电涌保护器的性能要求Word下载.docx
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根据在不同系统中使用的需求，SPD生产商厂可以把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，在它们之间没有特意设置的电阻或电感。
（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。
（见图2）
图1和图2上可以看出，无论SPD从外表上看是否串接或并联在被保护电路中，SPD的非线性元件实质上都是与被保护电路处于并联状态，当其动作时，能将被保护电路中的电涌电流通过SPD分流泄入地中。
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）电线路侵入，雷电过电压可能沿信号线（含电话线）或天馈线侵入，因此安装在不同的系统中的SPD必须满足不同系统的特殊要求。
这样，生产厂商又可将SPD按使用性质将SPD分为：
电源系统SPD、信号系统SPD和天馈系统SPD。
此外，还可以按安装的环境（位置）分为室内用或户外用；
按可接触性分为可接触或不可接触；
按安装方式分为固定式或卡接可移式等等。
三、表征SPD性能的主要技术参数：
在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）中规定了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。
在IEC61643-1的第6章中对制造厂商提出必须提供下列信息内容（19项）：
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）最大持续工作电压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UOC
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（每一保护模式一个值）
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（d.c）交流（a.c）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
在上述19项内容中，a）、e）、f）、h）、j）、i）、o）和q）等8项要求制造厂商必须在产品的铭牌上注明。
目前国内生产厂商使用的技术参数名称不统一，国外厂商的参数译文也不大一致，因此用户很难正确使用，在此笔者试图说明一些参数名称和内容。
在进行参数介绍之前，有必要介绍一下过电压的概念。
在IEC60664-1《低压系统内设备的绝缘配合》标准中，定义过电压（overvoltage）：
“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（或暂态过电压）（temporaryovervoltage）和瞬态过电压（transientovervoltage）。
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）（switchingovervoltage）。
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可连接在L（相线）、N（中性线）、PE（保护线）间，如L-L、L-N、L-PE、N-PE，这些连接方式称为保护模式，它们与供电系统的接地型式有关。
按GB50054-95《低压配电设计规范》规定，供电系统的接地型式可分为：
TN-S系统（三相五线）、TN-C系统（三相四线）TN-C-S系统（由三相四线改为三相五线）、IT系统（三相三线）和TT系统（三相四线，电源有一点与地直接连接，负荷侧电气装置外露可导电部分连接的接地极与电源接地极无电气联系）。
2．额定电压Un，是制造厂商对SPD规定的电压值。
在低压配电系统中运行电压（标称电压）有220VAC、380VAC等，指的是相对地的电压值也称为供电系统的额定电压，在正常运行条件下，在供电终端电压波动值不应超过±
10%，这些是制造商在规定Un值时需考虑的。
在IEC60664--1中定义了实际工作电压（WorkingVoltage）：
在额定电压下，可能产生（局部地）在设备的任何绝缘两端的最高交流电压有效值或最高直流电压值（不考虑瞬态现象）。
3．最大连续工作电压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连续工频电压。
选择230/400V三相系统中的SPD时，其接线端的最大连续工作电压Uc不应小于下列规定：
TT系统中UC≥1.5UO
TN、TT系统中UC≥1.1UO
IT系统中UC≥UO
注1：
在TT系统中Uc≥1.1Uo是指SPD安装在剩余电流保护器的电源侧；
Uc≥1.5Uo是指SPD安装在剩余电流保护器的负荷侧。
注2：
UO是低压系统相线对中性线的电压，在230/400V三相系统中Uo=230V。
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电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、Uc≥Uo等标准引自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。
由于后者分析较接近实际，在有关国家标准出台前，仍以IEC标准为准。
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，在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=残压比这一概念，残压比一般应小于3，越小则表征着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Ures（残压）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0.08、0.09、……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。
Up、Un、Uc之间关系参见图3。
防护上限
电压保护水平UP
不设防区（非受保护区域）
额定电压均方根Un
图3UP、Un和UC相关曲线
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，它比最大连续工作电压UC要大。
10．电网短时过电压UTOV，电网上某一部件较长时间的短时过电压，一般称通断操作过电压。
UTOV一般等于最大连续供电系统实际电压UCS的1.25到1.732倍。
11．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。
12．最大连续供电系统电压UCS，SPD安装位置上的最大的电压值，它不是谐波也不是事故状态的电压，而是配电盘上的电压变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。
UCS一般等于Un的1.1倍。
13．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、Ⅱ类试验时的预试。
14．脉冲电流Iimp：
由电流峰值Ipeak和总电荷Q定义（见IEC61312中雷电流参数表）。
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。
15．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。
16．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。
17．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有很大曲别。
18．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）。
19．额定泄放电流Isn：
此值与当地雷电强度、电源系统型式、有无下一级SPD及被保护设备对电涌的敏感程度有关，SPD的Isn决定其尺寸大小和热容量。
20．泄漏电流：
由于绝缘不良而在不应通电的路径上流过的电流。
SPD除放电闪隙外，在并联接入电网后都会有微安级的电流通过，常称为漏电流。
当漏电流通过SPD（以MOV为主的）时，会发出一定热量，至使发生温漂或退化，严重时还会造成爆炸，又称热崩溃。
21．温漂：
在工作时，SPD产生的工频能量超过SPD箱体及连接装置的散热能力，导致内部元件温度上升，性能下降，最终导致失效。
22．退化：
当SPD长时间工作或处于恶劣工作环境时，或直接受雷击电流冲击而引起其性能下降，原技术参数改变。
SPD的设计应考虑退化在各种环境中的期限，并采用运行测试和老化性试验方法（参见有关表格）。
23．响应时间：
SPD两端施加的压敏电压到SPD箝位电压的时间（注：
如6所说明的MOV从压敏电压到箝位电压的时间约为100ns）。
24．插入损耗：
在特定频率下，接入电网的SPD插入损耗是指实验时在插入点处接通电源立即出现的，插入SPD之前和以后的电压的比值。
一般用dB表示。
25．两端口SPD负载端耐冲击能力：
双口SPD能承受的从输出口引入由被保护设备产生的冲击的能力。
26．热稳定性：
当进行操作规定试验引起SPD温度上升后，对SPD两端施加最大持续工作电压，在指定环境温度下，在一定时间内，如果SPD温度逐渐下降，则说明SPD具有良好的稳定性。
27．外壳保护能力（IP代码）：
设备外壳提供的防止与内部带电危险部分接触及外部固体物体和水进入内部的能力。
（具体标准见IEC60529）
28．承受短路能力：
SPD能承受的可能发生的短路电流值。
29．过电流保护装置：
安装在SPD外部的一种防止当SPD不能阻断工频短路电流而引起发热和损坏的过电流保护装置（如熔丝、断路器）。
30．SPD断路器：
当SPD失效时，一个能把SPD同电路断开的装置，它能防止当SPD失效时，接地短路故障电流损坏设备，且应能指示SPD失效状态。
31．漏流保护装置（RCD）：
一种当漏电流或不平衡电流达到一定值时便断开电路接点的机械开关或组件，又称剩余电流保护器。
32．退耦装置：
当对SPD施加工频电压并进行冲击试验时，一个阻止冲击反馈到供电网的装置。
33．定型试验：
当一个新产品设计定型后，必须进行一系列的试验来建立本身的性能指标及论证是否符合有关标准。
之后，只要设计及性能不变，则不必重做定型试验，而只需做一些相关试验。
34．例行试验：
对每个SPD或其部件进行的检查其是否符合设计要求的试验。
35．接收试验：
贸易时，由用户和制造商协商同意对SPD或对订购品抽样进行的试验。
36．冲击试验分类
36.1.Ⅰ类试验：
对样品进行额定放电电流In，1．2／50μs冲击电压，最大冲击电流Iimp的试验（仅对I类SPD）。
36．2.Ⅱ类试验：
对样品进行额定放电电流In，1．2／50μs冲击电压和最大放电电流Imax试验（仅对II类SPD）。
36．3．Ⅲ类试验：
对样品进行混合波（1．2／50μs，8／20μs）试验。
37．1.2／50μs电压脉冲：
一个电压脉冲，其波头时间（从10％峰值上升到90％峰值的时间）为1.2μs；
半峰值时间为50μs。
38．8／20μs电流脉冲：
一个电流脉冲，其波头时间为8μs，半峰值时间为20μs。
39．混合波：
由发生器产生的开路电压波形为1.2／50μs波，短路电流波形为8／20μs电流波。
当发生器与SPD相连，SPD上承受的电压、电流大小及波形由发生器内阻和SPD阻抗决定。
开路电压峰值与短路电流峰值之比为2Ω（相当于发生器虚拟内阻Zf）。
短路电流用ISC表示，开路电压用UOC表示。
40．I类试验中单位能量指标W/R：
电流脉冲Iimp流过1Ω电阻时，电阻上消耗的能量。
数值上等于电流脉冲波形函数平方的时间积分，W/R=∫i2dt。
41．SPD最大承受能量Emax：
SPD未退化时能承受的最大能量，又称SPD的耐冲击能量。
说明：
上述参数及定义主要源自IEC低压配电系统的SPD标准，对应用于信号或数据线的SPD参数将在以后介绍。
四、SPD在低压系统中的选择
1．用户是否需要安装SPD的选择
1）在低压供（配）电系统装置中的设备均应具有一定的耐受浪涌能力（耐冲击过电压能力）。
当无法获得230/400V三相系统各种设备的耐冲击过电压值时，可按IEC60664-1的给定指标选用。
见表1
表1230/400V三相系统各种设备耐冲击过电压额定值
设备的位置
电源处的设备
配电线路和最后分支线路的设备
用电设备
特殊需要保护的设备
耐冲击过
电压类别
Ⅳ类
Ⅲ类
Ⅱ类
Ⅰ类
耐冲击电压额定值（kV）
6
4
2.5
1.5
注：
Ⅰ类——需要将瞬态过电压限制到特定水平的设备；
Ⅱ类——如家用电器、手提工具和类似负荷；
Ⅲ类——如配电盘、断路器、布线系统（包括电缆、母线、分线盒、开关、插座），应用于工业的设备和一些其他设备（例如永久接至固定装置的固定安装的电动机）；
Ⅳ类——如电气计量仪表、一次线过流保护设备、波纹控制设备。
在IEC60364-4-443中也将建筑物电气装置的电气设备按其所在装置内的位置划分为4类耐雷电或投切过电压的区域。
鉴于集成化程度很高的电子设备是通过微电位和小电流进行工作的，其元件的耐冲击能量很低，因此从一次性投资与效益（主要指该信息系统的运转停顿的风险）之比出发，可能需要设置耐冲击电压更低的安装位置类别，如将Ⅰ类安装类别定为500V或耐冲击电压值更低，参看图4，在实际低压运行中雷电过电压常常大于6KV，因此必须考虑SPD的选择问题。
图4各类安装位置电气设备示例
2）在IEC60364-4-443中提出低压电气装置设置防止雷电或投切过电压保护装置需考虑的因素有：
所在地区多年平均雷暴日数是否超过25天/年；
供电线路使用裸线或电缆以及是否架空或埋地入户等。
但在实际工作中不能仅使用25天/年这个指标，也不能仅用是否使用埋地电缆供电来决定是否选用SPD。
正确的方法是进行风险分析，其一为是否需要使用SPD，其二是需要使用多少级SPD，及SPD能量承受能力的分析。
关于用户是否应使用SPD，可参考如下参数进行综合考虑：
A：
环境参数
A1-Ng建筑物所处地区雷击大地的年平均密度（次/km2.年）
环境系数的分析应考虑到直击雷对建筑物闪击造成的电阻耦合和电感耦合，也应考虑到闪击到输电线路或通讯线路上的影响。
风险分析要考虑到直接雷击和间接雷击的各种能量，雷电流可能通过外部防雷装置（LPS），电线（缆），通讯线，以及各种金属管线的侵入。
光纤电缆如果没有金属外护层或金属加强芯，一般情况下不会带来雷电波侵入。
A2：
要充分考虑所在配电系统的投切（操作）过电压产生的频次和严重程度。
A3：
当一建筑物受到雷击时，除LPS系统接闪引下过程中产生电磁耦合，可至使设备损害外。
进入地中的雷电流在接地装置和远处大地之间产生一个数百kV量级的电压，即地电位升。
此电压值取决于接地电阻。
这是部分雷电流流入建筑物并引至远处大地的导体（如电缆）的原因。
A4：
建筑物和设备的位置
——地形
——邻近高大建筑物和森林
与山谷和低矮地区相比，位于高山或山地顶部的设备更易遭受雷击，高塔架上的设备也是这样。
一些位于低处的设备会因邻近更高物的保护遭受直击雷次数较少，但不能解决雷电流通过金属线缆引入的危险。
B：
设备和器材
B1：
设备耐冲击类型和抗冲击等级
设备的耐各种冲击的能力应由设备制造商提供，一般来说耐受能力越低则雷击风险越高。
通常在不了解（或厂商未提供有关资料）设备耐受能力时，可以按设备内部无耐冲击能力进行防电涌设计。
正确的防护方案是：
在建筑物入口处将最大的电涌能量分流使进入设备的电涌降到最低程度。
B2：
接地系统
——接地电阻和阻抗
——不同接地系统的间距
——不同接地系统的连接
在应用SPD中最重要的一点是在SPD接地端的接地和等电位连接。
B3：
供电系统的设计
——架空电力线
——埋地电力线缆
——兼有架空和埋地的电力线缆
虽然埋地电力线缆雷击概率较架空电力线更低，但仍有因埋地电缆附近遭受雷电直接闪击而产生的过电压，对于高阻值土壤电阻率的地区更是这样。
在兼有架空和埋地电力线缆的防雷设计中，设计者要进一步进行精确的计算。
一般来说，架空线路很长和架设高度较高的线路，风险较大。
C：
经济损失和业务中断
C1：
业务量下降或业务损失
因雷电灾害损坏设备至使业务工作运转困难或中断造成的损失。
如工业自动化控制系统或计算机处理系统，在故障的短时间内改为人工操作是不可能的。
C2：
经营损失
由于计算机、通讯设备等信息系统在瞬态过电压影响下无法使用会造成商业的营运和工业生产的停顿的直接损失。
C3：
设备更换、修理的损失
C4：
应急系统如火警系统因供电或信号系统中断降低了使用效率。
D：
安全
如果存在着绝缘击穿危及人身安全，那么有必要选用SPD。
E：
防护所需费用
含：
设计费、材料费和安装费用。
根据以上A、B、C、D、E参数制作的风险估算计算公式正在研究中。
2．选择SPD的基本原则
在低压系统中确定使用SPD后。
便是如何选择SPD这个问题了。
选用SPD是一系统工程，其基本原则应包含：
防护分区、利用分流、划分等级、区分系统和分别安装，简称“五分法”，介绍如下。
1）防护分区：
在培训班教材之三中，我们已对雷电防护区（LPZ）的概念和实际意义做了说明，其作用之一是便于确定在不同的LPZ交界处SPD的安装位置和估算SPD的不同性能指标。
其中在LPZ0与LPZ1区交界处因冲击电流幅值较大（200～100kA），持续时间较长（T2为350μs），因而要求SPD具有较大的通流能量和最大承受能量（Emax）值，所以应选用开关型SPD，但由于开关型SPD的弱项是响应时间较长和大多带有续流和残压较大等，因此从能量配合角度出发需要在LPZ1和LPZ2区交界处选用SPD2，在敏感电子设备前端选用SPD3……SPDn等，其安装位置也就是等电位连接位置基本都在各雷电防护区的交界处，如LPZ2与LPZ3区交界处。
在一多层建筑物中，LPZ的划分与SPD的安装位置可参见图5。
SPD：
电涌保护器
PZ：
保护区
LPZ：
雷电防护区
图5
2）利用分流：
在培训班教材之三中，我们介绍了对进入建筑物的各种设施之间雷电流的分配。
图6进一步示意说明了利用外部防雷装置（LPZ）对于分流雷电流起积极作用。
在图6示意说明了通过低压配电线路进入建筑物的雷电流仅为全部雷电流的17%，在相线和中性线上各为8.5%。
假定该建筑物为第一类防雷建筑物，那么在每一相线或中性线上安装的SPD的放电参数Iimp（最大冲击电流）达到200KA×
8.5%=17kA≈20KA（10/350μs
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