论配电系统电涌保护器的正确选用

1、论配电系统电涌保护器的正确选用李顺康 上海核工程研究设计院建筑设计院摘 要：建筑物低压配电系统中的重要电子信息系统,应按国家规范<<建筑物防雷设计规范>> GB50057-94（2000年版）第六章的有关规定防范雷击电磁脉冲，本文介绍配电系统电涌保护器涉及的一些技术参数和实际应用，对建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50343-2004中一些问题提出看法，供大家参考讨论。关键词：最大持续运行电压（Uc） 电压保护水平（Up） 电网暂态过电压（Utov）标称放电电流（In） 最大放电电流（Imax） 冲击电流（Iimp） 开路电压（Uoc） 短路电流(Isc） 建筑物电涌

2、保护系统等级（甲、乙、丙、丁）一、概述在进行配电系统电涌保护器（以下简称SPD）的设计选用时，应合理确定建筑物电涌保护系统等级，仔细分析高压和低压配电系统的接地型式，充分考虑SPD的最大持续运行电压、电压保护水平、通流容量、暂态过电压、后备保护熔断器、SPD接线方式及线路连接方式、SPD之间以及SPD与被保护设备之间的距离等各种因素，方能确保电子信息设备有可靠保护并保证低压配电系统能安全运行。二、SPD技术参数简介SPD1 入口级电涌保护器SPD2 中间级电涌保护器SPD3 设备级电涌保护器SPD4 精细级电涌保护器图1 雷电流波形典型示意图Uc 最大持续运行电压Ures 残压，即放电电流过S

3、PD时，在其端子间的峰值电压Up 电压保护水平 对限压型SPD，Up是指规定电流波形下的最大残压（级分类试验为Iimp、级分类试验为In、级分类试验为规定复合波试验装置开路电压Uoc下的最大残压）。对开关型SPD，Up是指规定冲击电压波下（1.2/50s）的最大放电电压。对组合型SPD，Up是指最大残压和最大放电电压二者之间的一个较大值。注：应用Up值须注意与其相应的放电电流峰值、波形及波前陡度相对应，并与其最大持续运行电压相对应。不能只单单关注这一个Up值，须知仅这一个技术参数是不能反映SPD真实能力的。级分类试验,用标称放电电流In、1.2/50s冲击电压和冲击电流Iimp进行的试验。级分

4、类试验,用标称放电电流In、1.2/50s冲击电压和最大放电电流Imax进行的试验。级分类试验,用复合波（开路电压1.2/50s，短路电流8/20s）进行的试验。In 标称放电电流 8/20s波形 （15次）In是指流过SPD、具有8/20s波形的电流峰值，该电流用于级分类试验的SPD分级以及级、级分类试验的SPD的预处理试验。Imax 最大放电电流 8/20s波形，（一般情况下，Imax=2In） （ 1次）Ipeak 电流峰值Iimp 冲击电流 10/350s波形 （ 1次）冲击电流Iimp以电流峰值Ipeak（kA）和电荷量（C）定义。其试验根据动作负载试验的程序进行。冲击电流试验要求的

5、电荷量Q=0.5Ipeak,Q应在10ms内通过。Uoc 开路电压（开路电路时施加1.2/50s波形冲击电压）Isc 短路电流（短路电路时施加 8/20s 波形短路电流）复合波发生器的虚拟阻抗标称值为2（Uoc=2Isc），开路电压的峰值和短路电流的峰值的最大值分别为20kV和10kA，在这些值（20kV/10kA）以上，应进行级分类试验。Utov 电网暂态过电压电网暂态过电压是指持续时间相对较长的工频过电压，通常由高压或低压系统中的操作或故障引起（如突然加、甩负荷，单相接地故障）或非线性现象（铁磁谐振、谐波）引起。UT 暂态耐受过电压TOV 暂态过电压注：试验电压UT 和施加时间tT 的组合

6、应由制造商规定，GB18802.1-2002 (idt IEC 61643-1:1998)附录B( 规范性附录 )TOV值应该予以满足。(1) 本特性不考虑浪涌与TOV故障同时发生的可能性。(2) 暂态过电压可能超过SPD的暂态耐受过电压能力UT ，设计时须引起足够重视。三、SPD的一些设计原则1 5m原则限压型与限压型SPD之间的线路长度不宜小于5m的距离，不满足要求加装电感藕合线圈。2 10m原则（1）除非组合型SPD，电压开关型SPD与限压型SPD之间不宜小于10m的距离，不满足要求加装电感藕合线圈。（2）设备级或精细级SPD距被保护设备之间的线路长度应满足不大于10m以上的距离，不满足

7、要求在被保护设备附近再加装一级SPD。注：由于雷电流波过程的折反射，会使在SPD电涌保护器处已被钳制的电压顺着线路的延长又随之上扬，若不予以处理解决，相关的被保护设备照样会被击穿、打坏 。因此，当SPD距被保护设备超过一定的距离，就要求在被保护设备附近加装相应等级的SPD 。3 30m原则如果有需设备级SPD3保护的设备（非专线供电方式），当中间楼层配电柜（箱）与入口级SPD1之间的线路长度大于30m，中间楼层配电柜（箱）应加装中间级SPD2（但注意在乙级及以下SPD保护等级典型方案情况下，当入口级SPD1的Up1.5kV，可在任何条件下无需设置中间级SPD2）。4 SPD的接线方式（MC、M

8、D、CT1、CT2）SPD接线方式可基本分为共模方式（MC）和差模方式（MD）：（1）共模方式（MC）为相线或中性线与接地线之间设置SPD的接线方式， CT1接线就是在相线、中性线与接地线之间设置SPD，常用于TN制配电系统，也可有条件地用于TT制配电系统（在高压侧不接地系统或大电流接地系统但高、低压不共地情况下，TT制配电系统SPD就可推荐用CT1接线，此时，SPD的Uc1.55Uo，其原因在于接地故障造成的非故障相对地电压一般不会超过相电压的50%）。（2）差模方式（MD）为相线与相线、相线与中性线之间设置SPD的接线方式。（3）CT2接线即俗称的“ 3+1”接线就是在相线与中性线之间设置

9、SPD，同时在中性线与接地线之间设置SPD（放电间隙“1”）。在大电流接地系统且高、低压共地情况下，TT制配电系统SPD的接线方式就非CT2接线莫属。主要原因是高压侧单相接地故障可能会引发低压侧出现高电位，TT制配电系统SPD若不采用此种接线方式会在这种故障状态下招致毁灭性损坏并导致电气故障。因为高压单相接地故障可能会持续0.5s左右，工频暂态过电压可能会高达数百伏甚至上千伏，限压型SPD的Uc值远低于1200V、微秒级的过电压保护能力不能承受毫秒级的工频暂态过电压, 放电间隙“1”起的作用就是让SPD在这种故障状态下避开工频暂态过电压。详见王厚余低压电气装置的设计安装和检验一书“SPD的选用

10、和安装”所述。5. SPD的线路连接方式SPD的线路连接方式可分为“ T”型连接和“ V”型连接二种,设计时宜作出要求：（1）“ T”型连接：适用于SPD1和中间级SPD2。一般情况下，由于此处的电缆或电线截面较大，采用这种连接方式比较容易施工，但设计和施工交底时应注意“ T”型连接处的连接线应尽量短且直，上引线（引至相线和中性线）和下引线（引至接地线）之和应小于0.5m，上引线和下引线的截面应予以保证，目的是减少线路上的压降（同时保证通流时没有问题），有利于保护设备和线路。（2）“ V”型连接：适用于SPD3或SPD4（即以前所称的“ 凯文”接线）。一般情况下，由于此处的电缆或电线截面较小，

11、采用这种连接方式施工没有什么困难，“ V”型连接的最大好处就在于SPD连接线处几乎不存在线路压降，对被保护设备极其有利。（3）SPD引线的最小截面要求:第一级 SPD 上引线的导线截面 16 mm²（多股绝缘铜线）接地引线导线截面 25 mm²（多股绝缘铜线）第二级SPD 上引线的导线截面 10 mm²（多股绝缘铜线）接地引线导线截面 16 mm²（多股绝缘铜线）第三级SPD 上引线的导线截面 6 mm²（多股绝缘铜线）接地引线导线截面 10 mm²（多股绝缘铜线）第四级SPD 上引线的导线截面 4 mm²（多股绝缘铜线）接

12、地引线导线截面 6 mm²（多股绝缘铜线）6. SPD、SPD保护电器与配电系统保护电器的关系问题（1）SPD保护电器之间与配电系统保护电器的关系问题一般情况下， SPD均应位于配电系统的保护电器之后。只有在一种特殊状况下即当正常情况下断路器是断开状态的，为使SPD起到应有的作用，才会将SPD置于位于断路器之前，但这种情况很少见。SPD的保护电器与其配电系统的保护电器还应满足选择性配合关系，例如熔断器保护整定电流之比应满足1:1.6。设计人员要注意SPD的保护熔断器整定电流须不大于SPD供应商限定的最大后备保护熔断器整定电流，要不然，SPD在承受大幅值的电涌电流情况下极其危险，可能会

13、爆炸。（2）SPD与RCD的关系问题当SPD采用CT1接线，SPD应接于RCD之后；当SPD采用CT2接线，SPD应接于RCD之前。原因是CT1接线时，RCD能及时测得即将失效SPD的泄漏电流，可作用于跳闸或报警，避免一旦SPD失效，SPD对地短路引发接地故障，导致各种电气事故。在CT2接线情况下，SPD即使失效短路，由于“ 1”即放电间隙的存在，也绝不会导致接地故障，RCD不可能测得SPD的泄漏电流，所以应将RCD装于SPD 之后，同时可避免大幅值的雷击电磁脉冲电流不必要地流过RCD的零流线圈。关于RCD跳闸还是报警的问题，电气设计人员应根据具体设备的负荷性质来确定，例如一些消防、人防设备和

14、一些断电会导致重大事故发生、伤及人身的用电设备，当RCD测得SPD的泄漏电流超过设定值时，应不跳闸而仅发出报警信号，一方面让这些设备能坚持工作，另一方面提醒运行维护人员及时更换将要失效的SPD。其他一般场所的RCD测得SPD的泄漏电流时超过设定值时，则应该跳闸，以免SPD失效短路导致接地故障。7. 最大持续运行电压UcCECS标准建筑物低压电源电涌保护器选用、安装、验收和运行规程（中国工程建设标准化协会标准-报批稿，以下简称CECS标准）对SPD的最大持续运行电压Uc提出了详细、具体的要求。“Uc经新标准TOV试验”的意思：SPD通过GB18802.1-2002的TOV试验，设计可用此栏数值。

15、“Uc按TOV要求选择” 的意思： SPD未经GB18802.1-2002的TOV试验，设计应用此栏数值。接地制式接入位置接线方式接入位置Uc经新标准TOV试验Uc按TOV要求选择备注TNRCD后CT1共模L-PE253V380V推荐N-PE253V320VRCD前CT2（3+1）L-N253V320VN-PE250V 间隙250V 间隙TT高压不接地或高、低压不共地RCD后CT1共模L-PE341V380V推荐N-PE253V320VRCD前CT2（3+1）L-N253V320VN-PE250V 间隙250V 间隙TT高压接地并且高、低压共地RCD前CT2（3+1）L-N253V320V要求

16、N-PE1200V间隙1200V间隙注：当供电部门高压侧采用大电流接地系统，同时又要求低压用户必须采用TT制接地系统，首选应要求供电部门高、低压分开设置接地装置，从根本上解决问题；做不到时退而求其次只能在低压侧选择CT2接线，在这种情况下，SPD自始至终就应选择CT2接线（在N-PE之间设置放电间隙，有Uc1200V要求）。供电部门可能并不了解高压系统接地型式的不同竟会影响到低压系统的SPD选择、应用，电气设计应引起充分注意。8电压保护水平UpCECS标准对SPD的电压保护水平Up建议满足下列要求：冲击耐受配合说明SPD1入口级SPD2中间级SPD3设备级 / SPD4精细级冲击耐受水平IEC

17、60664-14kV2.5kV1.5kV紧凑配合满足上面的要求4kV2.5kV1.5kV有裕度配合20%裕度3.2kV2kV1.2kV新标准IEC60364-5-534-20022.5kV1.5kV利用新产品低电压保护水平2.5(1.5)kV1.5kV1.2kV / 1.2kV注：上述的最大持续运行电压Uc和电压保护水平Up均涉及系统和被保护设备的安全与可靠。(1) 根据上表，设计人员会发现根据IEC最新标准，入口级SPD1的Up值不大于2.5kV ，CECS标准希望甲级保护能不大于1.5kV ；设备级SPD3的Up值不大于1.5kV ，CECS标准希望甲级保护能不大于1.2kV 。(2) 设

18、计人员应根据具体的项目、被保护设备耐压能力所需要的电压保护水平、实际的SPD产品性能，选用合适的参数，但入口级SPD1/设备级SPD3的Up限值 2.5kV/1.5kV 不应该突破，甲级电涌保护等级入口级SPD1 宜取Up1.5kV。SPD供应商应充分利用新技术、努力开发新产品来予以保证。(3) 一些SPD供应商样本上的Up值较小，但对应的是较小的Uc，设计人员应注意区分，不可随意选用，否则SPD在电网暂态过电压时，可能会出现问题被击穿导致低压配电系统短路或发生接地故障（SPD通过GB18802.1-2002的TOV试验则另当别论）。Uc、Ures、Up 参数之间的关系：Uc<Ures&

19、lt;Up；UcUresUp。符号表示越大，表示引起9. SPD设置要求在以下各线之间安装SPDSPD安装处低压配电系统的接地制式TTTN-CTN-SIT（有中性线引出）ITCT1CT2CT1CT2CT1CT2L-N + ONA + O + ONAL-PE ONANA ONA ONAON-PEOONA O O O ONAL-PENNANAONANANANANAL-L + + + + + + +注：根据不同的低压配电系统的接地制式安装SPD 。O 必须 NA 不适用 + 非强制性的，可附加选用10. 建筑物电涌保护系统等级CECS标准将建筑物电涌保护系统的可靠性分为甲、乙、丙、丁四个等级，国标建

20、筑物电子信息系统防雷技术规范GB50343-2004（以下简称信息系统防雷）、2004-06-01实施的保护分级则定为A、B、C、D四个等级，基本对应，注意不要与B、C、D级SPD的概念混淆。注：建筑物电涌保护系统的等级不是指某一个SPD的等级。11. SPD电涌能量承受能力要求CECS标准要求的SPD电涌能量承受能力要求如下（目前此表格内参数仅供了解用，不作为设计依据，条件栏内“本建筑物无接闪器”是指已处于其他建筑物防雷保护之下）：条 件电涌保护等级第一级SPD保护Ipeak ( kA )(10/350s)第二级SPD保护In ( kA )(8/20s)第三级SPD保护第四级SPD保护Uoc

21、(kV)1.2/50s/ Isc(kA) 8/20s架空进线电涌甲(乙)级 SPD112.5SPD210SPD3 & SPD410/5架空进线电涌丙(丁)级 SPD16.5SPD3(丁级无)5电缆进线，配变屋外电涌甲(乙)级 SPD110SPD27SPD3 & SPD47/3.5电缆进线，配变屋外电涌丙(丁)级 SPD15SPD3(丁级无)3.5电缆进线穿管，配变屋内共地电涌甲(乙)级 SPD15SPD23.5SPD3 & SPD43.5/1.75电缆进线穿管，配变屋内共地电涌丙(丁)级 SPD12.5SPD3(丁级无)2电缆进线，本建筑物无接闪器电涌甲(乙)级SPD1

22、In5(8/20s)SPD21SPD3 & SPD41/0.5电缆进线，本建筑物无接闪器电涌丙(丁)级SPD1In5(8/20s)SPD3(丁级无)1注：SPD技术参数的选用，设计可按下列原则分析、确定：(1) 不同的分类试验没有等级之分，也没有可比性，设计选用技术参数应根据SPD所处位置而定。(2) 关于级分类试验的Uoc/Isc的问题，设计院颇为棘手的是绝大部分SPD供应商没有提供相应的技术参数，对此，有关的SPD供应商尤其是国内的SPD生产厂家应引起足够的重视，国标低压配电系统的电涌保护器（SPD）第1部分：性能要求和试验方法GB18802.1-2002对级复合波试验（主要针对终

23、端设备的电涌保护）已有专门的试验要求，像德国的菲尼克斯（PHOENIX CONTACT）就在技术样本上标出了用于终端设备SPD的Uoc值，电气设计人员选用时就极具针对性。甲级保护在SPD3和SPD4均设置的情况下，SPD3可采用级分类试验的In，SPD4应采用级分类试验的Uoc/Isc 。乙级保护在仅设置SPD3的情况下，SPD3应采用级分类试验的Uoc/Isc 。鉴于目前的实际情况，在很多SPD生产厂家暂时还未能提供级分类试验的Uoc/Isc的条件下，设计人员只能以级分类试验的In替代，希望国内的SPD生产厂家能尽快完善这方面的工作。(3) 当考虑建筑物防雷装置或附近遭雷击时，雷击电流峰值要

24、求：Ipeak12.5kA( 10/350s,对每种接线方式的SPD )。CT2接线时，N-PE之间的SPD间隙 则为Ipeak50kA(三相×4)，Ipeak25kA(单相×2)。(4) 当仅考虑防大气过电压（感应雷或远处直击雷）和操作过电压时，进户处的SPD标称放电电流In5kA( 8/20s,对每种接线方式的SPD )。CT2接线时，N-PE之间的SPD间隙 则为 In20kA (三相×4)， In10kA (单相×2)。(5) 屋顶大型空调机组保护应采用第一级SPD，电梯保护建议采用第一级SPD但可采用第二级SPD。 (6) 第一级、第二级、第三

25、级、第四级SPD保护与SPD1、SPD2、SPD3、SPD4呈不完全对应关系。四、SPD1、SPD2、SPD3、SPD4接于低压配电系统的典型示意图1甲级电涌保护系统等级： SPD1入口级、SPD2中间级、SPD3设备级、SPD4精细级 (共设置四级SPD保护)（信息系统防雷的SPD保护分级A级定为宜采用2或3级）2乙级电涌保护等级：SPD1入口级、SPD2中间级、SPD3设备级 (共设置三级SPD保护)（信息系统防雷的SPD保护分级B级定为宜采用2级）3丙级电涌保护等级：SPD1入口级、SPD3设备级 (共设置二级SPD保护)（信息系统防雷的SPD保护分级C级定为宜采用1或2级） 4丁级电涌

26、保护等级： SPD1入口级 (共设置一级SPD保护)（信息系统防雷的SPD保护分级D级定为宜采用1或2级）图2 SPD1SPD4接于低压配电系统的典型示意图五、建筑物中SPD保护的主要对象建筑物中SPD保护的主要对象应由电气设计人员根据工程的具体情况分析确定，下列主要内容可供参考：1信息系统中心计算机网络中心、有线和无线通信机房、有线电视机房的电源电气设备或电力电子设备（例如UPS、EPS等）。2建筑物整体安全的监控中心消防控制中心或消防控制室、电梯控制室、楼宇自动控制中心或安保监控中心的电源。3重要的大型电气设备消防变频电动机、屋顶中央空调机组、电梯动力设备、变频生活给水泵，尤其是配备智能控

27、制模块、电子监控模块、电力电子模块或装置的设备。4关系人身安全的重要场所医院手术室、急救室、ICU重症监护护理单元、电子医疗设备室的供电和照明。5应急设备、机组备用和在用的应急、备用电源机组和机房。六、对建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50343-2004的一些疑义论文里的技术参数是 CECS标准中要求的，2003年11月下旬举办雷电防护高级学习班进行CECS标准宣贯时，国标尚未出台，现既然国标信息系统防雷GB50343-2004于2004-06-01实施，设计人员目前按理应执行新国标。但对信息系统防雷有一些疑问，提出来供各设计院同仁一起分析、研究，也让信息系统防雷的编撰人员引起充分注意，具

28、体内容如下：1信息系统防雷的综合防雷系统违反<<建筑物防雷设计规范>> GB50057-94的有关规定信息系统防雷的综合防雷系统将建筑物内部防雷和外部防雷<<建筑物防雷设计规范>> GB50057-94，其防雷接地系统不能与建筑物的共用接地系统共用，信息系统防雷。否则，应在规范中注明第一类防雷建筑物已不再要求设置独立的接地装置，以免引起设计人员的困惑。2信息系统防雷对电子信息系统设备由TN交流配电系统供电时，描述比较详细，画出了各级SPD安装位置的示意图，但未针对TT交流配电系统供电时的情况作出描述。信息系统防雷作为一本国家标准，应对TN、TT等

29、交流配电系统供电时设置各级SPD的情况作出全面的描述，虽然TT交流配电系统供电时设置各级SPD情况很复杂，描述比较困难，处理起来难度也大，而且还需要供电部门的配合，但如果国标都不作出规定，那电气设计人员具体操作就肯定有难度。希望信息系统防雷的编撰人员针对这一情况，尽快予以完善。3信息系统防雷对Up电压保护水平未按IEC最新要求实施。由于我国已进入WTO，各行各业要与国际市场接轨，作为我们的国家规范，理应等效采用或遵守IEC国际电工委员会的最新规定，SPD电涌保护器入口级不要求Up2.5kV是不合适的。如果是出于国情的需要，目前国内一些SPD电涌保护器生产厂家无能力满足，也应在条文说明中予以详细

30、描述，让设计人员明白怎样的设计才能达到最佳效果。 4信息系统防雷对Iimp冲击电流（10/350s波形）、In 标称放电电流（8/20s波形）参数值是否偏大。2004年6月17、18日在上海国际会议中心一楼举办了“2004(上海)国际防雷技术论坛暨展览会”，此次大会由上海市防雷中心和深圳市中电创意会展有限公司共同主办，并有广东、浙江、江苏、山东、安徽、福建、江西等多家防雷中心参加。与会的有关防雷专家均不约而同地提到：一般的建筑物电子信息系统防雷其Iimp冲击电流 12.5kA（10/350s波形）已基本达到大部分建筑物电子信息系统防雷的技术要求，绝大部分的雷击对电气系统最终产生的冲击电流都未超

31、过12.5kA（10/350s波形），所以建议Iimp=12.5kA（10/350s波形）就行了。另外，技术论坛所反映的观点与CECS标准Iimp冲击电流（10/350s波形）、In 标称放电电流（8/20s波形）的参数取值观点基本相似：通流容量应该考虑，不需要太大，控制各级SPD的残压即充分关注其Up电压保护水平才是关键。另外，低压配电系统的电涌保护器（SPD）第1部分：性能要求和试验方法GB18802.1-2002对Iimp、In已有明确的称呼，信息系统防雷将Iimp、In统称为标称放电电流显然不合适，会误导一部分电气设计人员。5信息系统防雷Uc 最大持续运行电压、Td 年平均雷暴日等技术参数问题。信息系统防雷GB50343-2004是一本专门针对防LEMP设置SPD的国家标准，按道理它应在各个方面都比建筑物防雷设计规范GB500