施的电源入口附近或者安装在配电柜中。

2.两级SPD的间距

当线路上多处安装SPD时，应考虑前一级的SPD参数要优于后一级参数，为了使上级SPD泄放更多的雷电能量，必须延迟需电波到达下级SPD的时间，否则下级SPD过早启动，会遭到过多的雷电能量而不能保护设备，甚至烧毁，故上级SPD与下级SPD之间需要配合，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，否则中间应加装退耦器。

3.电涌保护器两端的引线应尽量短。

电涌保护器必须能承受预期通过他们的雷电流，并应符合以下两个附加要求：

通过电涌时的最大箝压，有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流。

在建筑物进线处和其他防雷区界面处的最大电涌电压，即电涌保护器的最大箝压加上其两端引线的感应电压应与所属系用的基本绝缘水平和设备允许的最大电涌电压协调一致。

为使最大电涌电压足够低，其两端的引