浪涌保护器使用原则.docx

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浪涌保护器使用原则

防雷培训班

教材之四

电涌保护器的性能要求和使用原则

引言

SPD（SurgeProtectiveDevice）是国际电工委员会（IEC）标准中对电涌保护器的英文缩写。

过去国大多数生产厂商使用避雷器、低压避雷器、电子防雷器等名称均不够准确，使用避雷器一词易与使用于高压供电系统的避雷器相混淆，特别是国家标准已颁布了避雷器的容和设有专门的检测单位，它们主要应用于高压系统。

行业标准GA173把SPD定名为防雷保安器是与国家制定电器安全标准的规定相矛盾的，该标准对使用“安全”一词有特定规定，不允许把“安全”及类似含意的词与某元件联用，而且SPD除具备有防雷的功能外，还有抑制投切过电压的作用。

在IEC61312、IEC61643和IEC60364等相关标准中对SPD性能和安装使用提出了一系列要求，简要归纳出要点，以供讨论。

一、SPD的定义：

在GB50057-94《建筑物防雷设计规》中，SPD定名是过电压保护器：

“用以限制存在于某两物体之间的冲击过电压的一种设备，如放电间隙，避雷器或半导体器具”。

近日标准起草人林维勇先生在为中国气象局组织起草的某标准草案讨论稿上重的将“过电压保护器”易名为“电涌保护器”，并以近期颁布的国际标准和美国标准做了更名的文字说明。

SPD的定义应是，电涌保护器（SPD）：

用以限制瞬态过电压和引导电涌电流的一种器具，它至少应包括一种非线性元件。

这一观点将在林维勇先生执笔对GB50057-94局部修订条文征求意见稿中做为强制性国家标准出现。

二、SPD的分类：

SPD可按几种不同方法进行分类：

1．按使用非线性元件的特性分类：

（设计电路拓朴）

电压开关型SPD：

当没有浪涌出现时，SPD呈高阻状态；当冲击电压达到一定值时（即达到火花放电电压），SPD的电阻突然下降变为低值。

常用的非线性元件有放电间隙，气体放电管等。

开关型SPD具有大通流容量（标称通流电流和最大通流电流）的特点，特别适用于易遭受直接雷击部位的雷电过电压保护。

（即LPZ0A——直击雷非防护区），有时可称雷击电流放电器。

电压限制型SPD：

当没有浪涌出现时，SPD呈高阻状态；随着冲击电流及电压的逐步提高，SPD的电阻持续下降。

常用的非线性元件有压敏电阻，瞬态抑制二极管等。

这类SPD又称箝压型SPD，是大量常用的过电压保护器，一般适用于户，即IEC规定的直击雷防护区（LPZ0B）、第一屏蔽防护区（LPZ1）、第二屏蔽防护区（LPZ2）的雷电过电压防护。

IEC标准要求将它们安装在各雷电防护区的交界处。

混合型SPD：

开关型元件和箝压型元件混合使用，随着施加的冲击电压特性不同，SPD有时会呈现开关型SPD特性，有时呈现箝压型SPD特性，有时同时呈现两种特性。

2．按SPD的端口型式分类：

根据在不同系统中使用的需求，SPD生产商厂可以把SPD制造成一端口或两端口的型式。

一端口（又称单口）SPD：

与被保护电路并联连接。

一端口SPD可能有隔开的输入端及输出端，在它们之间没有特意设置的电阻或电感。

（见图1）

两端口（又称双口）SPD：

具有两组端口的SPD，一般与被保护电路串联连接，或使用接线柱连接，在输入端与输出端之间有特意设置的串联阻抗。

（见图2）

图1和图2上可以看出，无论SPD从外表上看是否串接或并联在被保护电路中，SPD的非线性元件实质上都是与被保护电路处于并联状态，当其动作时，能将被保护电路中的电涌电流通过SPD分流泄入地中。

3．按使用的性质分类：

由于雷电过电压和投切过电压（过去常称为操作过电压）可能沿供（配）电线路侵入，雷电过电压可能沿信号线（含线）或天馈线侵入，因此安装在不同的系统中的SPD必须满足不同系统的特殊要求。

这样，生产厂商又可将SPD按使用性质将SPD分为：

电源系统SPD、信号系统SPD和天馈系统SPD。

此外，还可以按安装的环境（位置）分为室用或户外用；按可接触性分为可接触或不可接触；按安装方式分为固定式或卡接可移式等等。

三、表征SPD性能的主要技术参数：

在1998年2月IEC颁布的标准《低压系统的电涌保护器第1部分性能要求及测试》（IEC61643-1）中规定了用于低压配电系统的SPD的使用环境是：

1000VAC（交流）50/60Hz和1500VDC（直流）以下电路系统中的SPD，使用高度不超过2000m，贮备和使用时的环境温度应在－5℃~40℃之间，特殊情况下可扩展到—40℃~70℃之间，相对湿度在常温下为30%~90%。

在此围之外的恶劣环境下和使用于户外或暴露在日光中或处在其它辐射源之下的SPD应有特别的设计要求，这是设计者、制造厂商和用户要特别注意的。

在IEC61643-1的第6章中对制造厂商提出必须提供下列信息容（19项）：

a）制造厂家、商标及模块型号

b）安装位置类别

c）端口数

d）安装方法

e）最大持续工作电压UC（每一种保护方式一个值）及额定频率

f）制造商声称的各保护方式的放电参数及试验类别：

——I类试验Iimp

——II类试验Imax

——III类试验UOC

g）I类及II类试验中的额定放电电流值In（每一保护模式一个值）

h）电压保护水平UP（每一保护模式一个值）

i）额定负载电流

j）外壳提供的保护水平（IP代码）

k）短路承受能力

l）备用过电流保护装置的最大推荐额定值（如果有）

m）断路器动作指示

n）具有特殊用途产品的安装位置

o）端口标志（进、出口端标志）

P）安装指南（如：

连接、机械尺寸、引线长度等）

q）电网电流类型：

直流（d.c）交流（a.c）及频率或两者都可应用

r）I类试验中能量指标（W/R）

s）温度围

在上述19项容中，a）、e）、f）、h）、j）、i）、o）和q）等8项要求制造厂商必须在产品的铭牌上注明。

目前国生产厂商使用的技术参数名称不统一，国外厂商的参数译文也不大一致，因此用户很难正确使用，在此笔者试图说明一些参数名称和容。

在进行参数介绍之前，有必要介绍一下过电压的概念。

在IEC60664-1《低压系统设备的绝缘配合》标准中，定义过电压（overvoltage）：

“峰值大于正常运行下最大稳态电压的相应峰值的任何电压”。

过电压一般分为短时过电压（或暂态过电压）（temporaryovervoltage）和瞬态过电压（transientovervoltage）。

这两种过电压的区分是短时过电压是持续时间较长的工频过电压，而瞬态过电压则是振荡的或非振荡的，通常为高阻尼，持续时间只有几毫秒（ms）或更短的短时间过电压。

雷击过电压便属瞬态过电压。

由于特定通断操作或故障通断，在系统中的任何位置出现的瞬态过电压又称投切过电压（操作、通断过电压）（switchingovervoltage）。

SPD应具备抑制瞬态过电压的功能，含防护雷电过电压和投切过电压。

1．保护模式：

SPD可连接在L（相线）、N（中性线）、PE（保护线）间，如L-L、L-N、L-PE、N-PE，这些连接方式称为保护模式，它们与供电系统的接地型式有关。

按GB50054-95《低压配电设计规》规定，供电系统的接地型式可分为：

TN-S系统（三相五线）、TN-C系统（三相四线）TN-C-S系统（由三相四线改为三相五线）、IT系统（三相三线）和TT系统（三相四线，电源有一点与地直接连接，负荷侧电气装置外露可导电部分连接的接地极与电源接地极无电气联系）。

2．额定电压Un，是制造厂商对SPD规定的电压值。

在低压配电系统中运行电压（标称电压）有220VAC、380VAC等，指的是相对地的电压值也称为供电系统的额定电压，在正常运行条件下，在供电终端电压波动值不应超过±10%，这些是制造商在规定Un值时需考虑的。

在IEC60664--1中定义了实际工作电压（WorkingVoltage）：

在额定电压下，可能产生（局部地）在设备的任何绝缘两端的最高交流电压有效值或最高直流电压值（不考虑瞬态现象）。

3．最续工作电压UC，指能持续加在SPD各种保护模式间的电压有效值（直流和交流）。

UC不应低于低压线路中可能出现的最续工频电压。

选择230/400V三相系统中的SPD时，其接线端的最续工作电压Uc不应小于下列规定：

TT系统中UC≥1.5UO

TN、TT系统中UC≥1.1UO

IT系统中UC≥UO

注1：

在TT系统中Uc≥1.1Uo是指SPD安装在剩余电流保护器的电源侧；Uc≥1.5Uo是指SPD安装在剩余电流保护器的负荷侧。

注2：

UO是低压系统相线对中性线的电压，在230/400V三相系统中Uo=230V。

对以MOV（压敏电阻）为主的箝压型SPD而言，当外部电压小于UC时，MOV呈现高阻值状态。

如果SPD因电涌而动作，在泄放规定波形的电涌后，SPD在UC电压以下时应能切断来自电网的工频对地短路电流。

这一特性在IEC标准中称为可自复性。

上边提到的UC≥1.5Uo、UC≥1.1Uo、Uc≥Uo等标准引自IEC60364-5-534，从我国供电系统实际出发，此值应增大一些，有专家认为原因是国外配电变电所接地电阻规定为1-2Ω，而我国规定为4-10Ω，因而在发生低压相线接地故障时另两相对地电压常偏大且由于长时间过流很易烧毁SPD。

但SPD的UC值定的偏大又会因产生残压较高而影响SPD的防护效果。

也有些专家认为，虽然变电所接地电阻较大，但在输电线路中实现了多次接地，多次接地的并联电阻要低于变电所的接地电阻值，因此UC≥1.1UO即可满足要求。

由于后者分析较接近实际，在有关国家标准出台前，仍以IEC标准为准。

4．点火电压，开关型SPD火花放电电压，是在电涌冲击下开关型SPD电极间击穿电压。

5．残压Ures，当冲击电流通过SPD时，在其端子处呈现的电压峰值。

Ures与冲击电涌通过SPD时的波形和峰值电流有关。

为表征SPD性能，经常使用Ures/Uas=残压比这一概念，残压比一般应小于3，越小则表征着SPD性能指数越好。

6．箝位电压Uas，当浪涌电压达到Uas值时，SPD进入箝位状态。

过去认为箝位电压即标称压敏电压，即SPD上通过1mA电流时在其两端测得的电压。

而实际上通过SPD的电流可能远大于测试电流1mA，这时不能不考虑SPD两端已经抬高的Ures（残压）对设备保护的影响。

从压敏电压至箝位电压的时间比较长，对MOV而言约为100ns。

7．电压保护水平UP（保护电平），一个表征SPD限制电压的特性参数，它可以从一系列的参考值中选取（如0.08、0.09、……1、1.2、1.5、1.8、2……8、10KV等），该值应比在SPD端子测得的最大限制电压大，与设备的耐压一致。

Up、Un、Uc之间关系参见图3。

8．限制电压测量值，当一定大小和波形的冲击电流通过SPD时在其端子测得的最大电压值。

9．短时过电压UT，保护装置能承受的，持续短时间的直流电压或工频交流电压有效值，它比最续工作电压UC要大。

10．电网短时过电压UTOV，电网上某一部件较长时间的短时过电压，一般称通断操作过电压。

UTOV一般等于最续供电系统实际电压UCS的1.25到1.732倍。

11．电压降（百分比）：

ΔU=[（Uin—Uout）/Uin]×100%

其中Uin指双口SPD输入端电压，

Uout指双口SPD输出端电压，

通过电流为阻性负载额定电流。

12．最续供电系统电压UCS，SPD安装位置上的最大的电压值，它不是谐波也不是事故状态的电压，而是配电盘上的电压变及由于负载和共振影响的电压值升（降），且直接与额定电压Un相关。

UCS一般等于Un的1.1倍。

13．额定放电电流In：

8/20μs电流波形的峰值，一般用于Ⅱ类SPD试验中不同等级，也可用于Ⅰ、Ⅱ类试验时的预试。

14．脉冲电流Iimp：

由电流峰值Ipeak和总电荷Q定义（见IEC61312中雷电流参数表）。

用于Ⅰ类SPD的工作制测试，规定Iimp的