建筑物入口处spd的选择.docx
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建筑物入口处spd的选择
建筑物入口处电源SPD的选择
南京信息工程大学周春林210044
【摘要】依照国标GB50057《建筑物防雷设计规范》、IEC及IEEE的最新规范提出了建筑物入户处的SPD选择的一些能量配合问题及选择方法。
并结合国标GB50057、IEC及IEEE最新标准，介绍了最新的能量配合技术。
【关键词】浪涌保护能量配合电压保护水平自感解耦
1、引言
随着国标GB50057—94（2000年版）的全面实施，同时IEC、IEEE等陆续对一些规范和标准做了修改和补充。
这些使我们对建筑物内电子系统的浪涌保护器的设计提供了依据和帮助。
SPD（Surge ProtectiveDevice的简称）作为防雷系统的一个重要部分，在建筑物防感应雷部分尤其重要，是为了限制过电压通过线路引入建筑物，并顺利地把过电流泄放入大地，从而保护建筑物内的设备。
2、建筑物入口处SPD选择的新要求
“按照IEC61312-1防雷区的概念，每一条电气线路穿过两个防雷区交界处时，需要安装浪涌保护器SPD。
这些浪涌保护器必须充分将能量分配好，以便在各个SPD之间能根据它们各自的能量耐受能力获得一个合理的承载值分配。
并有效地将原始雷电威胁值减小至被保护设备的浪涌耐受能力范围内。
”同样IEC60364-5-5-34对浪涌保护器选择的要求规定：
“SPD的最大连续工作电压Uc应大于SPD端子间的实际最大连续电压”。
IEC/TC64/1226/FDIS（2002-01-25）标准IEC60364-5-53，ED.3：
RevisionofClause534：
Devisionforprotectionagainstovervoltages的Amendment1中对安装SPD的一些新要求见表一。
从表中可以看出，在新规范中TN-S既可以采用4﹢0的保护模式也可以采用3﹢1保护模式。
（4+0保护模式：
当中性线N与保护线EP没有连接时，每一相线L与保护线PE之间连接SPD，中性线N与保护线PE之间连接一个SPD，及为CT1的连接形式。
3+1保护模式：
每一相线L与中性线N之间连接SPD，中性线N与保护线PE之间连接一个间隙型SPD。
及为CT2的连接形式）
表一，根据系统结构安装浪涌保护
在以下各线
之间安装SPD
SPD安装处的系统结构
TT
TN-C
TN-S
有中性线引出IT
无中性线引出IT
按以下形式连接
按以下形式连接
按以下形式连接
CT1
CT2
CT1
CT2
CT1
CT2
每根相线与中性之间
0
1
NA
0
1
0
1
0
每根相线与PE线之间
1
NA
NA
1
NA
1
NA
1
中性线与PE线之间
1
1
NA
1
1
1
1
NA
每根相线与PEN线之间
NA
NA
1
NA
NA
NA
NA
NA
各相线之间
0
0
0
0
0
0
0
0
注：
1――必须；NA――适用；0――非强制性的，可附加选用
3、建筑物入口处SPD的主要技术参数
目前，由于国内国际有关SPD的设计规范在应用时一些细节未具体化，在国内SPD的市场管理不够规范。
当选用SPD产品时，设计人员应对SPD的主要技术参数有深刻的了解。
这样才能选出符合要求的产品，正确地选用SPD，从而设计出一个好的SPD安装方案。
3.1、建筑物入口处SPD的电压类参数
电压类参数：
电压保护水平Up、最大持续运行电压Uc
3.1.1、建筑物入口处SPD的电压保护水平（Up）的选择
标准IEC364-5-564[3]有条文（534.2.3.1）明确规定:
“按冲击耐受电压类别来选择电压保护水平，不论是如何高的过电压，对SPD选择安装时其Up不应大于表二中的Ⅱ类2.5kV。
”对表一中的CT2连接形式（3+1保护模式的连接形式），此规定同样适应于相线与PE线之间的总的电压保护水平。
表二,220/380V三相系统各种设备耐冲击过电压额定值
设备的位置
电源处的设备
配电线路和最后分支线的设备
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
注：
I类--需要将瞬态过电压限制到特定水平的设备。
Ⅱ类—家用电器、手提工具和类似负载。
Ⅲ类—如配电盘，断路器、包括电缆、母线、分线盒、开关、插座的布线
系统，以及应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。
IV类—如电气计量仪表、一次性过流保护设备、波纹控制设备。
电压保护水平Up：
用来表征SPD限制其端子上电压的特性的一个参数，是从一张推荐值表中选取。
此参数应大于所测到的各个限制电压中的最大值，GB50057第6.4.4条对建筑物入口处SPD的电压保护水平的要求：
“在建筑物进线处和其它防雷区界面处的最大电涌电压，即电涌保护器的最大箝压加上其两端引线的感应电压应与所属系统的基本绝缘水平和设备允许的最大电涌电压协调一致；在不同界面上各电涌保护器还应与其相应的能量承受能力相一致。
”
只有在无法得到设备的耐冲击电压时，系统的设备耐压水平才按表二选用，由图一及表二可知建筑物入口处SPD的浪涌电流波形近似10/350us，选择限压型SPD，残压还没有达到保护水平，将标称放电电流In下的残压向下靠一个优选值，才能作为限压型SPD的Up值。
标准《IEC61643－12：
2002低压SPD第12部分：
低压配电系统的SPD――选择与应用原则》也有类似的规定：
既要考虑被保护设备的冲击耐受水平，Up愈低愈好，也要考虑到SPD的Uc（连续工作电压）、UT（系统的暂时过电压）、SPD的劣化效应及其与其它级SPD之间的协调能力都必须接受上述IEC60364-5-5-34要求的限制。
3.1.2、最大持续运行电压Uc
最大持续运行电压Uc：
反映持续加在SPD各种保护模式间的最大方均根电压或直流电压，即允许持久地施加在SPD两端的最大交流电压。
而对Uc不应低于低压线路中可能出现的最大连续工频电压。
选择220/380V三相中的SPD时，其接线端的最大持续运行电压Uc应符合下列规定：
TT系统Uc至少应为1.55Uo；TN系统中Uo至少应为1.15Uo；IT系统的Uc应等于线电压Uo（Uo是低压系统相线对中性线的电压，在220/380V三相系统中Uo=220V）。
3.1.3、Up和Uc的关系
对于Up和Uc的关系与选择那种类型的SPD是无关的，只限制瞬态过电压，由于通过SPD的时间极短，其通过的能量也有限,然而电网异常、故障是由电网自身运行引起，虽然其幅值比瞬态过电压低，但持续时间比瞬态过电压长（几个周期波到几秒，甚至更长），所以能量大。
对MOV等限压型SPD，MOV轻则加速老化，重则过热直到损坏、短路、爆炸。
对间隙电压开关型SPD，虽无明显的老化问题，但是如在TOV（暂态过电压）下击穿，而且击穿后不能自动熄弧，会导致爆炸。
所以选用SPD的最大持续运行电压Uc过低是不安全的，过高则SPD暂态下的动作电压台高，保护效果就变差。
对ZnO变阻器SPD而言，Up/Uc有相应的关系，且是变量，随SPD的直径增大（标称放电电流In也随之增大），其范围为Up/Uc＝3.3～4.6，即使4.6对应的In为20kA，Up＝275×4.6＝1265V。
对230/400V系统而言仍然是满足要求的。
由表四及图二可说明。
表四两种结构原理SPD的优缺比较
特性类型
响应时间
通流能力
动作平
稳性
动作分散性
续流
电压保护水平Up
泄流电流
老化
间隙
较慢（<100ns）
Iimp>50Ka（10/350μS）
突变
大
很大
高
基本没有
不明显
MOV
较快（25ns）
In≤20Ka（8/20Μs）
平稳
无
极小
较低
有
明显
3.2、建筑物入口处SPD的电流类参数
电流类参数：
标称放电电流In、最大放电电流Imax、冲击放电电流Iimp
SPD电流参数是不可或缺的参数，电流参数对SPD的选择起到很大的作用。
当建筑物受到雷击或是邻近的雷击时，最大放电电流Imax（10/350μs）可按GB50057计算选取。
若不能得出该电流值，每个SPD的Iimp对每种保护模式都不应小于12.5kA。
对于CT2列，连接于中性线与PE线之间的每个SPD的Iimp可按GB50057相线与PE线之间的每个SPD计算值乘以4，对于单相系统乘以2。
若不能得出该电流值，则对三相系统，每个SPD的Iimp不应小于50KA，对于单相系统不应小于25kA。
（在三项系统中每相Iimp的最小值*4=每相SPD的Iimp最小值；在单项系统中每相Iimp的最小值*2=每相SPD的Iimp最小值）
3.2.1、建筑物入口处雷电流估算
首先应对建筑物入口处雷电流进行估算。
根据IEC61643-1接至低压配电系统的浪涌保护器的第一部分性能要求及测试方式中用简化法来估算，如图三。
从图三中可看出，当直击雷闪击在本建筑物上，通过建筑物入口处SPD（共4个，对系统而言）的电流只有一部分，当有金属瓦斯管时占17％（一根导
体的即D只有4％），没有金属瓦斯管时占25％（一根导体的SPD也只有6％）。
如图三，总的雷电流*百分比=通过SPD的雷电流。
通过每个SPD的雷电流：
200KAⅹ6%=12KA。
当雷电流通过电力线从外部传入时，并全部通过SPD，再经接地电阻和管道入地，此雷电流的大小和外部情况有直接关系，和建筑物的接地电阻密切相关。
雷电流与接地电阻成反比，如果接地电阻相对较小，就会吸引较大的雷电流，这样就能达到更好的保护效果。
3.2.2、建筑物入口处SPD的电流类参数
一般来说，SPD能够承受的最大雷电流能量可用通流容量来表征，而在工程设计中，通常近似地引用规定雷电波波形的最大放电电流Imax来表征SPD通流容量。
标称放电电流In：
流过SPD的波形为8/20μS的雷电流峰值电流。
用于对Ⅰ类及Ⅱ类SPD的分类测试和预处理；冲击放电电流Iimp：
Iimp由电流峰值Ipeak及电荷量Q确定。
按照工作状态测试序列进行测试。
用此参数对Ⅰ类测试的分级；最大放电电流Imax：
Ⅱ类测试最大放电电流流过SPD的电流峰值。
该电流应具有Ⅱ类工作状态的测试雷电流波形（8/20μS）及幅值。
Imax大于In。
3.3、建筑物入口处SPD的时间类参数
响应时间：
SPD两端施加的压敏电压到SPD箝位电压的时间。
在暂态过电压保护应用中，为了达到可靠保护设备，SPD必须在足够短的时间内动作，把高于设备的耐受值的雷电流部分截断，并泄入大地，避免损坏设备。
不同类型的SPD有不同的响应时间。
如放电间隙的响应时间为100ns；气体放电管的响应时间为80ns；压敏保护器的响应时间为25ns。
当然在应用SPD时，响应时间的参数要依据SPD所处的级别而论。
按照国标GB50057的规定：
“一级SPD的响应时间不应大于100ns；二级SPD的响应时间不应大于50ns；三级SPD的响应时间不应大于25ns”。
以据此规定可以从响应时间参数来选择更适合的SPD。
4、雷电波形分析及不同波形的能量差别
虽然没有任何两次雷击电流的波形完全相同，但一切雷电波形却有相似的电流上升前沿。
通常采用雷电流峰值的半波值时间和波头时间来表征雷电流波形。
IEC规定用雷电流幅值（I）、波头时间（T1）、半波值时间（T2）来表征钟型冲击雷电流测试波波形。
（如图四所示）
实际上，8/20μs的雷电瞬态电流波形经常出现在电气和电子系统中，并随系统结构和雷电环境的不同而存在差异，对于防雷设计和保护装置的试验，标准中还规定了一系列试验波形：
8/20μs、1.2/50μs、
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