选择和安装电涌保护器的基本步骤及注意事项

林少松，杨 清，陆 彬，朱 民，陈华晖

(1.东莞市防雷设施检测所，广东 东莞 523000；2.上海市防雷中心，上海 201615)

0 引言

每次闪电释放的能量可高达百兆焦耳，而低压电气系统的耐受能量仅为毫焦耳数量级。随着建筑物电气智能化应用的普及，如何科学、有效地对低压电气系统进行雷电防护，已成为现今防雷领域亟需解决的技术难题。

闪电电涌主要是由闪电击于防雷装置或线路，以及由闪电静电感应或雷击电磁脉冲引发的，主要表现为过电压、过电流的瞬态波。闪电电涌的抑制方法主要有：并联电容器法、变压器隔离法、电涌保护器法。

(1)并联电容法，指的是利用电容器响应时间为0，使雷电波形变钝，它对感应雷具有良好的防护效果；但其能承受的能量较低，无法防护因直击产生的电涌。

(2)变压器隔离法，指的是利用变压器铁芯磁感应饱和，隔离电涌往二次侧传递；一般应用于高/低压变电系统。

(3)电涌保护器法，指的是利用非线性元件改变自身阻抗，分泄电涌，将高压限制在一定水平内，它在低压电气系统(低压配电系统)被广泛应用。

雷击导致设备损坏主要是发生了电击穿。电击穿的特点包括：电压作用时间短、击穿电压高；击穿场强与电压均匀程度有密切关系，与周围环境温度几乎无关。电涌保护器能够将线路上的闪电高压限制在一定的范围内，最大限度地保证用电设备不被高压电压冲击击穿。因此，在电气设备中正确、有效地选择和安装电涌保护器，是目前最有效的防雷措施。

1 低压电气系统的雷击易损性

低压电气系统指的是由低压供电组合部件构成的系统，也称低压配电系统或低压配电线路。低压配电设备将降压电力变压器输出的低电压电源，或直接由市电引入的低电压电源进行配电，用于市电的通断、切换控制和监测，并保护接到输出侧的各种交流负载。低压配电设备主要由低压开关、空气断路开关、熔断器、接触器、电涌保护器、交流电表、控制电路及负载(用电设备)等组成。

按照风险分析法，将遭受雷击损坏的低压电气系统(即承灾体)分为以下3类：

(1)安装在建筑物处并处在暴露位置的低压电气系统，由于其遭遇的电涌可能达到直接雷击的全电流和没有衰减的磁场，遇到风险的可能性很大；

(2)安装在建筑物处并处在直击雷保护区位置的低压电气系统，由于其遭遇的电涌可能达到直接雷击的部分电流和没有衰减的磁场，遇到风险的可能性较大；

(3)安装在建筑物内的低压电气系统，由于其遭遇的电涌是内部传导和感应产生的或外部引入线路传导的，且磁场是剩下的衰减磁场，遇到风险的可能性较小。

将低压电气系统的损害源确定为：雷电流及其相应磁场，磁场的波形与雷电流的波形相同。将低压电气系统的损害途径确定为：通过连接导线传输给设备的传导或感应电涌。由于辐射电磁场直接作用于设备的效应受到空间距离及设备屏蔽、抗扰能力的制约，对于符合EMC产品标准规定的无线频率发射测试和抗扰度测试的设备，辐射电磁场直接作用于设备引起的失效可忽略。将低压电气系统的损害类型确定为：低压电气系统故障或永久损坏，并可能伴随有电子系统故障、人畜伤害、物理损害(火灾、机械损害等)。

设计者可通过上述风险分析方法确定：

(1)是否需要使用电涌保护器；

(2)装设在设备入口处或紧靠设备处的电涌保护器的能量耐受值。

2 电涌保护器的基本特性

电涌保护器(surge protective device，SPD)是用于限制瞬态过电压和分泄电涌电流的器件，它至少含有1个非线性元件。目前，按元件分类，可将用于低压电气系统的电涌保护器分为3种类型。

(1)电压开关型。当没有电涌出现时，为高阻抗；当出现电压电涌时，突变为低阻抗。通常可采用放电间隙、充气放电管、硅可控整流器或三端双向可控硅元件做此类电涌保护器的组件，具有不连续的电压、电流特性。

(2)限压型电涌保护器。当没有电涌时，为高阻抗；随着电涌电流、电压的增加，阻抗连续变小。通常采用压敏电阻、抑制二极管做限压型电涌保护器的组件，具有连续的电压、电流特性。

(3)组合型电涌保护器。由电压开关型和限压型元件组合而成，其特性随所加电压的特性可表现为电压开关型、限压型或电压开关、限压皆有型。

无论使用哪种类型的电涌保护器，均应符合以下几个原则：

(1)无电涌时，电涌保护器不能对系统工作特性造成影响，即需要合理地选取电涌保护器的最大持续运行电压Uc；

(2)出现电涌时，电涌保护器呈现低电抗状态，并能安全泄放雷电流，即需要合理地选取电涌保护器的通流量Iimp或In；

(3)应将残压抑制到被保护设备的耐受冲击电压以下，即需要合理地选取电涌保护器的电压保护水平Up；

(4)为保证足够的保护距离，需要考虑电涌保护器的安装位置问题；

(5)当多组电涌保护器设置于同一导体上时，需要考虑能量配合问题；

(6)当电涌能量大于电涌保护器能量吸取能力时，电涌保护器可能失效或损坏，因此需要考虑辅助器件(状态显示器、脱离器、计数器)的配合；

(7)需要考虑安装环境，包括电力系统的电压及频率、负载电流、海拔高度(即气压)、空气湿度、环境温度等；

(8)需要考虑安装工艺，减少人为因素导致的电涌保护器无法正常工作的情况。

3 基本步骤及注意事项

通过分析低压电气系统的雷击易损性及电涌保护器的基本特性，将选择和安装电源电涌保护器的基本步骤进行归纳，如图1所示。

图1 选择和安装电源SPD的基本步骤

3.1 选取最大持续运行电压Uc

为了保证低压电气系统无电涌时，电涌保护器不会因自身老化或低压电气系统的电压偏差、谐波而导通，不会影响低压电气系统的正常工作特性，在选取SPD最大持续运行电压最小值时，应根据低压配电系统的接地保护模式，按照表1进行合理的选取。

表1 SPD的最大持续运行电压最小值

3.2 选取通流量Iimp或In

为了保证SPD能够安全地泄放线路上的雷电流，应根据当地历史闪电活动规律，确定可能存在的损害源强度；并根据低压电气系统的暴露度、接地保护模式及其他相关服务设施的布置情况，按风险分析方法，确定电涌电流的分配情况，合理地选取电涌保护器的通流量Iimp或In值，以及产品的试验类型。在LPZ0/LPZ1界面处及其他可能遭受10/350 µs雷电波侵入的节点，应选取T1类试验产品，并计算Iimp值。其中，LPZ为雷电电磁环境的区域，又称防雷区。

根据雷电电磁脉冲的强弱程度不同，将环境分成几个区域：

(1)LPZ0A区，本区各物体都可能遭到直接雷击，本区内电磁场没有衰减；

(2)LPZ0B区，本区各物体不可能遭到直接雷击，本区内电磁场没有衰减；

(3)LPZ1区，本区各物体不可能遭到直接雷击，本区内电磁场比LPZ0B区进一步减小；

(4)LPZn区，本区各物体不可能遭到直接雷击，本区内电磁场比LPZ n-1区进一步减小(n=2，3，4…)。

当电源线路无屏蔽层时，电涌保护器的通流量可按式(1)计算；当电源线路有屏蔽层时，可按式(2)计算，通常可按20倍换算Iimp与8/20波形中的Imax电流。一般情况下，In为Imax的1/2。

式中：I—雷电流强度；n—地下和架空引入的外来金属管道和线路的总数；m—每条线路内导体芯线的总根数；Rs—屏蔽层每千米的电阻，Ω/km；Rc—芯线每千米的电阻，Ω/km。

3.3 选取电压保护水平Up

为了保证被保护设备不会因残压冲击损坏绝缘，SPD的电压保护水平Up应小于被保护设备的耐受冲击电压Uw。虽然电压保护水平Up越低，保护效果越好；但Up受最大持续运行电压Uc、放电电压(开关型SPD)、通流量Iimp或In的限制，其值需综合考虑上述几个因素，从优选值的列表中选取。Up的优选值为：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 考虑SPD的安装位置

SPD宜安装在防雷界面处。当防雷界面处无法安装或线路能够承受电涌电压时，可安装在配电柜(箱)或被保护设备处。虽然SPD安装在进线处时，其保护领域变大，但其保护效果就会降低。因此，在考虑SPD安装位置时，应充分考虑振荡保护距离Lpo、感应保护距离Lpi及被保护设备的耐受冲击电压Uw。

当电涌保护器安装位置与被保护设备间的线路长度大于10 m，且有效保护水平Up/f大于Uw/2时，应考虑振荡保护距离Lpo，可按式(3)估算。

当建筑物位于多雷区或强雷区，且没有大空间屏蔽或线路屏蔽措施时，应考虑感应保护距离Lpi，可按式(4)估算。

式中：k=25，v/m；h=30 000×KS1×KS2×KS3，KS1—由LPS(外部防雷装置和内部防雷装置组成)或其他LPZ 0/1边界屏蔽措施提供的空间屏蔽效能因子，KS2—LPZ 1/2或更高区域边界屏蔽措施提供的空间屏蔽效能因子，KS3—内部线路的特性因子。

如果电涌保护器与被保护设备间的线路长度大于Lpo或Lpi时，应再增设下一级SPD；若无法增设下一级SPD，则需重新选择SPD的电压保护水平Up。

3.5 考虑SPD间能量配合

当多组SPD设置于同一导体上时，应考虑能量配合问题。原则上应保证大部分雷电流在LPZ0A/LPZ1界面处泄放；而后级的SPD则需考虑承受从LPZ0A侵入LPZ1的残余电涌以及在LPZ1内电磁感应的影响，最终确保每个SPD承受的能量都低于或等于其能量耐受能力。SPD间能量协调配合的基本方法有3种：

(1)利用伏安特性进行配合，即利用产品的静态电压/电流特性及线路固有的特性阻抗来实现能量协调配合；

(2)使用退耦元件进行配合，即采用具有足够电涌承受能力的感性阻抗作为退耦元件，利用电涌陡度特性实现能量协调配合；

(3)使用触发型SPD进行配合，即利用电子触发电路实现能量协调配合。

3.6 考虑辅助器件

当电涌能量大于SPD能量吸取能力时，将可能造成SPD失效或损坏。为避免SPD损坏或老化对低压电气系统正常工作特性的影响，需根据用户需求考虑选择状态显示器、脱离器(RCD、熔断器、断路器)、计数器等辅助器件，并与SPD配合使用。对于需要在线或远距离监控SPD工作状态的用户，需考虑选择状态显示器配合使用。对于需要判断或记录SPD安装位置的危险度的用户，可考虑选择计数器配合使用。对于需要提供热保护、短路保护、间接接触保护的用户，可考虑选择脱离器(RCD、熔断器、断路器)配合使用。

3.7 考虑安装环境

为了保证SPD能够在低压电气系统中正常工作，在选择和安装SPD时，应确保实际安装位置的环境指标符合SPD产品标示的电源质量、海拔高度、气温、气压等参数要求。一般情况下，安装位置的电源电压频率应在48～62 Hz，海拔不应超过2 000 m，正常温度在-5～+40 ℃，极限温度在-40～+70 ℃，室内相对湿度在30 %～90 %。

3.8 考虑安装工艺

若未采取正确的安装工艺，SPD不但不能在低压电气系统发挥保护作用，还可能带来安全隐患。因此，SPD须严格按产品说明书进行安装。

一般情况下，SPD两端的引线应短直。因为过长的连接导线会降低SPD的保护水平，使传送至设备的残压为SPD的残压与沿导线感应电压降之和。SPD两端连接导线接线方法如图2所示。在冲击放电电流下，连接导线的电感对各SPD连接点测得电压的影响如图3所示。

图2 SPD两端连接导线接线方法

图3 连接导线电感对SPD连接点电压的影响

图2.a中：L1，L2为2根导线的相应电感，应尽量避免采用此种接线方法。图2.b为凯文接线法，其电感影响非常小，应尽可能采用。

图3中：ISURGE为电涌电流-时间的曲线；Va为a接线方式(T型接线法)施加ISURGE测得的残压，Vb为b接线方式(凯文接线法)施加ISURGE测得的残压。凯文接线法可有效消除L1，L2电感产生的电压，图3中的Vb峰值明显低于Va峰值，且波形更为平缓，应尽量采用此法。在实际环境采用凯文接线法时，SPD两端的引线应短直，不宜超过0.5 m，且布线尽量避免形成锐角。

SPD连接线应安装牢固，并与其他电器保持一定的安全距离。连接导体须符合电气安装规范，L1、L2、L3、N、PE线分别采用黄、绿、红、浅蓝、绿/黄双色线，不可混用。连接导线最小截面积应符合表2的要求，导线连接过渡电阻应不大于0.03 Ω。SPD的接地电阻应符合设计要求。

此外，在三相电源中，SPD的安装方式分为“3+1”和“4+0”2种，应注意区分SPD的具体安装方式。

表2 低压电气系统SPD连接导线最小截面积 mm2

4 结束语

通过研究SPD的基本特性，归纳了低压电气系统合理选取和安装电源SPD的基本步骤：

(1)根据低压电气系统的工作特性和接地保护模式，合理选取SPD的最大持续运行电压Uc；

(2)根据损害源的强度、低压电气系统的暴露度、接地保护模式及其他相关服务设施的布置情况，合理选取SPD的通流量Iimp或In；

(3)根据被保护设备的耐受冲击电压，结合Uc、Iimp或In，从优选值表中合理选取SPD的电压保护水平Up；

(4)根据防雷分区、被保护设备的耐受冲击电压、电压保护水平Up、振荡保护距离Lpo、感应保护距离Lpi及可安装位置，综合考虑选取SPD的安装位置，当无法满足条件时，应重新选取电压保护水平Up；

(5)原则上应保证大部分雷电流在LPZ0A/LPZ1界面泄放。可通过伏安特性配合、使用退耦元件、触发型SPD进行配合等方法，实现能量配合；

(6)原则上应保证SPD老化、损坏后不会影响低压电气系统正常工作特性。结合用户需求合理选取辅助器件与SPD配合使用；

(7)根据实际的安装环境，包括电力系统电压和频率、负载电流、海拔高度、空气湿度、环境温度等指标，选择合适的SPD产品；

(8)根据SPD安装注意事项，采用正确的安装工艺，减少人为因素导致的SPD无法正常工作或保护性能降低的情况。

1 中国机械工业联合会．建筑物防雷设计规范[S]．北京:中国计划出版社，2011．

2 GB/T18802.12—2006低压配电系统的电涌保护器(SPD)(第12部分)：选择和使用导则[S].

3 GB/T21714.4—2008雷电防护(第4部分)：建筑物内电气和电子系统[S].

4 GB/T21714.2—2008雷电防护(第2部分)：风险管理[S].

5 徐保华，任亚飞，胡剑文．电涌保护器的选择及使用中应注意的问题[J]．气象与减灾研究，2012(4).

6 关象石，赵连义．建筑物内低压配电柜上SPD的选择和安装[J]．山东气象，2003(3).

7 林维勇，张丰收．SPD设计使用中若干问题的探讨[J]．建筑电气，2005(8).