工业与民用配电设计手册 第十三章第七节.docx
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工业与民用配电设计手册第十三章第七节
《工业与民用配电设计手册》
第十三章雷电防护及电力设备过电压保护
编者杨天义校审者顾尔矿
第七节
电涌保护器的选择和配合要求
一、电涌保护器的种类
电涌保护器SPD（SurgeProtectiveDevice）是一种用于带电系统中限制瞬态过电压和导引泄放电涌电流的非线性防护器件。
用以保护电气或信息设备和线路免遭雷电或操作过电压及涌流的损害。
1、按其使用的非线性元件的特性分类
（1）电压开关型SPD：
当无电涌时，SPD呈高阻状态；而当电涌电压达到一定值时，SPD突然变为低阻抗。
因此，这类SPD被称“短路开关型”；常用的非线性元件有放电间隙、气体放电管、双向可控硅开关管等；具有通流容量大的特点，特别适用于LPZ0A区和LPZ0B区的雷电过电压保护；但一般宜用于“3+1”保护模式中低压N线与PE线间的电涌保护。
（2）限压型SPD：
此类SPD当无电涌时呈高阻抗，但随着电涌电压和电流的升高，其阻抗持续下降而呈低阻导通状态。
此类非线性元件有压敏电阻，瞬态抑制二极管（如齐纳二极管或雪崩二极管）等，此类SPD又称“箝压型SPD”，因其箝位电压水平比开关型SPD要低，故常用于LPZ0B区和LPZ1区及以上雷电防护区域内的雷电过电压或操作过电压保护。
（3）混合型SPD；这是将电压开关型元件和限压型元件组合在一起的一种SPD，随其所承受的冲击电压特性的不同而分别呈现电压开关型SPD、限压型SPD或同时呈现开关型及限压型两种特性。
（4）用于通信和信号网络中的SPD除有上述特性要求外，还按其内部是否串接限流元件的要求，分为有/无限流元件的SPD。
2、SPD按在不同系统中的不同使用要求分类
按用途分为电源系统SPD、信号系统SPD和天馈系统SPD；按端口型式和连接方式分为与保护电路并联连接的单端口SPD及与保护电路串联连接的双端口（输入、输出端口）SPD，以及适用于信息系统的多端口SPD等；按使用环境分为户内型和户外型等等。
二、SPD的性能及参数
1、SPD的冲击试验级别
（1）Ⅰ级分类试验：
这是对Ⅰ类SPD进行的用标称放电电流In、1.2/50μs冲击电压和10/350μs最大冲击电流（Iimp）做的试验。
最大冲击电流在10ms内通过的电荷Q（A·s）等于幅值电流Ipeak（kA）的二分之一，即Q（A·s）=0.5Ipeak（kA）。
这是规定用于安装在LPZOA区与LPZ1区界面处的雷电流型SPD的试验程序。
（2）Ⅱ级分类试验：
这是对Ⅱ类SPD进行标称放电电流In、1.2/50μs冲击电压和8/20μs波形最大放电电流（Imax）的试验。
这是规定用于限压型SPD的试验程序。
（3）Ⅲ级分类试验：
对SPD进行的复合波（发生器产生的开路电压峰值Uoc波形为1.2/50μs电压波，短路电流峰值Isc波形为8/20μs电流波且Uoc与Isc之比为2Ω，该比值定义为虚拟阻抗Zf）所做的试验。
2、信息系统用SPD的测试类别
适用于通信及信息系统的SPD，根据其应用情况要求的测试类别及波形参数从表13-27中选取。
表13-27信息系统用SPD试验类别及参数
类别
测试类型
开路电压①
短路电流
A1
非常低的上升速率
≥1kV
上升速率0.1kV/s
至100kV/s
10A
0.1A/μs至2A/μs
≥1000μs（持续时间）
A2
AC
开路电压应使SPD导通，短路电流及持续时间从系列优选值中选取
B1
低上升速率
1kV
10/1000
100A
10/1000
B2
1kV或4kV
10/700
25A或100A,5/300
B3
≥1kV
100V/μs
10A,25A或100A
10/1000
C1
快上升速率
0.5kV或1kV
1.2/50
0.25kA或0.5kA
8/20
C2
2kV，4kV或10kV
1.2/50
1kA，2kA或5kA
8/20
C3
≥1kV
1kV/μs
10A，25A或100A
100/1000
D1
高能量
≥1kV
0.5kA，1kA或2.5kA
10/350
D2
≥1kV
1kA或2.5kA
10/250
①开路电压可不为1kV，但应足以使受试SPD动作。
按照干扰源对通信系统的耦合机理选择信号用SPD最适合的试验类别及波形见表13-28。
表13-28按干扰耦合机理选择信号SPD的测试类别
干扰源
直接雷击
间接雷击
（附近）
间接雷击（远处）
AC影响
耦合形式
电阻传导
感应
电阻传导
感应
感应
电阻传导
电压波形
—
1.2/50μs
—
1.2/50μs
10/700μs
50/60Hz
电流波形
10/350μs
8/20μs
10/350μs
8/20μs
—
—
最合适的测试类别
D1
C2
D1
C2
B2
A2
3、SPD主要参数及其定义
（1）最大持续工作电压Uc：
允许持续施加于SPD端子间的最大电压有效值（交流方均根电压或直流电压），等于SPD的额定电压。
Uc不应低于线路中可能出现的最大连续运行电压。
（2）标称放电电流In（额定放电电流）：
流过SPD的8/20μs波形的放电电流峰值（kA）。
一般用于对SPD做Ⅱ级分类试验，也可用于Ⅰ、Ⅱ级分类试验的预处理试验。
（3）冲击电流Iimp（脉冲电流）：
由电流峰值Ipeak和总电荷Q所规定的脉冲电流，一般用于SPD的Ⅰ级分类试验，其波形为10/350μs。
（4）最大放电电流Imax：
通过SPD的8/20μs电流波的峰值电流。
用于SPD的Ⅱ级分类试验，其值按Ⅱ级动作负载的试验程序确定。
Imax>In。
（5）额定负载电流IL：
能对双端口SPD保护的输出端所连接负载提供的最大持续额定交流电流有效值或直流电流。
（6）电压保护水平Up：
是表征SPD限制接线端子间电压的性能参数，对电压开关型SPD指规定陡度下最大放电电压，对电压限制型SPD指规定电流波形下的最大残压，其值可从优先值列表中选择，该值应大于实测限制电压的最高值，并应与设备的耐压相配合。
（注：
实测限制电压指对SPD施加规定波形和幅值的冲击电压时，在其接线端子间测得的最大电压峰值。
用于通信及信号系统的SPD，其实测限制电压试验的波形及参数见表13-27）。
（7）残压Ures：
冲击放电电流通过电压限制型SPD时，在其端子上所呈现的最大电压峰值，其值与冲击电流的波形和峰值电流有关；Ures是确定SPD的过电压保护水平的重要参数。
（8）残流Ires：
对SPD不带负载，施加最大持续工作电压Uc时，流过PE接线端子的电流。
其值越小则待机功耗越小。
（9）参考电压Uref（1mA）:
是指限压型SPD（如电力系统无间隙避雷器）通过1mA直流参考电流时，其端子上的电压。
（10）泄漏电流I
：
在0.75Uref（1mA）直流电压作用下流过限压型SPD的漏电流，通常为微安级，其值越小则SPD的热稳定性越好。
为防止SPD的热崩溃及自燃起火，SPD应通过规定的热稳定试验。
（11）额定断开续流值：
SPD本身能断开的预期短电路电流；不应小于安装处的预期短路电流值。
（注：
续流If：
冲击放电电流以后，由电源系统流入SPD的电流。
续流与持续工作电流Ic有明显区别）。
（12）响应时间：
从暂态过电压开始作用于SPD的时间到SPD实际导通放电时刻之间的延迟时间，称为SPD的响应时间，其值越小越好。
通常限压型SPD（如氧化锌压敏电阻）之响应时间短于开关型SPD（如气体放电管）。
（13）冲击通流容量：
SPD不发生实质性破坏而能通过规定次数、规定波形的最大冲击电流的峰值；对Ⅰ级分类试验的SPD以Ipeak来表征；对Ⅱ、Ⅲ级分类试验的SPD以Imax来表征，一般约为标称放电电流（In）的2~2.5倍。
（14）用于信号系统（包括天馈线系统）的SPD，另有插入损耗、驻波系数、传输速率、频率、带宽等特殊匹配参数的要求。
三、SPD的性能选择及配合性要求
（一）SPD的性能选择
（1）SPD必须能承受预期通过它们的电涌电流，并有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流。
1）SPD承受预期雷电涌流的能力由SPD的标称放电电流或通流容量来表征：
评估不同防雷区界面处安装的SPD通过的预期雷电涌流值参见本章第六节图13-42所示的原则和方法，SPD的选用应根据其安装处的雷电防护区及预期雷电涌流（峰值Ipeak）的大小而区别选择安装。
SPD的标称放电电流或冲击通流容量应大于相应的预期雷电涌流值。
分析评估低压配电系统内雷电涌流的分布时，应考虑下述影响雷电流分配的因素，包括：
供电电缆的长度，被雷击建筑物接地系统的阻抗，装设于建筑物外的供电变压器的接地阻抗，用电设备的接地阻抗以及与之作了等电位联结的通信线路和水管等金属管道的并联接地阻抗，配电系统其他并联使用点的接地阻抗等。
要对上述情况下的雷电流分布进行较精确的计算是很繁杂的；然而考虑到SPD的能量承受能力主要与雷电流的持续时间即波尾长度有关，而雷电脉冲波尾部分在被保护系统内电流变化速度已大为减低，因此工程估算可以忽略系统感应电抗的影响，此外还可以忽略供电缆线阻抗及已装设了SPD的变压器绕组阻抗对电涌电流分布的影响；而只考虑建筑物接地、水管接地、供电系统及通信系统的接地装置之接地电阻对雷电流分配的影响（如偏于安全考虑还可以忽略水管及电话线路等的分流影响），从而可以对流经SPD的雷电流分配进行简化计算。
为抑制从配电线路引入的大气过电压（感应雷及远处直击雷）和内部操作过电压而在建筑物电气装置电源进线处装设的过电压保护装置，在正常情况下是装设Ⅱ级试验的SPD，以及在必要时可装设Ⅲ级试验的SPD。
对每一保护模式（保护模式见本节第四.（9）条）SPD的标称放电电流In不应小于5kA（8/20μs）。
而当保护模式为SPD接于每一相线与中性线之间及接于中性线与保护线（PE）之间（即所谓“3+1”保护模式）时，接于中性线和PE线之间的SPD：
对于三相系统In按接于相线与PE之间的每个SPD的4倍选取，即不应小于20kA（8/20μs），对于单相系统In按接于相线与PE之间的每个SPD的2倍选取，即不应小于10kA（8/20μs）。
当考虑建筑物防雷装置或其附近遭直击雷击时，通过进户处SPD的雷击冲击电涌电流应按前述雷电涌流的分流值计算确定。
如果电流值无法确定，则对SPD的每一保护模式，通过的雷电冲击电流Iimp值不应小于12.5kA（注：
IEC-TC81新标准草案为10kA）；对“3+1”保护模式中接于中性线和PE线间的SPD：
对于三相系统Iimp不应小于50kA（注：
IEC-TC81新标准为40kA），对于单相系统Iimp不应小于25kA（注：
IEC-TC81新标准为20kA）。
对各类工业与民用建筑物、应按照建筑物的防雷等级、雷电环境条件、被保护系统类型及其重要性等因素进行雷击危险度评估以确定不同的电涌保护类别（参见本章附录）。
SPD的标称放电电流或冲击通流容量及级位配置应按不同的电涌保护类别及雷电流参数按前述估算或简化计算的方法确定，同时应满足多级间协调配合的要求和上述最小值规定。
具体配置可参照相关行业标准的规定。
按YD/T5098—2001《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》，各类通信局（站）交流电源系统电涌保护器的装设及标称放电电流的选择可参照表13-29。
表13—29通信局（站）交流电源系统SPD标称放电电流In选择表
通信局（站）位置
SPD安装位置
配变低压侧或低压配电屏入口
（SPD1）
电力室配电屏入口
（SPD2）
城市,中雷区（或少雷区*）
In≥20kA（限压型）
In≥15kA（限压型）
城市,多雷区/强雷区
（孤立、高大建筑机楼）
In≥40kA（限压型）
In≥15kA（限压型）
郊区/山区,中雷区以上
Imax>60kA（限压型）或In≥15kA（开关型）
In≥15kA（限压型）
高山,多雷区以上
或中雷区以上、架空引入时
（微波站或移动通信基站）
Imax>100kA（限压型）或In≥25kA（开关型）
In≥15kA（限压型）
注1.Td为年平均雷暴日数，d/a；少雷区：
Td<25（*但雷击危险评估仍需装设SPD者），中雷区：
25≤Td<40，多雷区：
40≤Td<90，强雷区：
Td≥90。
2.标称放电电流与冲击通流容量试验波形:
对限压型SPD为8/20μs,对开关型SPD为10/350μs。
3.当低压总配电屏与分配电屏之间的的电缆长度超过50m时，应在分配电屏电缆输入侧芯线
对地装设In≥20kA的限压型SPD。
4.当配电屏与楼层配电箱之间电源线长度超过30m或该层设备对雷电较敏感时，宜在楼层配
电箱内加装In≥10kA的限压型SPD3。
5.用于主控及监控系统终端设备供电的拖板式电源插座排内，应具有In为3kA的SPD4。
6.野外空旷场所无机房的无线基站电源线路应装设Imax>100kA的混合型SPD。
位于中雷区以上的通信局（站）直流电源系统，亦应在机房或电力室直流配电屏、总配线架与程控交换机之间、监控系统直流电源设备馈线处，将直流电源（DC48V）负极对地装设标称工作电压不小于70V，通流容量不小于15kA的直流SPD。
在通信局（站）信号系统中装设的SPD应符合下述要求：
a.通信局（站）之天馈线同轴电缆，应在机房入口处装设标称放电电流In≥5kA的同轴型SPD，其插入损耗应不大于0.2dB，驻波比应不大于1.2，其余参数及接口型式应满足系统要求。
b.出入通信局（站）的信号线，应在进/出通信设备之前，在其芯线对地加装信号用SPD，其标称放电电流应不小于3kA；其余参数如传输速率、带宽、插入损耗及接口等应满足系统要求。
c.通信局（站）计算机、控制终端、监控系统的网络数据线应在其出入端加装标称放电电流不小于3kA的SPD（如采用半导体放电管器件则In≥300A），其余参数及接口应满足系统要求。
如采用光缆传输信号、无需采用SPD保护，但为两端设备供电的电源芯线对地应装设标称放电电流为10kA的限压型SPD。
d.天馈系统同轴电缆安装SPD的要求参见本章第三节之五，微波站防雷部分。
2）SPD熄灭工频续流的能力由其额定阻断续流电流值来表征：
制造厂所规定的SPD（开关型）之额定阻断续流值不应小于安装处的预期短路电流。
在TN或TT系统中，接于中性线和PE线之间的开关型SPD之额定阻断续流电流值应不小于100A；而在IT系统中，接于中性线和PE线之间的SPD额定阻断续流电流值与接于相线和中性线间的SPD相同。
（2）SPD的电压保护水平Up的选择
在建筑物进线处或其它防雷区界面处的最大电涌电压，即SPD的最大箝压加上其两端引线的感应电压，应与所属系统及设备的绝缘水平相配合。
因此，SPD的电压保护水平Up加上其两端引线（至所保护对象前）的感应电压之和应小于所在系统和设备的绝缘耐冲击电压值，并不宜大于被保护设备耐压水平的80%。
当无法获得设备的绝缘耐冲击电压时，低压系统设备可按表13—30确定。
表13—30低压系统各类设备的额定冲击电压耐受值①V
系统标称电压
从交流或直流标称电压导出线对中性点的电压（小于等于）
设备的额定冲击电压
过电压（安装）类别②
三相③
单相
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
120～240
50
100
150
20
500
800
1500
2500
4000
500
800
800
1500
1500
2500
230/400
300
1500
2500
4000
6000
277/480
400/690
1000
300
1500
2500
4000
6000
8000
12000
600
2500
4000
6000
1000
4000
6000
8000
注①本表引自GB/T16935.1—1997（idtIEC664-1:
1992）《低压系统内设备的绝缘配合》第一部
分：
原理、要求和试验。
②过电压（安装）类别说明：
过电压类别Ⅰ—需要将瞬态过电压限制到特定低水平的设备，例如电子电路或信息设备。
过电压类别Ⅱ—由未级配电装置供电的设备，如家用电器，可移动式工具或类似负荷。
过电压类别Ⅲ—安装于配电装置中的设备，如配电盘及安装于配电盘中的开关电器，包
括电缆，母线等布线系统；以及永久连接至配电装置的工业用设备，比
如电动机等。
过电压类别Ⅳ—是使用在配电装置电源端的设备，如主配电盘中的电气仪表和前级过流
保护设备、波纹控制设备、稳压设备等。
③三相四线配电系统用符号“/”表示，较低值为线对中性点电压，较高值为线对线电压，
仅有一个值的表示三相三线系统且为线电压。
在一般情况下，对表13—30的Ⅰ、Ⅱ类过电压类别的设备还应考虑操作过电压的影响。
当电气装置由架空线或含有架空线的线路供电，且当地雷电活动符合外界环境影响条件AQ2（间接雷击，雷暴日数>25日/年）或通过雷击风险评估认为应装设防止大气过电压（感应雷或远处雷击）的保护装置（SPD）时，以及用于防护建筑物或其附近遭受直击雷击引起的过电压时；装于建筑物进户处电气装置内或低压架空进线入户处，或架空进线与地下电缆的转接点处之过电压保护装置（SPD）的保护水平（当SPD为装于相线与中性线之间和中性线与PE线之间时，应为相线与PE线间总的电压保护水平）不应高于表13-30的Ⅱ类过电压水平。
例如230/400V电气装置的过电压保护水平不应超过2.5kV。
当装设一级电涌保护器（SPD）达不到上述保护水平时，应采用多级配合协调的SPD以确保达到上述要求的过电压保护水平。
信息设备耐冲击过电压值当无法获得时，可参考表13-31中数据选用。
通信工程电源系统耐雷电冲击指标可参考表13-32。
表13-31通讯设备预期耐共模冲击过电压值
设备名称
预期耐共模冲击过电压
电话交换局或类似的电信交换中心的数字交换设备
1.0kV（10/700μs）
电信用户终端设备
1.5kV（10/700μs）
放置在建筑物内的ISDST/S总线的设备
1.0kV（1.2/50μs）
注“共模过电压”引自电磁兼容术语，在电涌保护中指出现在带电线路（相线）对地之间的过电压，而“差模过电压”则是指出现在带电线路之间（如相线与中性线之间或相线与相线之间）的过电压。
表13-32通信工程电源系统耐雷电冲击指标
耐雷电冲击类
别
设备名称
额定电压
（V）
混合雷电冲击波
模拟雷电压冲击波
电压峰值（kV）
（1.2/50μs）
模拟雷电流冲击波
电流峰值（kA）
（8/20μs）
5
电力变压器
10000
75
20
6600
60
20
交流稳压器
220/380
6
3
4
市电油机转换屏
220/380
4
2
交流配电屏
低压配电屏
备用发电机
3
整流器
220/380
2.5
1.25
交流不间断电源
（UPS）
2
直流配电屏
直流-24V，-48V或-60V
1.5
0.75
1
通信设备机架电源交流入口（由不间断电源供电）
220/380
0.5
0.25
DC/AC逆变器
直流-24V，-48V或-60V
DC/DC变换器
通信设备机架直流电源入口
注1.当设备安装在不同的雷电环境条件下，应套用相应类别的指标。
2.本表引自通信行业标准YD5078-98《通信工程电源系统防雷技术规定》。
（3）SPD的最大持续工作电压Uc的确定
SPD的最大持续工作电压Uc应不低于系统中可能出现的最大持续运行电压，此时应考虑系统最大电压偏差值及短时过电压（见第（4）款）。
对于220/380V三相系统中的SPD，其持续工作电压Uc应符合表13—33的规定。
表13—33低压220/380V系统中电涌保护器的最大持续工作电压
系统特征
SPD
安装于
TN系统
TT系统
IT系统
TN-S
TN-C
SPD安装于RCD的负荷侧
SPD安装于RCD的电源侧
引出中性线
不引出中性线
L—N
≥1.15U0
不适用
≥1.55U0
≥1.15U0
≥1.15U0
不适用
L—PE
≥1.15U0
不适用
≥1.55U0
≥1.15U0
≥1.05U*
≥1.05U*
N—PE
≥U0*
不适用
≥U0*
≥U0*
≥U0*
不适用
L—PEN
不适用
≥1.15U0
不适用
不适用
不适用
不适用
注1.表中U0为系统标称相电压，U为系统标称线电压；对220/380系统，U0=220V，U=380V。
2.RCD为剩余电流保护器（漏电保护器）或带漏电保护功能的断路器。
3.系数1.15中0.1考虑系统的电压偏差，0.05考虑电涌保护器的老化。
4.标有*的值是故障下最坏的情况，所以不需计及10%的允许偏差。
5.SPD的安装接线见图13—43～图13—46。
相线（L）之间是否安装SPD，按其是否可能产
生的差模过电压及其抑制要求确定。
在供电系统电压偏差超过10%以及因谐波作用使正常运行电压幅值升高的场所，还应根据具体情况适当提高上述SPD规定的Uc值；但同时应兼顾过电压保护水平（残压）与被保护设备的配合。
在直流系统中，SPD的最大持续工作电压Uc约为被保护系统额定电压的1.5倍左右（经验值）。
安装于通信信号线路中的SPD，其最高工作电压应大于通信线额定工作电压的1.2倍。
常用的通信线路工作电压参见表13-34。
表13-34常用通信线的工作电压
序号
通信线类型
额定工作电压
（V）
SPD最高工作电压Uc（V）
速率（一般情况）BPS
接口类型
1
DDN/X025/帧中继
<6或40-60
18或80
2M以下
RJ/ASP
2
xDSL
<6
18
8M以下
RJ/ASP
3
2M数字中继
<5
6.5
2M
同轴BNC
4
ISDN
<40
80
2M
RJ
5
模拟电话线
<110
180
64k
RJ
6
100M以太网
<5
6.5
100M
RJ
7
同轴线缆以太网
<5
6.5
10M
同轴BNC
同轴N
8
RS232
<12
18
SD
9
RS422/485
<5
6
2M
ASP/SD
10
视频线
<6
6.5
同轴BNC
11
工业现场控制
<24
27
ASP
注由于通信设备厂商的不同，通信线的工作电压可能与上表不同，具体参数应参照产品说明书或实测取得。
图13—43TT系统中电涌保护器安装
在剩余电流保护器的负荷侧
1—装置的电源；2—配电盘；3—总接地端或总接地连接带；4—电涌保护器（SPD）；
5—电涌保护器的接地连接，5a或5b；6—需要保护的设备；7—剩余电流保护器，应考虑通雷电流的能力；F—保护电涌保护器推荐的熔丝、断路器或剩余电流保护器；
RA—本装置的接地电阻；RB—供电系统的接地电阻
图13—44TN系统中的电涌保
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