#第四章 电涌保护器的选择和使用原则.docx
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#第四章电涌保护器的选择和使用原则
第四章电涌保护器的选择和使用原则
§4.1低压交流配电系统和设备的型式分类及冲击特性
当需要采用SPD对低压电气系统和设备进行保护时，必须充分了解被保护的低压交流配电系统型式、低压直流配电系统和被保护电气设备耐冲击过电压额定值（UW）。
1低压配电系统
1.1低压交流配电系统
1.1.1按带电导体根数分类
带电导体是指工作时通过电流的导体，相线（L线）和中性线（N线）是带电导体，保护接地线（PE线）不是带电导体。
按带电导体根数可分为：
单相两线系统，两相三线系统，三相三线系统，三相四线系统等。
低压配电系统按带电导体根数分类见本部分附录A（资料性附录）。
注:
目前我国和国际标准中主要采用按接地系统分类的方法。
按带电导体根数分类容易混淆一些概念，如将TN-C系统称为三相四线系统，却将TN-S系统误为三相五线系统。
附 录 A
（资料性附录）
低压交流配电系统按带电导体根数分类
附 录 B
供电给单相电器的一根相线（L）和一根中性线（N）的系统，见图A.1所示。
有单独引出一根保护接地线（PE）的也属单相两线系统。
L
N
图A.1单相两线系统
图
单相降压变压器二次绕组电压为240V，自绕组的中点抽出一接地的中线两绕组的电流的相位是相同的（在同一瞬间绕组的电流都是流向N或L线），从而引出240V和120V两种电压，其中240V电压供电热等大负荷用电，120V电压供照明和小家用电器用电。
这一系统属单相系统，但有三根带电导体，在某些发达国家（如美国）使用较多，在我国一些宾馆的卫生间中有110V/220V的电源插座，属此系统。
见图A.2所示。
L1
N
L2
图A.2单相三线系统
图
为减少线路电压降自三相变压器引出两根相线（L1、L2）和一根中性线（N）给厂区或庭园照明供电的配电系统。
见图A.3所示。
L1
N
L2
图A.3两相三线系统
图
由两个相位差90°，中点相连的单相电源绕组的引出线构成，它有四根相线（L1、L2、L3、L4）和一根中性线（N）共五根带电导体。
这一系统国外曾经使用过，现在很少使用，见图A.4所示。
L1
L3
L2
L4
N
图A.4两相五线系统
图
由电源只引出三根相线（L1、L2、L3），主要用于为电气设备供电的系统。
例如给不带控制回路的三相电动机供电，见图A.5。
L1
L3
L2
图A.5三相三线系统
图
B.1 三相四线系统
B.2
具有三根相线（L1、L2、L3）和一根中性线（N）的带电导体系统。
这一系统是目前国际上和我国广泛在配电中采用的系统。
见图A.6。
L1
L3
N
L2
图A.6三相四线系统
图
1.1.2按低压交流系统接地型式分类
低压交流配电系统分为TN（TN-C，TN-S，TN-C-S），TT，IT三类，这些接地型式的文字符号的含义是：
第一个字母说明电源和大地的关系：
T：
电源的一点（通常是中性点）和大地直接连接。
I：
电源和大地隔离或电源的一点经高阻抗和大地连接。
第二个字母说明电气装置的外露导电部分和大地的关系：
T：
外露导电部分直接接大地，它和电源的接地无联系。
N：
外露导电部分通过和接地的电源中性点的连接而接地。
第三个字母说明N线和PE线的关系：
（仅用于TN系统）
C：
N线和PE线共用一根导线（PEN）。
S：
N线和PE线分别设置。
TT系统——电源的一点（通常是中性点）和大地直接连接，设备外露导电部分直接接大地，它和电源的接地无联系。
PE
外露导电部分
N
L1
L2
L3
N
图1 TT系统
图2
TN系统——电源的一点（通常是中性点）和大地直接连接，设备外露导电部分通过和接地的电源中性点的连接而接地。
TN系统分为TN-C，TN-S，TN-C-S三类：
TN-C系统——在系统内N线和PE线共用一根导线。
TN-S系统——在系统内N线和PE线分别设置。
TN-C-S系统——在系统内，仅在电气装置电源进线点前N线和PE线是共用一根导线，电源进线点后即分为N线和PE线。
注：
电气设备外露导电部分包括设备日常使用中可能触及的导电部分。
正常情况下外露导电部分因和带电导体之间
有绝缘隔离而不带电压，但在基本绝缘损坏发生接地故障时可能带电压，如用电器具的金属外壳、敷设线路用的金属管
（梯架、托盘、槽盒）等。
诸导电物体包括电气设备外露导电部分，带电导体（L和N线、电信及信号线）和装置外导电部分（非电气的其他装置的可导电部分，容易引入电位，通常是地电位，如金属水管、金属燃气管道和建筑物钢结构等）。
图3 TN-C系统
图4
外露导电部分
L2
N
L1
L3
PE
PE
N
图5 TN-S系统
图6
外露导电部分
L2
N
L1
L3
PE
PEN
图7 TN-C-S系统
图8
IT系统——电源和大地隔离或电源的一点经高阻抗和大地连接，电气设备外露导电部分直接接大地，它和电源的接地无联系。
IT系统分为两种情况：
一种是不配出中性线，另一种是配出中性线，IEC标准建议三相IT系统只配出三根相线而不配出中性线。
为了降低或衰减可能出现的过电压或谐振，有时需将电源端带电导体经一高阻抗接地，一般情况下该阻抗值可取为电气装置标称相电压的5倍，例如装置标称相电压为220V时，阻抗值可取为1000Ω。
IT系统的两种型式见图5和图6。
L1
L22
L3
外露导电部分
开路或接
PE
图9 不配出中性线的IT系统
图10
L1
L2
L3
外露导电部分
开路或接
PE
N
N
图11 配出中性线的IT系统
图12
1.2低压直流配电系统
低压直流配电系统可分为接地系统和不接地系统（或非有效接地系统）。
直流电压的区段见表1：
表1 直流电压区段
区段
接地系统
不接地或非有效接地系统a
极对地
极间
极间
Ⅰ
Ub≤120V
U≤120V
U≤120V
Ⅱ
120V＜U≤900V
120V＜U≤1500V
120V＜U≤1500V
1注1：
本表所列电压值为无纹波直流电压值。
2注
3注2：
本电压区段的划分，并不排除为某些专用规则规定中间值的可能
a如果系统配有中间导体，则由相导体和中间导体供电的电气设备选择，应使其绝缘适应其极间电压。
bU——装置的标称电压（V）。
2被保护设备的耐冲击特性
2.1交流电气设备耐冲击类别
2.1.1交流电气设备耐冲击类别
220/380V三相系统电气设备耐冲击类别可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类，见表2所示。
表2不能涵盖所有的220/380V三相系统的电气设备，应从实际出发对被保护设备耐冲击过电压额定值进行核实。
表2 220V/380V三相系统电气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（kV）
6
4
2.5
1.5
4注1：
Ⅰ类—需要将瞬态过电压限制到特定水平的设备，如含有电子电路的设备，计算机及含有计算机程序 的用电设备；
5注
6注2：
Ⅱ类—如家用电器（不含计算机及含有计算机程序的家用电器）、手提工具、不间断电源设备（UPS）、整流器和类似负荷；
7注
8注3：
Ⅲ类—如配电盘、断路器、包括电缆、母线、分线盒、开关、插座等的布线系统，以及使用于工业的设备和永久接至固定装置的固定安装的电动机等的一些其它设备；
9注
10注4：
Ⅳ类—如电气计量仪表，一次线过流保护设备、波纹控制设备。
2.1.2通信、信息网络交流电源设备耐冲击特性
表3 通信、信息网络交流电源设备耐冲击特性
设备名称
冲击电压额定值
kV
冲击电流额定值
kA
说明
电源设备机架交流电源入口（由UPS供电）
0.5
0.25
通信、信息网络中心设备交流电源端口
0.5
0.25
适用于相—相
1.0
0.5
适用于相—地
非信息网络中心交流电源端口
1.0
0.5
适用于相—相
2.0
1.0
适用于相—地
11注1：
交流电源额定电压均为220V/380V。
12注
13注2：
使用混合波（1.2/50μs、8/20μs）进行试验。
2.2直流电气设备耐冲击特性
2.2.1直流电源设备耐冲击过电压额定值
表4 直流电源设备耐冲击过电压额定值
设备名称
额定电压
Vd.c
混合冲击波
冲击电压（kV）
冲击电流（kA）
DC/AC逆变器
DC/DC变换器
机架直流电源入口
-24或-48或-60
0.5
0.25
直流配电屏
-24、-48、-60
1.5
0.75
1注：
混合波开路电压为1.2/50μs，短路电流为8/20μs。
2.2.2信息网络设备耐冲击过电压额定值
表5 信息网络设备耐冲击过电压额定值
设备名称
冲击电压额定值
试验波形
说明
信息网络中心DC电源端口
0.5kV
1.2/50μs（8/20μs）
适用于极一极
1.0kV
适用于极一地
非信息网络中心DC电源端口
1.0kV
1.2/50μs（8/20μs）
适用于极—极
2.0kv
适用于极—地
2注：
非信息网络中心的地点指设备不在信息网络中心内运行，如无保护措施的本地远端站、商业区、办公室内，用户室内和街道等。
2.2.3测量、控制和实验室内直流电源冲击抗扰度试验的最低要求
表6 冲击抗扰度试验的最低要求
端口
试验项目
试验值
说明
直流电源
冲击试验
0.5kV
适用于极—极
1.0kV
适用于极—地
3注：
仅适用于线路长度超过3m的情况。
§4.2低压系统电涌保护器的主要技术参数
1、SPD的分类
1.1、SPD的分类见表。
本部分主要选用了Ⅰ级/Ⅱ级/Ⅲ级分类试验和开关型/限压型/混合型分类内容。
表 连接至低压配电线路的SPD分类
大类序号
分类方式
小类序号
具体分类
1
按有无串联
附加阻抗
1
2
无串阻抗（单口）
串联阻抗（双口）
2
按电路设计拓朴
3
4
5
电压开关型
电压限制型
混合型
3
按冲击试验类型
6
7
8
Ⅰ级分类试验
Ⅱ级分类试验
Ⅲ级分类试验
4
按使用地点
9
10
户外型
户内型
5
按可触及性
11
12
易触及型
不易触及型
6
按安装方式
13
14
固定式
可移式
7
断
路
器
安装位置
15
16
17
安在SPD内部
安在SPD外部
内外部均有
保护功能
18
19
20
有防过热功能
有防泄漏电流功能
有防过电流功能
8
后备过电流保护
21
22
有具体规定的
无具体规定的
9
外壳保护等级
23
23＋1
23＋2
……
23＋n
按IP代码规定划分
10
温度范围
24
25
工作在正常温度范围
工作在异常温度范围
1.2、连接至低压配电系统的SPD设计拓朴
1.2.1 限压元件
可控硅元件
气体放电管
抑制二极管
压敏电阻
放电间隙
图D.1 SPD限压元件示例
SPD限压元件可分为电压开关型和限压型，其名称和图形符号如图D.1所示。
D.2 一个端口SPD（无串有阻抗的SPD，又称单口SPD）
单口SPD是指SPD和被保护的低压配电线路并联连接，它们可能没有专门的输入／输出端（如图D.2中的a）、b）、c）、d）、e）），也可能设有专门的输入／输出端（如图D.2中的f）、g）、h）、i）、j））。
在有专门的输入／输出端且并联使用两个元件的SPD的元件之间没有附加的串联阻抗。
SPD
a）单口SPD总示意图
元件串联单口SPD
b）
c）
元件并联单口SPD
d）
e）
f）
g）
h）
i）
j）
单一元件、有输入／输出端的SPD
元件串联、有输入／输出端的SPD
元件并联、有输入／输出端的SPD
图D.2 单口SPD的设计拓朴
D.3 两个端口SPD（串有阻抗的SPD，又称双口SPD）
双口SPD是指具有两组输入和输出端子的SPD，并联接入低压配电系统电路中，在输入端和输出端之间设有串联阻抗。
其设计拓朴如图D.3所示。
SPD
图D.3 双口SPD的设计拓朴
a） 双口SPD总示意图
b） 双口并联SPD（三个端口）
c） 双口并联SPD（四个端口）
输入端
（IN）
输出端
（OUT）
输入端
（IN）
输出端
（OUT）
串联阻抗
串联阻抗
共地端
D.4 SPD内置断路器
SPD内置断路器的设计拓朴如图D.4所示。
D
D
串联阻抗
a）
b）
D为断路器
图D.4 SPD内设断路器的设计柘朴
D
D
串联阻抗
a）
b）
D为断路器
图D.4 SPD内设断路器的设计柘朴
2、SPD选择和使用时的主要参数
1——SPD能承受预期通过的雷电流（Iimp、In、UOC）
2——
3——最大持续运行电压（UC）
4——
5——电压保护水平（UP）
6——
UP、UO、UC和UCS之间的关系
UP、UO、UC和UCS之间的关系见图B.11。
t
U
Up
2×Uc
2×Ucs
2×U0
2×U0
2×Ucs
2×Uc
Up
图B.11UP、UO、UC和UCS之间的关系
图
从图B.11可以看出Up＞Uc＞Ucs＞Uo，其中Ucs为SPD安装处系统最大持续工作电压（或称实际最大系统电压）。
3SPD选择和使用时应考虑的其他技术参数
3.1和使用条件有关的技术参数
SPD的本体上，或因受标注面积限制而标志在小包装或说明书上的以下内容，应和使用条件（环境）相一致：
7——交流（a.c）或直流（d.c）；
8——
9——交流（a.c）的频率（48Hz～62Hz）；
10——
11——交流 （a.c）系统的标称电压（如220V/380V），直流配电系统的直流电压（如24V、48V和60V）；
12——
13——使用地点（室内或室外）；
14——
4注：
室外用SPD的污染等级为4。
5注：
15——使用高度（是否超过海拔2000m）；
16——
17——环境温度（是否在正常温度-5℃～+40℃之间）；
18——
19——环境湿度（是否在正常情况下相对湿度不大于50%或90%）；
20——
6注：
在环境温度为+40℃时为50%，环境温度为+20℃时为90%。
7注：
21——外壳防护等级（IP代码的要求）。
22——
3.2持续工作电流（Ic）
SPD生产厂应提供产品持续工作电流（Ic）值，持续工作电流：
在最大持续运行电压（UC）下，流过SPD的电流。
8注：
其中流经接地端子（如PE）的电流为残流（Ires）。
9注：
3.3暂时过电压耐受值（UT）
SPD生产厂应提供产品暂时过电压耐受值UT，暂时过电压耐受值：
SPD能耐受的持续短时间的直流过电压或最大工频过电压（r.m.s）。
在规定时间内，UT大于UC。
UT在理想情况下用一条曲线描述。
而实际上是用几对工频电压或直流过电压对于时间（最长不超过几秒）关系的值来表征。
典型持续时间为200ms和5s。
选择UT应考虑UTOV的出现可能性，详见§4.3节3.3条和附录B（资料性附录）
附 录 C暂时过电压UTOV
（资料性附录）
低压电气系统中的三种电涌过电压
附 录 D
D.1 概述
D.2
安装在低压电气系统中的SPD在选择时为实现有效的箝压，Uc值会选择至最低值（如（Uc≥1.15Uo），此值一般不会超过350V（r.m.s）。
在低压电气系统中的SPD常常因系统中出现的暂时过电压UTOV超过Uc值而动作，并且常因不能承受较长时间的暂时过电压而损坏，因此要求SPD在各种不同的暂时过电压UTOV状态下应具有不同的暂时过电压耐受值UT，表B.1给出了最大TOV值，其中涉及到暂时过电压的持续时间和UTOV的最大值（幅值）。
通常引发最严重的暂时过电压的原因有如下四种：
23——高压（HV）系统和地之间的故障；
24——
25——低压（LV）TN和TT系统中的中性线（N线）断开；
26——
27——低压（LV）IT系统的意外接地；
28——
29——低压（LV）电气系统中发生短路。
30——
§4.3节中3.3条和表10对SPD的UT最小值提出了总的要求，在不同的原因和配电网不同接地型式中，SPD安装不同的位置上UT值分别有不同的要求。
本附录以下内容提供了相关资料。
UTOV标准值
GB16895.11给出了低压电网中预期的UTOV的最大值，见表B.1。
表B.1GB16895.11给出的最大UTOV值
UTOV的发生位置
电网接地系统
UTOV,HV的最大值
相线和地之间
TT，IT
持续时间>5s时，U0+250V
持续时间≤5s时，U0+1200V
中性线和地之间
TT，IT
持续时间>5s时，250V
持续时间≤5s时，1200V
10注：
以上值是和高压电网故障有关的极限值。
UTOV的发生位置
电网接地系统
UTOV的最大值
相线和中性线之间
TT和TN
×U0
11注：
以上值和低压系统中中性线断线（断零）有关。
相线和地之间
IT系统（TT系统见注1）
×U0
12注：
以上值和低压系统中，相线意外的接地有关。
相线和中性线之间
TT，IT和TN
持续时间≤5s时，1.45U0
13注：
以上值和相线和中性线之间的短路有关。
14注1：
已经证明了更高的TOV也可以在TT系统中出现，持续时间≤5s。
15注
16注2：
在变压器处的最大TOV值可能和表中所列不同（或高或低）。
17注
18注3：
选择SPD时不考虑中性线断线（断零）。
19注
20注4：
1.45Uo见§4.3节中3.3条表10注3。
LV系统中UTOV标称值的说明
低压系统中的故障产生的暂时过电压可以通过以下两个因素定义：
31——K1是电力系统的最大持续工作电压UCS和系统标称电压UO的比值。
K1通常在1.05到1.1的范围内。
这包括了电压的正常调节。
32——
Ucs=K1×UO（K多取1.1）…………………………………（B.3）
33——K2是系统最大过电压和Ucs之比。
在三相低压系统中出现故障时，无故障的相上的电压可从大约1.25倍升高到理论上的
倍。
34——
21注1：
在单相三线（分相）系统中K2可高达2。
22注
总的暂时过电压被表示为：
UTOV,LV=K1×K2×U0=K2×Ucs………………………………（B.4）
23注2：
暂时过电压通常由事故造成，例如低压配电系统的故障，电容器动作和发电机停机及启动等事件造成。
这些过电压持续时间很短。
那些由三相供电系统故障造成的暂时过电压存在的时间从0.05s直至5s。
中性线连接不好的单相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很少产生持续时间长于5s的过电压。
因此，本部分中选取的暂时过电压持续时间为0.05s到5s。
24注
25注3：
在某些电网中，需要考虑由高压系统故障所导致的UCS+1200V的短时（小于5s）暂时过电压（UTOV,HV）（见GB16895.11）。
如此高的电压可能导致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。
UCS+1200V是持续时间为5s的暂时过电压的最大值。
根据低压装置和高压系统的接地系统类型，该值可能存在，也可能不存在。
另外，持续时间长于5s的暂时过电压在GB16895.11中被定义，由于持续时间长也可能导致故障。
26注
在本部分中，由低压系统中的故障产生的TOV用UTOV,LV表示，由高压系统中的故障产生的TOV用UTOV,HV表示。
在以上公式的基础上，理论上可以画出电网中电压和UTOV持续时间的曲线。
实际上电网中UTOV的实际值，尤其是在安装了SPD的地方，不总是已知的。
在这种情况下很难画出上述曲线，因为仅知道很少的几个典型点，如图B.2中所示。
通常仅知道标准化的最大值，曲线可降低到某些点。
对SPD选型具有特定意义的时间值是200ms和5s。
UTOV的最大标准化值见图B.2。
UCS+1200V
1.45×U0
3×U0
UT
c
d
a
b
200ms
UTOV
5s
UC+250V
t
14注：
a——在TT、IT和TN系统相线和中性线之间短路引起的≤5s的UTOV、LV值域（LV故障）；
15注：
b——在IT系统中相线意外接地故障时和在TT、TN系统中中性线断线故障时UTOV、LV的值域（LV故障）；
c——TT和IT系统的相线和地之间及中性线和地之间UTOV、HV的值域（LV故障）；
d——未定义的区域；
■——SPD的UT值。
图B.2UTOV最大标准化值示例
图
3.4SPD的失效模式
SPD的失效模式决定了SPD和其他设备、和其使用的系统以及和SPD连接的电气装置之间的兼容性。
SPD的失效模式取决于电涌电流和电压的幅值和波形、供电系统的短路承受能力和故障时在SPD上施加电压值。
SPD失效时有两种主要模式：
35——短路：
由于SPD两端电气导通，工频电流由此产生接地故障，此时由SPD前端的过电流保护器动作切断了工频短路电流，可能产生的后果是SPD被脱离或供电中断。
36——
37——开路：
由于SPD开路，SPD和供电线路脱离。
38——
SPD可能会在某一时段内处于不确定状态。
该状态包括能量吸收和最终导致（自身或后备过电流保护器）开路或短路情况。
由于这一状态是暂时的过程，本部分不对此进行研究。
3.5短路电流承受能力
SPD短路电流承受能力short-circultwithstand
SPD能承受的最大预期短路电流值。
必须确保SPD不能被用于短路电流高于其标称值的位置。
同样必须确保有适当的断路器或后备保护，并能正常工作。
3.6额定负载电流（IL）
对双口SPD或是具有单独输入/输出的单端口SPD，生产厂应提供产品的额定负载电流IL值，额定负载电流：
连接至低压配电系统的双端口SPD输出端提供给负载允许的最大持续交流电流（r.m.s）或直流电流。
必须检查连接在双端口SPD输出端的负载电流或有单独输入和输出端的单端口SPD输出端负载电流和SPD上标称的额定负载电流相协调。
16注：
同样必须考虑负载的类型。
例如，有些负载具有涌入电流，可能是有效值（r.m.s）的3倍。
这些峰值电流能在双端口SPD的串连元件中产生额外的热量。
17注：
3.7电压降
对于双端口SPD或具有单独
升级会员 