浅谈防雷设计

1、浅谈建筑低压电气一端口SPD选型史曾渊Applicatio of one-port Low-voltage surge protective devices in Low-voltage electrical systemShi Zengyuan(Shanghai Sunyat Architecture Design co.ltd. Shanghai200050,China)Abstract: This paper briefly introduces how to choose SPD by the Standard of Protection against lightning and L

2、ow-voltage surge protective devices Surge protective devices connected toLow-voltage power system Selection and application principles, calculationg of SPD coordinated protection.Keyword: Surge protective devices(SPD) Lightning protection level(LPL) coordinated protection current steepness one-port

3、SPD摘要：简介根据 IEC建筑防雷设计规范IEC62305及IEC61643低压电涌保护器（SPD）的选用原则，对SPD进行选型及SPD之间的配合选型计算。关键词：防浪涌保护器（SDP）雷电防护等级（LPL） 配合保护 电流陡度 一端口SPD引言随着我国经济建设的快速发展和建筑科技的进步，我国生活水平不断提高，对供电系统的稳定性、人身安全的要求也日益提高，因此对于浪涌及电涌的防护要求也随之提高。SPD浪涌保护器作为抑制浪涌及电涌对电子、电力系统的冲击起到了相当重要的作用。1.1确定建筑雷电防护等级（LPL）及防雷系统（LPS）类型根据IEC62305-1总则，不同雷电防护等级（LPL）的雷击

4、电流参数的最大值在表1中给出，用以设计防雷部件（例如导体截面，金属板厚度、SPD 的电流能力、对危险火花的间隔距离），并在对这些部件受雷击影响做模拟时定义其测试参数。不同雷电防护等级（LPL）的雷击电流振幅的最小值用来推导滚球半径（参见表2）。以便定义雷电防护区，哪里不会受到直接雷击。表2中给出了雷击电流参数的最小值和相应的滚球半径。这些数据用以决定接闪器位置和去定义雷击保护区LPZ0B。表3给出了防雷等级相应的雷电防护等级，根据防护等级依据表4选取相应的滚球半径及网格尺寸.表5、6分别给出了不同LPS类型金属板或接闪器装置中金属管的最小厚度、引下线间距和环形导体间距。表1 不同雷电防护等级（

5、LPL）的雷击电流参数的最大值表2 不同雷电防护等级（LPL）的雷击电流振幅的最小值及相应滚球半径下列表36给出了IEC规范中防雷等级相应的防雷系统保护方式：LPLLPS类型表3 LPL和LPS的对应关系 防护方式LPS类型滚球半径R（m）网格尺寸M（m）205*53010*104515*156020*20表4 不同类型的LPS对应的滚球半径及网格尺寸LPS类型材料厚度Ta（mm）厚度Tb（mm）至铁Fe40.5铜Cu50.5铝Al70.7Ta 防止穿透、热点或着火。Tb 如果防止穿透、热点或者着火不重要的话，仅对钢板而言。表5 金属板或接闪器装置中金属管的最小厚度LPS类型参考间距m1010

6、1520表6 引下线间距和环形导体间距相对不同类型LPS的参考值防雷装置、接地的使用材料规格及最小截面积国标与IEC一致，此处不再列表阐述。1.2 SPD的安装位置及LPZ的确定：图1 办公楼防雷区域的划分示意图图1为IEC办公楼防雷区域的划分示意图（参见IEC62305-4 P25），有上图可知哪些部位需装设SPD，图中还应注意到高压电缆进线的变电所被定义为扩展的LPZ0A，故变压器总断路器处需安装一类试验波形的SPD（一类试验的SPD有两种波形10/350s与8/20s，不止是10/350s一种）。1.3 SPD的选型图2给出了IEC推荐的SPD选择流程图图2 SPD选型流程图选型之前应对

7、以下技术参数有所了解：（以下名词的定义解释参见IEC61643-12第3章）冲击电流 impulse current （Iimp）根据操作规程试验的程序测得的电流峰值（Ipeak）和电荷（Q）。用于I 级分类试验中SPD的分类。标称放电电流 nominal discharge current （In）流经 SPD，波形为8/20 的电流的峰值。用于II 级分类试验中SPD 的分类和I 级和II 级分类试验中SPD 的预处理。II 级试验的最大放电电流maximum discharge current for class II test（Imax）流过SPD，具有 8/20波形电流的峰值，其值按

8、II级动作负载的程序确定。Imax大于In。最大持续运行电压 maximum continuous operating voltage (Uc)可以持续加在SPD 上的最大交流电压有效值或直流电压。其值等于SPD 的额定电压。暂态过电压 temporary overvoltage （UT）受保护设备可以承受的、在某个特定时间段超过了最大持续运行电压（Uc）的最大r.m.s值或直流过电压。注1 根据IEC 61643-1 定义3.18 改写，加入了以下注释。注2 UT 是制造商公布的电压，此时在给定的时段内SPD 有固定的特性（这意味着要么暂态过电压过后性能没有变化，要么所出现的故障对人身、装置

9、和设备没有损害）。电压保护水平voltage protection level（Up）表征SPD限制接线端子间电压的性能参数，其值可从优先值的列表中选择。该值应大于实测限制电压的最高值。网络的暂态过电压 temporary overvoltage of the network （UTOV）在网络中给定位置所产生的工频过电压，具有相对较长的持续时间。TOV 可能由LV 系统（UTOV, LV）或HV 系统（UTOV, HV）内部的故障造成。注 暂态过电压典型的持续时间最多为几秒钟，通常产生自开关操作或故障（例如，突然甩负荷、单项故障等），以及/或非线性（铁磁共振、谐振等）。UTOV,LV低压配电

10、系统暂态过电压SPD 能量承受能力的选择（Iimp，Imax 或Uoc 的选择取决于试验类型）应基于风险分析（见条款7），即比较电涌发生的概率，受保护设备的价格和可接受的故障率，包括当用到多于1个SPD 时的配合分析。1、在建筑物的进线入口（在LPZ1边界，即在电力线路主配电盘MB上）：保护模式SPD 的保护元件可以按线 线、线 地、线 中性线、中性线 地以及混合等多种方式连接。这些方式被称为保护模式。IEC 61643-1 定义3.71.3.1 在建筑物的进线入口（在LPZ1边界，即在电力线路主配电盘MB上）：根据下表7（参见IEC62305-1附录E）所示给出了第一级SPD的冲击电流或标称

11、电流的粗略选择LPL低压系统电子信息系统闪击于设备闪击于设备附近闪击于建筑或附近闪击于设备闪击于设备附近闪击于建筑或附近损害原S3（直击）10/350s波形（kA）损害原S4（非直击）8/20s波形（kA）损害原S1或S2（S1引起的感应电流）8/20s波形（kA）损害原S3（直击）10/350s波形（kA）损害原S4（非直击）测试：5/300s（测试：8/20s）（kA）损害原S2（感应电流）8/20s波形（kA）-52.50.110.01（0.05）0.05-1050.220.02（0.01）0.1表7 雷击造成的预期浪涌过电流损害源：1、 S1雷击建筑物2、 S2雷击建筑物的临近区域3、

12、 S3雷击入户的公共设施4、 S4雷击入户的公共设施的临近区域如需详细计算按以下公式（参见IEC61643-1附录A）：为了确定配备外部防雷系统的建筑遭到直接雷电时通过SPD的电流分布，通常采用接地体的欧姆电阻就足够精确，例如：建筑物、管道接地、配电系统接地等。在不可能单独估算（例如计算）的场合，可以假定总雷电流I的50%流入考虑的建筑物防雷系统的接地端。另外50%电流，称为Is，在进入建筑物的设施中分配，例如，外部导电部件、电源线和通信线等。流过每个设施的电流值称为Ii：Ii =Is/n 式中 n 是设施的数量。在估算非屏蔽电缆中每个导线的电流（称为Iv）时，用导线的根数m除电缆电流Ii，即

13、：Iv = Ii/m至于屏蔽电缆，通常大部分电流通过屏蔽层。优选值Ipeak相当于Iv。对于第一级进户处SPD的防雷采用10/350s波形与8/20s波形，应考虑一下几点：（1）是否直接遭遇雷击，现在许多工程中进户管为埋地进户不会遭遇直接雷而且保护钢管在进户处于建筑等电位进线了可靠有效的联结，大大增加了其屏蔽能力。如屋顶遭遇直接雷导致雷电流沿引下线流入建筑物是应按不同的建筑模型考虑（如图3参见IEC62305-4 P30）：图3 不同类型的建筑模型如上图所示，建筑的三种典型模式，雷击时电源侧即变压器低压侧的SPD承受的雷电流完全不同。根据IEC的分流理论则类型2的建筑势必防雷引下线远多于类型3

14、，则根据分流公式电源线分得的雷电流值大大下降。所以建筑的类型对雷电流的分流起了很大的影响。1.3.2：SPD的连接导线截面积SPD的连接导线应根据后面保护的熔丝去选择，熔丝的选择原则是在SPD工作时（有雷电流流过时）熔丝不得熔断，即熔丝最小燃弧值应大于SPD中所受的雷电流带来的焦耳热,根据公式W=I²*t（参见 GB50057-2010建筑物防雷设计规范附录J）进线计算。应注意的是与运行开关所导致的其他电涌相比，保险丝工作所产生的电涌出现频率较低。但是，在中断短路回路的情况下，能产生非常严重的电涌过电压。这主要受短路电流上升速率、保险丝的特性及其额定电流以及回路自感的影响。通过安装在

15、母线附近的保险丝清除配电系统馈电线中的短路电流较为重要，因为保险丝开关所产生的过电压影响所有连接到同一母线上的用电设备。基于统计的经验显示在公共低压供电系统中，这样的故障可能极少发生。但是，在考虑到工业配电系统时，短路的发生就不再那么少见了，这类故障就有了些重要性。对10/350s波形：I²*t=256.3*I对 8/20s波形: I²*t=14.01*I最大放电电流幅值Ipeak（KA）（10/350）I2t（A2s）后备保护熔体最小额定电流（A）GL导线截面（mm2）6092268025095506407502007035313967.51605020102520100

16、251557667.51002512.540046.9802510256306316表8 冲击电流（10/350s）与后备保护熔丝及导线的匹配选型表标称放电电流幅值In（KA）（8/20）I2t（A2s）后备保护熔体最小额定电流（A）GL导线截面（mm2）160358400160501001401001253580896641002570686491002560504368025503502580254022857631630126095010205604326153152.32561014012046504.36164表9 标称电流（8/20s）与后备保护熔丝及导线的匹配选型表对于不同厂家的

17、熔断器预燃弧值的不同导致选型有一定差异。1.3.2 Uc（最大持续运行电压）表10 Uc与标准电压之间的关系根据表8对于不同的接地形式及安装位置确定Uc值。同时还需考虑SPD可能的劣化及其他系统的非正常状态留出5%的裕度。再根据IEC61643-1-5.5交流有效值或直流的最大持续工作电压Uc的优选值：52 63 75 95 110 130 150 175 220 230 240 250 260 275 280 320 420 440 460 510 530 600630 690 800 900 1000 1500v有时在选择相与地之间的SPD的Uc时应考虑特定的失效状态，这是为了避免在出现故

18、障时过多的SPD损坏。IEC61643-1-4.1.3.2图4指出当低压装置中出现故障（短路）时TN系统中相线和中性线之间的UTOV,Lv故障电压为1.45 Uo，同时考虑到Uc越高则Up越高（我国规范规定第一级浪涌保护电压保护水平不大于2.5kv），故IEC61643-附录E中给出Uc不高于1.5 Uo。所以在共模保护模式下（Up2.5kv的情况下）1.15 UoUc1.5 Uo。1.3.3 UT（暂态过电压）表11 不同接地系统中的UT 暂态过电压有两维，振幅和时间。过电压的持续时间主要取决于供电系统得接地（包括高压供电系统和SPD 所接的低压系统）。确定暂态过电压应考虑供电系统的最大持续

19、运行电压（UCS）。从UT的选取应考虑UTOV,LV低压系统故障与UTOV,HV高压系统故障。在高压系统故障时，应考虑高压系统的接地方式：例如阻抗接地的高压系统，持续时间大于5s 时，Uo+ 250V r.m.s.例如中性点直接接地的高压系统，持续时间最高达5s 时，Uo + 1200V r.m.s.低压系统中的故障产生的暂态过电压可以通过两个因素定义：k1 是最大电压与标称系统电压的比值。k1 通常在1.05 到1.1 的范围内。这包括了电压水平的正常调整。Ucs = k1×Uok2 是供电系统的Ucs 之上发生的供电系统电压的最大放大率。在三项低压系统中出现故障时，无故障的相上的

20、电压可从大约1.25 变化到理论值3。注1 在单项三线（分相）系统中k2 可高达2。全部暂态过电压被表示为：UTOV,LV = k1×k2×Uo = k2×Ucs注2 暂态过电压通常由例如低压配电系统的故障，电容器开关和发电机停止和启动等事件造成。这些过电压持续时间很短。那些由三项供电系统故障造成的暂态过电压存在的时间从小于0.05s 直至5s。中性线连接不好的单项发电机启动能导致额外过电压，通常持续时间达5s。电容器开关和电压调整部应产生持续时间长于5s 的过电压。因此，IEC 61643-12 中选取的暂态过电压持续时间为0.05s 到5s。注3 在某些网络中

21、，需要考虑由高压系统故障所导致的U0 + 1200V 的短时（小于5s）暂态过电压（UTOV,HV）（见IEC 60364-4-44）。如此高的电压值可能导致SPD 故障。在这种情况下，应进行适当的试验以确保该故障不会对人身、设备和装置造成任何灾难。U0 + 1200V 是最大持续时间为5s 的暂态过电压的最大值。根据低压装置和高压系统得接地系统类型，该值可能存在，也可能不存在。另外，持续时间长于5s 的暂态过电压在IEC60364-4-44 中被定义，且由于持续时间长也可能导致故障。应注意在选取这2个值时，IEC测试试验时间5S的为低压系统故障，200ms为高压系统故障。1.3.4 Up（电

22、压保护水平）SPD的保护水平Up是规定试验时间标称电流产生残压。当流过SPD的电流较大或较小时，SPD端子的电压数值都会相应的变化。在不同标称电流的测试下Up不一。最终的有效保护值Up/f=Up+U（连接线路压降），当SPD仅流过感应电流时U可忽略，根据IEC规定Up/f不应大于被保护设备耐受电压的80%（20%为裕量）。配电装置中的设备过电压上限为4KV，则Up/f3.2KV，Up =2.5KV，则连接线路的电压不应大于0.7KV（熔丝作为后备保护时由于为纯电阻性元件无需考虑电感，若为断路器是则需考虑内部磁线圈产生的电感，有相关实验得出结论断路器做后备保护时Up/f升高1.11.2倍）。根据

23、更为严格的计算应考虑振荡系数，由于振荡系数的考虑因素过多一般取值范围在（1K2）。根据IEC假设电感为1H/m，U=-L*di/dt0.7KV,I=0.1*10000/10=1KA，L=0.7H ，所以连接导线小于0.7米。其实连接导线的长度限制应详细计算得出，示例计算如下(Imax为8/20s波形的放电峰值，Ix为等值转换为10/350s波形的电流值)：SPD1：Imax=20KA，雷电流降级系数假定为4:1,则 Ix=5KA，di/dt=0.5KA/sSPD2：Imax=40KA，雷电流降级系数假定为4:1,则 Ix=10KA，di/dt =1KA/sSPD3：Imax=70KA，雷电流降

24、级系数假定为4:1,则 Ix=17.5KA，di/dt =1.75KA/s再根据U=L*di/dt0.7KVSPD1：L1.4H，连接导线应小于1.4米；SPD2：L0.7H，连接导线应小于0.7米；SPD3：L0.4H，连接导线应小于0.4米；所以连接导线应小于0.5米是一个非常模糊的概念，应根据SPD的Imax或Iimp推算出电流陡度后才能判断连接导线的长度。当然应尽量减小导线连接长度以减少电感。1.3.5 Ic（持续工作电流）Ic是当应用Uc时流经SPD 的电流值。流经接地端子（PE）的电流，如果有的话，被称为残流。该电流被用于选择SPD 来避免过电流装置或其他保护装置（例如RCD）的不

25、必要运行。1.3.6 二、三级SPD的选择在选择二三级SPD时我们必须考虑配合以及SPD盲区的情况（即第一级SPD不触发的零界问题）。以第一级SPD为开关型SPD，第二级SPD为限压型SPD为例：IEC中指出典型的火花间隙在4KV以下200ns（现在产品中一般为100ns响应）以内触发，故Uspeak=4kv，因此第一级SPD触发条件Uspeak=UL+ U0（UL线路电感电压，U0为SPD安装处电压），当考虑极端情况U0=0，即所有的触发电压均有线路电感提供时那么，设导线电感为1H/m导线长度为10m，UL =-L*di/dt则i =5KA（注意此时i为10/350s波形的电流值，此处dt取

26、8s）在根据电流系数之比取保守值5:1,即第二级SPD的标称电流在20KA时即可保证第一级SPD的触发。2 SPD配合问题 2.1基于间隙型SPD与基于氧化锌压敏电阻的SPD配合案例 在LPZO与LPZ1界面的SPD为电压开关型，有可能进入的雷电流水平不足以对它实现触发，此时下级安装的SPD就可能承受10/350s波形，这中情况应当避免。放电间隙（SPD1）的放电与否取决于MOV（SPD2）两端的残压Uc（即通过Imax是SPD的两端电压，也称为限制电压Vc）和退耦元件上的动态电压降UDE。一旦电压U1超过了SPD1的动态放电电压Uspeak，则SPD1放电并达到了配合。在国标建筑物防雷设计规

27、范GB50057-2010中提出:电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不宜小于10m，限压型SPD之间的线路长度不宜小于5m。上述说法也十分模糊，没有具体的公式计算，网上有文章认为是因为一类与二类SPD的响应时间差乘以波在电缆中的传播速度得到的结果，在一类SPD不触发的情况下距离大于10米也没有任何意义。IEC中指出典型的火花间隙在4KV以下200ns（现在产品中一般为100ns响应）以内触发，故Uspeak=4kv如果不考虑增加退耦装置时，应计算线路的自感与Uc能否达到4KV以触发一类SPD导通。一般的U取值在500V600V之间，则线路自感的动态电压应达到3500V（保守计算取下限

28、）3.5KVL*di/dt， SPD1：Imax=20KA，雷电流降级系数假定为4:1,则Ix=5KA，di/dt=0.5KA/sSPD2：Imax=40KA，雷电流降级系数假定为4:1,则Ix =10KA，di/dt=1KA/sSPD3：Imax=70KA，雷电流降级系数假定为4:1,则Ix =17.5KA，di/dt=1.75KA/sSPD1：L=7H，线路所需长度至少为7mSPD2：L=3.5H，线路所需长度至少为3.5mSPD3：L=2H，线路所需长度至少为2m考虑极限情况时：Uspeak=10kv, Uc=500VSPD1：L=18H，线路所需长度至少为18mSPD2：L=9.5H，

29、线路所需长度至少为9.5mSPD3：L=5.43H，线路所需长度至少为5.43m按国标建筑物电子信息系统防雷技术规范中规定保护等级为D级的建筑第二级标称放电电流10KA，故取Imax =20KA，di/dt =0.5KA/s，极限情况下就需18m的距离。所以一般在第二级标称电流大于In=20KA时，大于10米是可靠的，但不应排除特例。在计算需要加装退耦器时应获取以下参数：为方便计算假设每米电感为1H，雷电流陡度取0.1KA/S(为最不利情况)需注意8/20s与10/350s雷电流降级系数假定为4:1。SPD2的Imax为10KA，经过降级系数变比后为2.5KA，则10s的上升时间产生了250A

30、/s的di/dt。Ures（为SPD2的残压），一般Ures未知，可采用保守值Uref表示（Uref为SPD2中压敏电阻的参考电压，该参考电压为压敏电阻的特性参数，有数据时根据压敏电阻的伏安特性曲线决定）也可按以下公式3计算：公式1：LDE-10/350s=（Uspeak -Ures）/（Imax/10s） 公式2：LDE-0.1KAs=（Uspeak -Ures）/（0.1KA/s）公式1与公式2中取计算较大值。公式3：L=（Uspeak -I*R）/（Imax/10s） 注：I为假设间隙在100ns内触发流入下游SPD的电流，R为线路的阻抗（非线性值）。Uref至少大于线路电源的峰值电压A

31、V230V时，Uref=2*230=325V（IEC计算实例给出的Uref=510V） 根据公式1：LDE-10/350s =（4KV-325V）/250A/s=14.7H,即要使用的供电电缆长度为14.7米，或一段电缆与较低值的电感器混合体。根据公式1：LDE-0.1KAs =（4KV-325V）/100A/s=36.5H,即要使用的供电电缆长度为36.5米，或一段电缆与较低值的电感器混合体。根据网上查阅资料，MOV（压敏电阻的限制电压在500V600V之间），采用550V计算 根据公式1：LDE-10/350s =（4KV-550V）/250A/s=13.8H,即要使用的供电电缆长度为13

32、.8米,或一段电缆与较低值的电感器混合体。根据公式2：LDE-0.1KAs =（4KV-550V）/100A/s=34.5H,即要使用的供电电缆长度为34.5米,或一段电缆与较低值的电感器混合体。根据公式3计算时先引入以下概念：第一、 当该案例中自感L、阻抗Z都用于与R的一部分，假定可以忽略。第二、 在高频电流（雷电流频率为1MHZ）时电缆呈现明显的集肤效应，此时电阻R不再是直流电阻R,计算方法如下：RAC= (RDC*D)/ 4 RAC交流电阻，RDC直流电阻，（mm）趋肤深度以25mm²导线为例，经查表RDC在导体温度为80°C时电阻值为0.87m/m, 在1MHZ时取

33、值为0.067mm，D为导线直径为5.64mm，则 RAC =18.3 m/m，假设导线长度为10米，R=0.183 ，感抗=86.3（保守值）根据现在的产品假设火花间隙在100ns内触发，流经下游的SPD的电流将为：I=0.1*（2500/10）=25A公式3：L=（Uspeak -I*R）/（Imax/10s）L=（4000-25*86.3）/250=7.37H 公式1、2的设计值过于保守计算，公式3给出的值为此类配合的通常条件。特别应注意的是，现在我国供电设备多使用多芯电流供电，则电感值较小，故电感取值可取0.5H/m进线计算。2.2 2个基于氧化锌压敏电阻的SPD配合案例比对2个SPD

34、的Ures曲线，确定交叉点Icr，如果Icr足够低（典型值为0.1* In2），则无需计算第二个SPD中的能量。如无曲线则根据下列简化要求选择： 如果2个SPD具有相同的标称放电电流：Ures1(In 1)Ures2(In 1) 如果2个SPD具有不同的标称放电电流：Ures1(In 2)Ures2(In 2) Ures 1(In 1)、Ures 2(In 2) 分别为在 In 1、In 2电流通过时，SPD1、2的端压。无论是开关型SPD与限压型SPD间的配合还是限压型SPD之间的配合，应确保足够的触发电压使前级SPD的导通应保护下一级的SPD。 上述为对SPD电流配合的阐述，除此 之外还需考虑SPD之