解决方案
低压配电系统中电涌保护器的选择及安装
北京建筑设计研究院?方磊
?
?????????
近年来，随着现代化水平的不断提高，民用建筑物内安装的电子信息设备和计算机设备越来越多，电子信息设备一般工作电压较低，耐压水平也很低，极易受到雷电电磁脉冲的危害，因此设有信息系统设备的民用建筑物，除应考虑防直击雷措施外，还应考虑雷电电磁脉冲的防护措施。建立完善的雷电浪涌过电压保护措施是电气工程设计的重要组成部分，为此本文提出了在实际工程中，如何根据被保护建筑物的特点选择电涌保护器，如何根据低压电源系统的不同形式安装电涌保护器及有关的注意事项。可供工程设计人员实际应用中参考。
1．电涌保护器（英文缩写为SPD，以下简称SPD）的分类
（1）开关型SPD，又称雷电流避雷器，这种SPD在没有电涌时为高阻抗，但一旦响应电压电涌时其阻抗就突变为低值，用作这种非线性装置的常见例子有放电间隙，气体放电管，闸流晶体管（可控硅）及三端双向可控硅开关。这类SPD有时称为克罗巴型SPD。
（2）限压型SPD，这种SPD在没有电涌时为高阻抗，但随着电涌电流和电压的增加其阻抗会不断减小，用作这类非线性组件的例子是压敏电阻和抑制二极管，这类SPD有时称为箝压型SPD。
（3）联合型SPD，这种SPD由电压开关型部件和限压型部件联合组装在一起，根据二者的联合参数和应用电压特性可组合装成具有电压开关﹑限压或这两种特性兼有的联合型SPD。
2、SPD的主要性能、指标
（1）最大持续运行电压Uc：
可以持续施加于电涌保护器的最大交流有效值电压或最大直流电压，等于电涌保护器的额定电压。
（2）冲击电流Iimp：
用于电源的第一级保护SPD，反映了SPD的耐直击雷能力（采用10/350μs波形）。包括幅值电流Ipeak和电荷Q，其值可根据建筑物防雷等级和进入建筑物的各种设施（导电物、电力线、通讯线等）进行分流计算。
（3）标称放电电流In：
流过SPD的8/20μs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15?KA，对于Ⅱ级分类实验In不小于5KA。
（4）保护电压水平Up:
在标称放电电流（In）下的残压，又称SPD的最大钳压，对于电源保护器而言，可分为一、二、三、四级保护，保护级别决定其安装位置，在信息系统中保护级别需与被保护系统和设备的耐压能力相匹配。
3、电涌保护器SPD的主要性能、指标的确定
3.1?最大持续运行电压Uc的选择：
选择220/380V三相系统中的电涌保护器时，其最大持续运行电压Uc应符合表1规定：
表1?SPD的持续运行电压Uc
电涌保护器接于?配电网络的系统特征
TT系统?TN-C系统?TN-S系统?引出中性线的IT系统?不引出中性线的IT系统
每一相线和中性线间。?1.1?Uo?NA?1.1?Uo?1.1?Uo?NA
每一相线和PE线间。?1.1?Uo?NA?1.1?Uo?Uoa?线电压a
中性线和PE线间?Uoa?NA?Uoa?Uoa?NA
每一相线和PEN线间。?NA?1.1?Uo?NA?NA?NA
NA：不适用注1.Uo是指低压系统相线对中性线的标称电压,在220/380V系统中，Uo=220V。注2.此表基于IEC61634-1修改版1。
a?这些值对应于最严重的故障状况,因而没有考虑10%的余量。
3.2?SPD的电压保护水平Up的选择：
最大电涌电压，即SPD的最大箝压（Up）加上其两端的引线的感应电压（UL）应与所属系统的基本绝缘水平和设备允许的最大电涌电压相一致，即：?Up+UL?≤设备耐冲击过电压水平。无论对远处雷击,直接雷击或操作过电压,均不应大于表2中的Ⅱ类,即对于220/380V电气装置Up值不应大于2.5kV。采用接线形式2（注：见本文第4部分）时,接于相线与PE线之间的SPD的总保护水平也应符合上述要求。
表2?220V/380V三相配电系统的各种设备绝缘耐冲击过电压额定值
设备位置?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?6?kV?4kV?2.5?kV?1.5?kV
注：Ⅰ类-需要将瞬态电压限制到特定水平的设备；Ⅱ类-如家用电器、手提工具及类似负荷；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）及应用于工业设备和一些其他设备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。
3.3?SPD的雷击冲击电流Imp及标称放电电流I?n的确定：?
（1）在已具备防雷装置的情况下使用SPD防止直接雷击或在建筑物临近处被雷击引起的瞬态过电压时，应根据雷电防护区分区的原则选用I级试验、Ⅱ级试验、Ⅲ级试验的SPD。
确定SPD的雷击冲击电流Imp一般应进行分流计算（计算方法参见防雷规范条文说明第6.4.7条）。当电流值计算无法确定时，其雷击冲击电流不应小于表3中所列指标。
表3?SPD的标称放电电流和雷击冲击电流
雷电防护分区交界面?接在每一保护模式通路上的SPD?接在中性线和PE线之间的SPD?试验类别
三相系统?单相系统?
PZ0A区或LPZ0B区与LPZ1区?雷击冲击电流Imp10/350μs,12.5kA?雷击冲击电流Imp10/350μs,50kA?雷击冲击电流Imp10/350μs,25kA?I级分类试验
LPZ1区与LPZ2区?标称放电电流In8/20μs,5kA?标称放电电流In8/20μs,20kA?标称放电电流In8/20μs,10kA?Ⅱ级分类试验
LPZ2区与其后续防雷区?标称放电电流In8/20μs,3kA?标称放电电流In8/20μs,12kA?标称放电电流In8/20μs,6kA?Ⅲ级分类试验
注1：表中的雷击冲击电流Imp?值规定引自IEC60364-5-534：过电压保护器注2：表中的分类试验的定义见防雷规范附录八。
（2）在建筑物电气装置中使用SPD限制从电源系统传来的大气瞬态过电压（由间接的，远处的雷击引起的）和操作过电压时，可选用Ⅱ级分类试验的SPD及必要时加装Ⅲ级分类试验的SPD。符合Ⅱ级、Ⅲ级分类试验的SPD的标称放电电流I?n不应小于表3中所列指标。
4、SPD在低压电源系统中的安装及接线?
4.1?装置的电源进线端或其附近装设SPD时，应在下面所列的各点之间装设：
（1）当在电源进线端，中性线与PE（保护线）直接相连或没有中性线时，接在每一线与总接地端子或总保护线之间，取其路径最短者。接线参见图1。
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-PE线与N线的连接带；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1?TN系统中的SPD安装
（2）当在电源进线端，中性线与PE（保护线）不直接相连时：
接线形式1：接在每一相线与总接地端子或总保护线之间，和接在中性线与总接地端子或总保护线之间，取其路径最短者。接线参见图2。
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2?TT系统中SPD安装在剩余电流保护器的负荷侧
接线形式2：接在每一相线与中性线之间和接在中性线与总接地端子或总保护线之间，取其路径最短者。接线参见图3。
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，可位于母线的上方或或下方；
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3?系统中电涌保护器安装在SPD的电源侧
在低压配电系统的电源进线端或其附近装设SPD的安装要求见表4。
表4?SPD的安装要求
电涌保护器接于?电涌保护器安装点的系统特点
TT系统?TN-C系统?TN-S系统?引出中性线的IT系统?不引出中性线的IT系统
装设依据?装设依据?装设依据?
接线型式1?接线型式2?接线型式1?接线型式2?接线型式1?接线型式2?
每一相线和中性线间。?+?·?NA?+?·?+?·?NA
每一相线和PE线间。?·?NA?NA?·?NA?·?NA?·
中性线和PE线间?·?·?NA?·?·?·?·?NA
每一相线和PEN线间。?NA?NA?·?NA?NA?NA?NA?NA
相线?+?+?+?+?+?+?+?+
5、低压电源系统中SPD的选择及安装位置
5.1?信息系统雷击电磁脉冲的防护应按其所处的建筑物条件、信息设备的重要程度、发生雷击事故严重程度等进行雷击风险评估，将信息系统雷击电磁脉冲的防护分为A、B、C、D四级，分别采用相应防护措施：
A级：宜在低压系统中采取3-4级SPD进行保护。
B级：宜在低压系统中采取2-3级SPD进行保护。
C级：宜在低压系统中采取2级SPD进行保护。
D级：宜在低压系统中采取1级或以上SPD进行保护。
[说明]?风险评估计算方法参见IEC61662：雷击损害风险的评估。
5.2?SPD在电源系统中的安装位置如下：
（1）在LPZ0A区和?LPZ0B区与LPZ1区交界面处连续穿越的电源线路上应安装符合I级分类试验的SPD，如总电源进线配电柜内、配电变压器的低压侧主配电柜内、引出至本建筑物防直击雷装置保护范围以外的电源线路的配电箱内。
（2）在LPZ0B区与LPZ1区交界面处穿越的电源线路上应安装符合Ⅱ级分类试验的SPD，如引出至本建筑物防直击雷装置的保护范围之内的屋顶风机、屋顶广告照明的电源配电箱内。
（3）当电源进线处安装的电涌保护器的电压保护水平加上其两端引线的感应电压保护不了该配电箱供电的设备时，应在该级配电箱安装符合Ⅱ级分类试验的SPD，其位置一般设在LPZ1区和LPZ2区交界面处。如：楼层配电箱、计算机中心、电信机房、电梯控制室?、有线电视机房、楼宇自控室、保安监控中心、消防中心、工业自控室、变频设备控制室、医院手术室、监护室及装有电子医疗设备的场所的配电箱内。
（4）对于需要将瞬态过电压限制到特定水平的设备（尤其是信息系统设备），应考虑在该设备前安装符合Ⅲ级分类试验的SPD，其位置一般设在LPZ2区和其后续防雷区交界面处。如：计算机设备、信息设备、电子设备及控制设备前或最近的插座箱内。
5.3?SPD在住宅中的安装：
（1）高层住宅应在照明、动力总配电箱内安装符合I级分类试验的SPD，并宜在屋顶风机、电梯等设备的电源配电箱内安装符合Ⅱ级分类试验的SPD。高层住宅在工程档次较高及造价允许的情况下宜在住户配电箱内安装符合Ⅲ级分类试验的SPD。
（2）多层住宅在符合本文第五部分2条1款时，宜在照明总配电箱内安装符合I级分类试验的SPD。符合本文第五部分2条2款时，宜在照明总配电箱内安装符合Ⅱ级分类试验的SPD。分散型小别墅宜将SPD安装在住户配电箱内。
6、电涌保护器安装的注意事项：
SPD的安装应注意如下问题：
（1）第一级保护的SPD应靠近建筑物的入户线的总等电位连接端子处，第二、三级保护的SPD应尽量靠近被保护设备安装。
（2）电涌保护器接至等电位连接的导线要尽可能短而直。
（3）为满足信息系统设备耐受能量要求，SPD的安装可进行多级配合，在进行多级配合时应考虑SPD之间的能量配合，当有续流时应在线路中串接退耦装置。有条件时，宜采用同一厂家的同类产品，并要求厂家提供其各级产品之间的安装距离要求。在无法获得准确数据时，电压开关型与限压型SPD之间的线路长度小于10米时和限压型SPD之间线路长度小于5米时宜串接退耦装置。
（4）在同一电源系统中，当安装在电源装置的起点处的SPD的保护电压水平Up≤末端被保护设备的耐压水平的50%时，可仅安装一级电涌保护器。
（5）必须考虑退化或寿命终止后可能产生的过电流或接地故障对信息系统设备运行的影响，因此在SPD的电源侧应安装过电流保护装置（如熔断器或空气断路器），过电流保护器（设置于内部或外部）与SPD一起承担等于和大于安装处的预期最大短路电流，选择时，应考虑SPD制造厂商规定的其产品应具备的最大过电流保护器。此外,制造厂商所规定的SPD的额定阻断蓄流值不应小于安装处的预期短路电流。在TT系统中还应安装剩余电流保护装置，并宜带有劣化显示功能。
（6）在爆炸危险场所使用的SPD应具有防爆功能。
（7）在考虑各设备之间的过电压保护水平Up时，若线路无屏蔽时尚应计及线路的感应电压，在考虑被保护设备的耐冲击过电压水平时宜按其值的80%考虑。
（8）在供电电压超过所规定的10%及谐波使电压幅值加大的场所，应根据具体情况对氧化锌压敏电阻SPD提高Uc值。
（9）当设有信息系统的建筑物需加装SPD保护时，若该建筑物没有装设防直击雷装置和不处于其他建筑物或物体的保护范围内时，宜按第三类防雷建筑采取防直击雷的措施。在要考虑屏蔽的情况下，防直击雷接闪器宜采用避雷网。?
引用标准和文献：
B50057-94（2000年版）建筑物防雷设计规范
IEC61024-1：建筑物防雷?第1部分?通则
IEC61312-1：雷击电磁脉冲的防护?第1部分?通则
IEC61312-2：雷击电磁脉冲的防护?第2部分?建筑物的屏蔽、内部等电位连接及接地
IEC61312-3：雷击电磁脉冲的防护?第3部分?浪涌保护器的要求
IEC60364-5-534：建筑物的电气装置?第5部分?电气装置的选择与安装IEC61662：?雷击损害风险的评估
QX3-2000：中华人民共和国气象行业标准?气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范
银行系统电子设备防雷设计及运行维护解决方案 |
通信站防雷设计 通信站的雷电防护问题过去一直都存在，由于近年来大量采用了高可靠性的先进设备，加上运维水平的提高，通信站的运行可靠性也极大地提高，而现代的电信设备对雷电较敏感，这样雷害问题就日益凸显出来…… |
电子设备防雷应用解决方案 |
变电所微机装置防雷保护 随着科学技术的日新月异，微机保护和自动化装置以其高度的灵敏性，速动性和维护管理的方便性，在电力系统中得到了飞速的发展和广泛的应用。但微机系统越是先进，芯片的集成度就越高，电路越复杂…… |
邮电系统通信站防雷设计及维护解决方案 |
计算机机房防雷 系统防雷保护的应用涉及很多行业，在这里我们重点描述的是“计算机信息系统”的雷电防护设计原则。系统雷电防护设计是一项系统工程，那么从系统论的角度上讲，系统结构愈合理，系统的各个部分（要素）之间的有机结合就越合理，相互之间的作用就愈协调，从而才能使整个系统在总体上达到最佳的运行状态…… |