林少松，楊 清，陸 彬，朱 民，陳華暉

(1.東莞市防雷設(shè)施檢測(cè)所，廣東 東莞 523000；2.上海市防雷中心，上海 201615)

0 引言

每次閃電釋放的能量可高達(dá)百兆焦耳，而低壓電氣系統(tǒng)的耐受能量?jī)H為毫焦耳數(shù)量級(jí)。隨著建筑物電氣智能化應(yīng)用的普及，如何科學(xué)、有效地對(duì)低壓電氣系統(tǒng)進(jìn)行雷電防護(hù)，已成為現(xiàn)今防雷領(lǐng)域亟需解決的技術(shù)難題。

閃電電涌主要是由閃電擊于防雷裝置或線路，以及由閃電靜電感應(yīng)或雷擊電磁脈沖引發(fā)的，主要表現(xiàn)為過電壓、過電流的瞬態(tài)波。閃電電涌的抑制方法主要有：并聯(lián)電容器法、變壓器隔離法、電涌保護(hù)器法。

(1)并聯(lián)電容法，指的是利用電容器響應(yīng)時(shí)間為0，使雷電波形變鈍，它對(duì)感應(yīng)雷具有良好的防護(hù)效果；但其能承受的能量較低，無法防護(hù)因直擊產(chǎn)生的電涌。

(2)變壓器隔離法，指的是利用變壓器鐵芯磁感應(yīng)飽和，隔離電涌往二次側(cè)傳遞；一般應(yīng)用于高/低壓變電系統(tǒng)。

(3)電涌保護(hù)器法，指的是利用非線性元件改變自身阻抗，分泄電涌，將高壓限制在一定水平內(nèi)，它在低壓電氣系統(tǒng)(低壓配電系統(tǒng))被廣泛應(yīng)用。

雷擊導(dǎo)致設(shè)備損壞主要是發(fā)生了電擊穿。電擊穿的特點(diǎn)包括：電壓作用時(shí)間短、擊穿電壓高；擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電壓均勻程度有密切關(guān)系，與周圍環(huán)境溫度幾乎無關(guān)。電涌保護(hù)器能夠?qū)⒕€路上的閃電高壓限制在一定的范圍內(nèi)，最大限度地保證用電設(shè)備不被高壓電壓沖擊擊穿。因此，在電氣設(shè)備中正確、有效地選擇和安裝電涌保護(hù)器，是目前最有效的防雷措施。

1 低壓電氣系統(tǒng)的雷擊易損性

低壓電氣系統(tǒng)指的是由低壓供電組合部件構(gòu)成的系統(tǒng)，也稱低壓配電系統(tǒng)或低壓配電線路。低壓配電設(shè)備將降壓電力變壓器輸出的低電壓電源，或直接由市電引入的低電壓電源進(jìn)行配電，用于市電的通斷、切換控制和監(jiān)測(cè)，并保護(hù)接到輸出側(cè)的各種交流負(fù)載。低壓配電設(shè)備主要由低壓開關(guān)、空氣斷路開關(guān)、熔斷器、接觸器、電涌保護(hù)器、交流電表、控制電路及負(fù)載(用電設(shè)備)等組成。

按照風(fēng)險(xiǎn)分析法，將遭受雷擊損壞的低壓電氣系統(tǒng)(即承災(zāi)體)分為以下3類：

(1)安裝在建筑物處并處在暴露位置的低壓電氣系統(tǒng)，由于其遭遇的電涌可能達(dá)到直接雷擊的全電流和沒有衰減的磁場(chǎng)，遇到風(fēng)險(xiǎn)的可能性很大；

(2)安裝在建筑物處并處在直擊雷保護(hù)區(qū)位置的低壓電氣系統(tǒng)，由于其遭遇的電涌可能達(dá)到直接雷擊的部分電流和沒有衰減的磁場(chǎng)，遇到風(fēng)險(xiǎn)的可能性較大；

(3)安裝在建筑物內(nèi)的低壓電氣系統(tǒng)，由于其遭遇的電涌是內(nèi)部傳導(dǎo)和感應(yīng)產(chǎn)生的或外部引入線路傳導(dǎo)的，且磁場(chǎng)是剩下的衰減磁場(chǎng)，遇到風(fēng)險(xiǎn)的可能性較小。

將低壓電氣系統(tǒng)的損害源確定為：雷電流及其相應(yīng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的波形與雷電流的波形相同。將低壓電氣系統(tǒng)的損害途徑確定為：通過連接導(dǎo)線傳輸給設(shè)備的傳導(dǎo)或感應(yīng)電涌。由于輻射電磁場(chǎng)直接作用于設(shè)備的效應(yīng)受到空間距離及設(shè)備屏蔽、抗擾能力的制約，對(duì)于符合EMC產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的無線頻率發(fā)射測(cè)試和抗擾度測(cè)試的設(shè)備，輻射電磁場(chǎng)直接作用于設(shè)備引起的失效可忽略。將低壓電氣系統(tǒng)的損害類型確定為：低壓電氣系統(tǒng)故障或永久損壞，并可能伴隨有電子系統(tǒng)故障、人畜傷害、物理?yè)p害(火災(zāi)、機(jī)械損害等)。

設(shè)計(jì)者可通過上述風(fēng)險(xiǎn)分析方法確定：

(1)是否需要使用電涌保護(hù)器；

(2)裝設(shè)在設(shè)備入口處或緊靠設(shè)備處的電涌保護(hù)器的能量耐受值。

2 電涌保護(hù)器的基本特性

電涌保護(hù)器(surge protective device，SPD)是用于限制瞬態(tài)過電壓和分泄電涌電流的器件，它至少含有1個(gè)非線性元件。目前，按元件分類，可將用于低壓電氣系統(tǒng)的電涌保護(hù)器分為3種類型。

(1)電壓開關(guān)型。當(dāng)沒有電涌出現(xiàn)時(shí)，為高阻抗；當(dāng)出現(xiàn)電壓電涌時(shí)，突變?yōu)榈妥杩?。通?？刹捎梅烹婇g隙、充氣放電管、硅可控整流器或三端雙向可控硅元件做此類電涌保護(hù)器的組件，具有不連續(xù)的電壓、電流特性。

(2)限壓型電涌保護(hù)器。當(dāng)沒有電涌時(shí)，為高阻抗；隨著電涌電流、電壓的增加，阻抗連續(xù)變小。通常采用壓敏電阻、抑制二極管做限壓型電涌保護(hù)器的組件，具有連續(xù)的電壓、電流特性。

(3)組合型電涌保護(hù)器。由電壓開關(guān)型和限壓型元件組合而成，其特性隨所加電壓的特性可表現(xiàn)為電壓開關(guān)型、限壓型或電壓開關(guān)、限壓皆有型。

無論使用哪種類型的電涌保護(hù)器，均應(yīng)符合以下幾個(gè)原則：

(1)無電涌時(shí)，電涌保護(hù)器不能對(duì)系統(tǒng)工作特性造成影響，即需要合理地選取電涌保護(hù)器的最大持續(xù)運(yùn)行電壓Uc；

(2)出現(xiàn)電涌時(shí)，電涌保護(hù)器呈現(xiàn)低電抗?fàn)顟B(tài)，并能安全泄放雷電流，即需要合理地選取電涌保護(hù)器的通流量Iimp或In；

(3)應(yīng)將殘壓抑制到被保護(hù)設(shè)備的耐受沖擊電壓以下，即需要合理地選取電涌保護(hù)器的電壓保護(hù)水平Up；

(4)為保證足夠的保護(hù)距離，需要考慮電涌保護(hù)器的安裝位置問題；

(5)當(dāng)多組電涌保護(hù)器設(shè)置于同一導(dǎo)體上時(shí)，需要考慮能量配合問題；

(6)當(dāng)電涌能量大于電涌保護(hù)器能量吸取能力時(shí)，電涌保護(hù)器可能失效或損壞，因此需要考慮輔助器件(狀態(tài)顯示器、脫離器、計(jì)數(shù)器)的配合；

(7)需要考慮安裝環(huán)境，包括電力系統(tǒng)的電壓及頻率、負(fù)載電流、海拔高度(即氣壓)、空氣濕度、環(huán)境溫度等；

(8)需要考慮安裝工藝，減少人為因素導(dǎo)致的電涌保護(hù)器無法正常工作的情況。

3 基本步驟及注意事項(xiàng)

通過分析低壓電氣系統(tǒng)的雷擊易損性及電涌保護(hù)器的基本特性，將選擇和安裝電源電涌保護(hù)器的基本步驟進(jìn)行歸納，如圖1所示。

圖1 選擇和安裝電源SPD的基本步驟

3.1 選取最大持續(xù)運(yùn)行電壓Uc

為了保證低壓電氣系統(tǒng)無電涌時(shí)，電涌保護(hù)器不會(huì)因自身老化或低壓電氣系統(tǒng)的電壓偏差、諧波而導(dǎo)通，不會(huì)影響低壓電氣系統(tǒng)的正常工作特性，在選取SPD最大持續(xù)運(yùn)行電壓最小值時(shí)，應(yīng)根據(jù)低壓配電系統(tǒng)的接地保護(hù)模式，按照表1進(jìn)行合理的選取。

表1 SPD的最大持續(xù)運(yùn)行電壓最小值

3.2 選取通流量Iimp或In

為了保證SPD能夠安全地泄放線路上的雷電流，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧v史閃電活動(dòng)規(guī)律，確定可能存在的損害源強(qiáng)度；并根據(jù)低壓電氣系統(tǒng)的暴露度、接地保護(hù)模式及其他相關(guān)服務(wù)設(shè)施的布置情況，按風(fēng)險(xiǎn)分析方法，確定電涌電流的分配情況，合理地選取電涌保護(hù)器的通流量Iimp或In值，以及產(chǎn)品的試驗(yàn)類型。在LPZ0/LPZ1界面處及其他可能遭受10/350 μs雷電波侵入的節(jié)點(diǎn)，應(yīng)選取T1類試驗(yàn)產(chǎn)品，并計(jì)算Iimp值。其中，LPZ為雷電電磁環(huán)境的區(qū)域，又稱防雷區(qū)。

根據(jù)雷電電磁脈沖的強(qiáng)弱程度不同，將環(huán)境分成幾個(gè)區(qū)域：

(1)LPZ0A區(qū)，本區(qū)各物體都可能遭到直接雷擊，本區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)沒有衰減；

(2)LPZ0B區(qū)，本區(qū)各物體不可能遭到直接雷擊，本區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)沒有衰減；

(3)LPZ1區(qū)，本區(qū)各物體不可能遭到直接雷擊，本區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)比LPZ0B區(qū)進(jìn)一步減??；

(4)LPZn區(qū)，本區(qū)各物體不可能遭到直接雷擊，本區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)比LPZ n-1區(qū)進(jìn)一步減小(n=2，3，4…)。

當(dāng)電源線路無屏蔽層時(shí)，電涌保護(hù)器的通流量可按式(1)計(jì)算；當(dāng)電源線路有屏蔽層時(shí)，可按式(2)計(jì)算，通常可按20倍換算Iimp與8/20波形中的Imax電流。一般情況下，In為Imax的1/2。

式中：I—雷電流強(qiáng)度；n—地下和架空引入的外來金屬管道和線路的總數(shù)；m—每條線路內(nèi)導(dǎo)體芯線的總根數(shù)；Rs—屏蔽層每千米的電阻，Ω/km；Rc—芯線每千米的電阻，Ω/km。

3.3 選取電壓保護(hù)水平Up

為了保證被保護(hù)設(shè)備不會(huì)因殘壓沖擊損壞絕緣，SPD的電壓保護(hù)水平Up應(yīng)小于被保護(hù)設(shè)備的耐受沖擊電壓Uw。雖然電壓保護(hù)水平Up越低，保護(hù)效果越好；但Up受最大持續(xù)運(yùn)行電壓Uc、放電電壓(開關(guān)型SPD)、通流量Iimp或In的限制，其值需綜合考慮上述幾個(gè)因素，從優(yōu)選值的列表中選取。Up的優(yōu)選值為：0.08 kV，0.09 kV，0.10 kV，0.12 kV，0.15 kV，0.22 kV，0.33 kV，0.40 kV，0.50 kV，0.60 kV，0.70 kV，0.80 kV，0.90 kV，1.00 kV，1.20 kV，1.50 kV，1.80 kV，2.00 kV，2.50 kV，3.00 kV，4.00 kV，5.00 kV，6.00 kV，8.00 kV及10.00 kV。

3.4 考慮SPD的安裝位置

SPD宜安裝在防雷界面處。當(dāng)防雷界面處無法安裝或線路能夠承受電涌電壓時(shí)，可安裝在配電柜(箱)或被保護(hù)設(shè)備處。雖然SPD安裝在進(jìn)線處時(shí)，其保護(hù)領(lǐng)域變大，但其保護(hù)效果就會(huì)降低。因此，在考慮SPD安裝位置時(shí)，應(yīng)充分考慮振蕩保護(hù)距離Lpo、感應(yīng)保護(hù)距離Lpi及被保護(hù)設(shè)備的耐受沖擊電壓Uw。

當(dāng)電涌保護(hù)器安裝位置與被保護(hù)設(shè)備間的線路長(zhǎng)度大于10 m，且有效保護(hù)水平Up/f大于Uw/2時(shí)，應(yīng)考慮振蕩保護(hù)距離Lpo，可按式(3)估算。

當(dāng)建筑物位于多雷區(qū)或強(qiáng)雷區(qū)，且沒有大空間屏蔽或線路屏蔽措施時(shí)，應(yīng)考慮感應(yīng)保護(hù)距離Lpi，可按式(4)估算。

式中：k=25，v/m；h=30 000×KS1×KS2×KS3，KS1—由LPS(外部防雷裝置和內(nèi)部防雷裝置組成)或其他LPZ 0/1邊界屏蔽措施提供的空間屏蔽效能因子，KS2—LPZ 1/2或更高區(qū)域邊界屏蔽措施提供的空間屏蔽效能因子，KS3—內(nèi)部線路的特性因子。

如果電涌保護(hù)器與被保護(hù)設(shè)備間的線路長(zhǎng)度大于Lpo或Lpi時(shí)，應(yīng)再增設(shè)下一級(jí)SPD；若無法增設(shè)下一級(jí)SPD，則需重新選擇SPD的電壓保護(hù)水平Up。

3.5 考慮SPD間能量配合

當(dāng)多組SPD設(shè)置于同一導(dǎo)體上時(shí)，應(yīng)考慮能量配合問題。原則上應(yīng)保證大部分雷電流在LPZ0A/LPZ1界面處泄放；而后級(jí)的SPD則需考慮承受從LPZ0A侵入LPZ1的殘余電涌以及在LPZ1內(nèi)電磁感應(yīng)的影響，最終確保每個(gè)SPD承受的能量都低于或等于其能量耐受能力。SPD間能量協(xié)調(diào)配合的基本方法有3種：

(1)利用伏安特性進(jìn)行配合，即利用產(chǎn)品的靜態(tài)電壓/電流特性及線路固有的特性阻抗來實(shí)現(xiàn)能量協(xié)調(diào)配合；

(2)使用退耦元件進(jìn)行配合，即采用具有足夠電涌承受能力的感性阻抗作為退耦元件，利用電涌陡度特性實(shí)現(xiàn)能量協(xié)調(diào)配合；

(3)使用觸發(fā)型SPD進(jìn)行配合，即利用電子觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)能量協(xié)調(diào)配合。

3.6 考慮輔助器件

當(dāng)電涌能量大于SPD能量吸取能力時(shí)，將可能造成SPD失效或損壞。為避免SPD損壞或老化對(duì)低壓電氣系統(tǒng)正常工作特性的影響，需根據(jù)用戶需求考慮選擇狀態(tài)顯示器、脫離器(RCD、熔斷器、斷路器)、計(jì)數(shù)器等輔助器件，并與SPD配合使用。對(duì)于需要在線或遠(yuǎn)距離監(jiān)控SPD工作狀態(tài)的用戶，需考慮選擇狀態(tài)顯示器配合使用。對(duì)于需要判斷或記錄SPD安裝位置的危險(xiǎn)度的用戶，可考慮選擇計(jì)數(shù)器配合使用。對(duì)于需要提供熱保護(hù)、短路保護(hù)、間接接觸保護(hù)的用戶，可考慮選擇脫離器(RCD、熔斷器、斷路器)配合使用。

3.7 考慮安裝環(huán)境

為了保證SPD能夠在低壓電氣系統(tǒng)中正常工作，在選擇和安裝SPD時(shí)，應(yīng)確保實(shí)際安裝位置的環(huán)境指標(biāo)符合SPD產(chǎn)品標(biāo)示的電源質(zhì)量、海拔高度、氣溫、氣壓等參數(shù)要求。一般情況下，安裝位置的電源電壓頻率應(yīng)在48～62 Hz，海拔不應(yīng)超過2 000 m，正常溫度在-5～+40 ℃，極限溫度在-40～+70 ℃，室內(nèi)相對(duì)濕度在30 %～90 %。

3.8 考慮安裝工藝

若未采取正確的安裝工藝，SPD不但不能在低壓電氣系統(tǒng)發(fā)揮保護(hù)作用，還可能帶來安全隱患。因此，SPD須嚴(yán)格按產(chǎn)品說明書進(jìn)行安裝。

一般情況下，SPD兩端的引線應(yīng)短直。因?yàn)檫^長(zhǎng)的連接導(dǎo)線會(huì)降低SPD的保護(hù)水平，使傳送至設(shè)備的殘壓為SPD的殘壓與沿導(dǎo)線感應(yīng)電壓降之和。SPD兩端連接導(dǎo)線接線方法如圖2所示。在沖擊放電電流下，連接導(dǎo)線的電感對(duì)各SPD連接點(diǎn)測(cè)得電壓的影響如圖3所示。

圖2 SPD兩端連接導(dǎo)線接線方法

圖3 連接導(dǎo)線電感對(duì)SPD連接點(diǎn)電壓的影響

圖2.a中：L1，L2為2根導(dǎo)線的相應(yīng)電感，應(yīng)盡量避免采用此種接線方法。圖2.b為凱文接線法，其電感影響非常小，應(yīng)盡可能采用。

圖3中：ISURGE為電涌電流-時(shí)間的曲線；Va為a接線方式(T型接線法)施加ISURGE測(cè)得的殘壓，Vb為b接線方式(凱文接線法)施加ISURGE測(cè)得的殘壓。凱文接線法可有效消除L1，L2電感產(chǎn)生的電壓，圖3中的Vb峰值明顯低于Va峰值，且波形更為平緩，應(yīng)盡量采用此法。在實(shí)際環(huán)境采用凱文接線法時(shí)，SPD兩端的引線應(yīng)短直，不宜超過0.5 m，且布線盡量避免形成銳角。

SPD連接線應(yīng)安裝牢固，并與其他電器保持一定的安全距離。連接導(dǎo)體須符合電氣安裝規(guī)范，L1、L2、L3、N、PE線分別采用黃、綠、紅、淺藍(lán)、綠/黃雙色線，不可混用。連接導(dǎo)線最小截面積應(yīng)符合表2的要求，導(dǎo)線連接過渡電阻應(yīng)不大于0.03 Ω。SPD的接地電阻應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

此外，在三相電源中，SPD的安裝方式分為“3+1”和“4+0”2種，應(yīng)注意區(qū)分SPD的具體安裝方式。

表2 低壓電氣系統(tǒng)SPD連接導(dǎo)線最小截面積 mm2

4 結(jié)束語(yǔ)

通過研究SPD的基本特性，歸納了低壓電氣系統(tǒng)合理選取和安裝電源SPD的基本步驟：

(1)根據(jù)低壓電氣系統(tǒng)的工作特性和接地保護(hù)模式，合理選取SPD的最大持續(xù)運(yùn)行電壓Uc；

(2)根據(jù)損害源的強(qiáng)度、低壓電氣系統(tǒng)的暴露度、接地保護(hù)模式及其他相關(guān)服務(wù)設(shè)施的布置情況，合理選取SPD的通流量Iimp或In；

(3)根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的耐受沖擊電壓，結(jié)合Uc、Iimp或In，從優(yōu)選值表中合理選取SPD的電壓保護(hù)水平Up；

(4)根據(jù)防雷分區(qū)、被保護(hù)設(shè)備的耐受沖擊電壓、電壓保護(hù)水平Up、振蕩保護(hù)距離Lpo、感應(yīng)保護(hù)距離Lpi及可安裝位置，綜合考慮選取SPD的安裝位置，當(dāng)無法滿足條件時(shí)，應(yīng)重新選取電壓保護(hù)水平Up；

(5)原則上應(yīng)保證大部分雷電流在LPZ0A/LPZ1界面泄放?？赏ㄟ^伏安特性配合、使用退耦元件、觸發(fā)型SPD進(jìn)行配合等方法，實(shí)現(xiàn)能量配合；

(6)原則上應(yīng)保證SPD老化、損壞后不會(huì)影響低壓電氣系統(tǒng)正常工作特性。結(jié)合用戶需求合理選取輔助器件與SPD配合使用；

(7)根據(jù)實(shí)際的安裝環(huán)境，包括電力系統(tǒng)電壓和頻率、負(fù)載電流、海拔高度、空氣濕度、環(huán)境溫度等指標(biāo)，選擇合適的SPD產(chǎn)品；

(8)根據(jù)SPD安裝注意事項(xiàng)，采用正確的安裝工藝，減少人為因素導(dǎo)致的SPD無法正常工作或保護(hù)性能降低的情況。

1 中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)．建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2011．

2 GB/T18802.12—2006低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器(SPD)(第12部分)：選擇和使用導(dǎo)則[S].

3 GB/T21714.4—2008雷電防護(hù)(第4部分)：建筑物內(nèi)電氣和電子系統(tǒng)[S].

4 GB/T21714.2—2008雷電防護(hù)(第2部分)：風(fēng)險(xiǎn)管理[S].

5 徐保華，任亞飛，胡劍文．電涌保護(hù)器的選擇及使用中應(yīng)注意的問題[J]．氣象與減災(zāi)研究，2012(4).

6 關(guān)象石，趙連義．建筑物內(nèi)低壓配電柜上SPD的選擇和安裝[J]．山東氣象，2003(3).

7 林維勇，張豐收．SPD設(shè)計(jì)使用中若干問題的探討[J]．建筑電氣，2005(8).