1、南京信息工程大学电子工程系防雷 2000 级一班 黄灏（2000405228）1目 录引言 .2一、SPD 的分类和主要技术参数 .21.1 SPD的分类 .21.1.1按使用非线性元件的特性分类: .21.1.2 按 SPD的端口型式分类 .21.1.3按使用的性质分类 .31.2保护器件结构的介绍 .41.2.1 电压开关型 SPD.41.2.2电压限制型 SPD .41.3.表征 SPD的技术参数 .41.3.1电源系统的 SPD .41.3.2 SPD在低压配电系统中技术参数的解释 .5二SPD 的选择与安装 .72.1电涌保护器的选择 .72.1.1确定建筑物防雷等级 .72.1.2
2、确定安装位置 .72.1.3参数的选择 .72.1.4注意能量配合问题 .82.2电涌保护器的安装 .92.2.1不同供电制式的系统中 SPD的安装 .92.2.2安装时的注意点 .11三、小结 .12参考文献： .12南京信息工程大学电子工程系防雷 2000 级一班 黄灏（2000405228）2低压配电系统中SPD的选择和安装The Choice and Fixation of Surge Protector and Lightning Surge Protective Device for LV Distribution System南京信息工程大学 黄 灏 210044【摘要】本文主要
3、介绍在低压配电系统中电涌保护器（也称浪涌保护器，简称SPD）的基本要求和主要的技 术参数，并简述如何加以选择及其安装方式和注意点。 【关键词】低压配电 电涌保护器 能量配合Abstract: This dissertation makes an introduction to the basic requirement, the common components and main technical parameters of SPD (surge protective device), which is installed in the Low Voltage（LV） distributi
4、on system. At the end of which, the dissertation mainly summarizes how to properly choose and fix SPD in L.V.distribution system.Key words: LV Distribution System SPD Energy Compatibility 引言SPD(Surge Protective Device) 是国际电工委员会( IEC) 标准中对电涌保护器(过电压保护器) 的英文缩写。在2000年版的GB50057 94对电涌保护器(Surge Protective
5、Device，SPD)的定义是：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。一、SPD的分类和主要技术参数1.1 SPD的分类SPD可按几种不同角度进行分类:1.1.1按使用非线性元件的特性分类:电压开关型SPD（voltage switching type SPD） : 当没有电涌出现时,SPD 呈高阻状态;当电压电涌达到一定值时(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、开关型SPD（闸流管）和三端双向可控硅元件作为这类SPD的组件。有时称这类SPD为“短路开关型”或“克罗巴型”SPD。开关型SPD具有大通
6、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LPZO A 直击雷非防护区) , 有时可称为雷击电流放电器。电压限制型SPD(voltage limiting type SPD) : 当没有冲击出现时,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。一般适用于户内,即IEC 规定的直击雷防护区(LPZO B)、第一雷电防护区(LPZ1)、第二雷电防护区(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
7、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。1.1.2 按SPD的端口形式分类根据在不同系统中使用的需求,生产商把SPD制造成一端口或两端口的型式。南京信息工程大学电子工程系防雷 2000 级一班 黄灏（2000405228）3一端口(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, 但之间没有特意设置的电阻。（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
8、串联阻抗(图2) 。从图1和图2可以发现一个共同的特征：SPD的非线性元件都是与被保护电路处于并联状态，当其动作时，将被保护电路中的电涌电流通过SPD分流泄入大地。1.1.3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、信号线(含电话线) 或天馈线侵入,因此安装在不同系统中的SPD 必须满足不同系统的特殊要求。这样,生产厂商又可按使用性质将SPD 分为:电源系统SPD、信号系统SPD、天馈系统SPD。此外，还可以按安装的环境分为室内用SPD或室外用SPD;按可接触性分为可接触SPD或不可接触SPD；按安装方式分为固定式SPD或卡接可移式SPD等等。
9、1.2保护器件结构的介绍南京信息工程大学电子工程系防雷 2000 级一班 黄灏（2000405228）41.2.1 电压开关型SPD电压开关型SPD主要由放电间隙这种非线性元件组成，所谓放电间隙就是把暴露在空气中的两块相互隔离一空气间隙的金属物作为避雷放电的装置，通常把其中一块金属接在需要防雷的导线上，例如供电系统的相线，另一块金属与地线连接。当雷电流的高电位侵入电源的相线时，首先在间隙处击穿，使间隙的空气电离，形成短路，雷电流通过间隙的短路流入大地，而此时间隙两端的电压却很低，因而达到减低雷电压的目的。1.2.2电压限制型SPD 电压限制型SPD主要由氧化锌压敏电阻构成。每一块压敏电阻从制成
10、时起就有它的一定的开关电压，当加在两端的电压低于开关电压时，压敏电阻呈现高阻值；当加在两端的电压高于压敏电压时，压敏电阻即被击穿，呈现低阻值。当高于压敏电阻的电压撤销后，它又恢复高阻状态。 1.3.表征SPD的技术参数1.3.1电源系统的SPD1998 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,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- 540之间,特殊情况下可扩展到- 4070 之
11、间,相对湿度在常温下为30%90%。在此范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。对制造厂商而言,IEC标准要求生产和销售的SPD 铭牌上必须注明下列内容: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) 最大持续操作电压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IimpII 类试验ImaxIII 类试验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
12、模式一个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南京信息工程大学电子工程系防雷 2000 级一班 黄灏（2000405228）5o) 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(DC) 交流(AC) 及频率或两者都可应用r) I 类试验中能量指标(W/ R)s) 温度范围1.3.2 SPD在低压配电系统中技术参数的解释在解释之前，首先说明一下过电压的概念。在IEC60664 - 1低压系统内设备的绝缘配
13、合标准中,定义过电压(over-voltage) :“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(或暂态过压)(temporary over-voltage) 和瞬态过电压(transient over-voltage) 。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) ( switching over-voltage) 。SP
14、D 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的保护模式实际就是一组SPD中的各个模块与被保护线路或设备端子如何连接：接在相线（L）或地线（PE）、相线(L)对中性线（N）或中性线（N）对地线（PE）之间，还是接在相线（L）对相线（L）之间.下面简要介绍三种主要的保护模式：3P接线：当N线与PE线直接相连时，SPD接在每一L线与PE线之间。具体来说就是TN-S、TN-C系统中变压器低压端以及TN-C-S系统进户处，N线作重复接地的情况下，三相各装一个对地的SPD，N线不装;4P接线：当N线不与PE线直接相连时，SPD接在每一L线与PE线之间和接在N线与PE
15、线之间。TN-S、TN-C、TN-C-S系统除上述情况外以及TT制系统在剩余电流保护器（RCD）的负荷侧，均采用4P接线;“3+1”接线:具体接法就是三个间隙型或MOV型SPD接于L与N之间，一个间隙型SPD接于N与PE之间，主要用于安装在TT系统中剩余电流保护器（RCD）的电源侧。(2) 额定电压U n，是厂商对SPD 规定的电压值。在低压配电系统中运行电压有220 、380Vac是相对地的电压值。在正常运行条件下,供电终端电压波动值不应超过10 %。(3) 最大持续工作电压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) 。U C不应低于低压线路中可能出现的最大持续工频电压
16、。TT 系统中Uc1.15 UoTN、TT 系统中Uc1.11 UoIT 系统中UcUoUo指L-N 间或L-PE 间的电压对以MOV( 压敏电阻) 为主的箝压型SPD 而言,当外部电压小于Uc时,MOV 呈现南京信息工程大学电子工程系防雷 2000 级一班 黄灏（2000405228）6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 、Uc1.1Uo均引自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
17、外配电变电所接地电阻规定为12 , 而我国规定为410。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 1.1U O 即可满足要求。(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,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
18、 性能,经常使用Ures/ Uas = 残压比概念。残压比一般应小于3 ,越小则表征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Uas 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0.8 、0.9、1 、1.2、1.5、1.8、2
19、 、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。(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U T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。它比最大持续操作电压UC 要大。(10) 电压降(百分比) U = (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。(11) 最大连续供电系统电压UCSSPD 安装位置上的最大电压值,它不是事故状态的电压,而是配电盘上的电压变化,以及由于
20、负载和共振影响的电压值升(降) ,且直接与额定电压Un 相关。（12）额定放电电流 In8/20s电流波形的峰值，一般用于类SPD试验中不同等级，也可用于、类试验时的预试。（13）脉冲电流Iimp：由电流峰值和总电荷Q定义。用于类SPD的工作制测试，规定Iimp的波形为10/350 s ， 也可称之为最大冲击电流。南京信息工程大学电子工程系防雷 2000 级一班 黄灏（2000405228）7（14）最大放电电流Imax:通过SPD的电流峰值，其大小按类SPD工作制测试的测试顺序而定，ImaxIn,波形为8/20s 。（15）持续工作电流Ic:当对SPD各种保护模式加上最大连续工作电压Uc时，
21、保护模式上流过的电流。Ic实际上是各保护元件及与其并联的内部辅助电路流过的电流之和。（16）续流If：当SPD放电动作刚刚结束的瞬间，跟着来的流过其的由电源提供的工频电流。续流If与持续工作电流Ic有很大区别。（17）额定负载电流：由电源提供给负载，流经SPD的最大持续电流有效值（一般指双口SPD）。（18）泄漏电流Ic指SPD在不导通下的泄漏电流。Ic1mA二SPD的选择与安装SPD 选型的实质是正确确定电压保护水平(残压) Up、最大放电电流,保持Up小于被保护设备的耐压等级,从而保护设备。规范内给出220/ 380V 三相系统各种设备绝缘的耐冲击电压额定值。设计时,可从规范给出的雷电流分
22、配图、雷电流分流估算式、雷电流参量表,作为选择SPD 的重要依据。2.1电涌保护器选择2.1.1 确定建筑物防雷等级从规范有关规定确定建筑物防雷等级及首次雷击及首次雷击以后的雷电流参量;也可以从实测的雷电流幅值的雷击概率曲线上由年均雷暴日T 来查取雷电流幅值的雷击概率。具体由E=1-N C/N来计算。（N C表示因直击雷和雷电电磁脉冲引起信息系统设备损坏的可接受的最大年平均雷击次数，N表示建筑物预计累计次数）然后由不同的概率可以得出需要安装SPD不同的级数（表格如下）：E0.98 A级 应在低压系统中采取 3-4级 SPD进行保护0.95E0.98 B 级 应在低压系统中采取 2-3级 SPD
23、进行保护0.8E0.95 C 级 应在低压系统中采取 2级 SPD进行保护E0.80 D 级 应在低压系统中采取 1级或以上 SPD进行保护2.1.2确定安装位置一般来讲，第一级安装在总进线的配电箱前，第二级安装在分配电箱前，第三级安装在重要设备配电系统前，第四级安装在电子设备工作电源前。 2.1.3参数的选择如果电气设备由架空线供电，或由埋地电缆引入段短于150米的架空线供电，当地区雷电涌压大于6000伏且雷电日每年超过25天，应在电源进线处装设SPD；如果当地雷电涌压在4000伏到6000伏之间，应在电源进线处装设SPD；当有重要的电子设备安装于建筑物内时，应在电源进线处和电子设备供电处根
24、据设备耐过压的能力装设多级SPD。SPD的参数有很多，笔者将其分为两类：I电压类参数 主要有:最大钳压、残压、电压保护水平、最大持续电压和最大电涌电压1) 电压保护水平U p : SPD 泄放标称放电电流时,其两端的最大电位差。2) 最大箝压:箝压(Clamping Voltage :CV) 是SPD 起作用时的限制电压。对压敏电阻这类SPD 来讲,最大箝压是SPD 箝压功能恶化情况下的残压。南京信息工程大学电子工程系防雷 2000 级一班 黄灏（2000405228）83) 最大电涌电压:SPD 的最大残压加上SPD 两引线寄生电感上的感应电压,亦为被保护设备实际承受的最大过电压。4) 最大
25、持续运行电压Ue:可能持续加于SPD 两端的最大交流电压有效值和直流电压之和。超过此值运行时,SPD 将遭受热致损坏。在不同制式的配电系统中其值有所不同。具体如下：TN系统中, Ue应不小于1.1倍系统供电相电压。TT系统，高压侧10KV系统不接地，当SPD前有RCD保护时，Ue应不小于1.5倍系统供电相电压。当SPD前无RCD保护时，Ue应不小于1.1倍系统供电相电压。IT系统，Ue应不小于系统供电线电压。也就是1.15倍的相电压。II. 电流类参数 主要有:标称放电电流,最大放电电流,冲击电流。1) 标称放电电流流过SPD 的模拟雷电流波的波头时间/ 半值时间为 8/ 20s 时的电流波的
26、峰值。它是流过SPD的8/20us电流波的峰值电流，用于对SPD做II级分类实验或做I级分类实验的预处理。对于I级分类实验，In不小于15KA；对于II级分类实验，In不小于5 KA。2) 最大放电电流用于SPD 二级分类试验, 8/ 20s 电流波峰值电流, (亦称通流容量) 。它与标称放电电流的不同在于前者是取多次试验中放电电流的最大值，而后者是取多次试验的平均值。3) 通流容量用于SPD 一级分类试验。它反映了SPD的耐直击雷的能力（采用10/350us波形）。这里简要说明一下第一级SPD通流容量的确定。首级SPD的通流容量应采用首次雷击的雷电流参量进行估算：50%流入建筑物避雷装置的接
27、地装置，另外50%的雷电流被m=4根或m=2根低压输电线路分流，每根线缆上的电流i=i a/m(ia为流入每一个设施的电流)，所以第一级SPD的通流容量必须大于每根输电线路的电流量。下表表示的是各级通流容量的选择：（补图）第一级通流容量（KA）S PD 性能要求防护等级保护级数 架空进线 埋地进线第二级通流容量（KA）第三级通容量（KA）第四级通流容量A 级 四级20-40(10/350s)80(8/20s)60-100(8/20s)40-60(8/20s)20-40(8/20s)B 级 三级15-30(10/350s)60(8/20s)40-60(8/20s)20-40(8/20s)20(8
28、/20s)C 级 二级10-20(10/350s)40(8/20s)20-40(8/20s)20(8/20s)D 级 一级10-15(10/350s)30(8/20s)20(8/20s)10(8/20s)视其工作电压选用10KA的 SPD2.1.4注意能量配合问题由于SPD采用的非线性器件各有特点，为了保证响应速度快但是特征能量小的器件在工作时通过的能量不超过自身最大承受能量并及时响应把余下的更大的能量交换到反应慢但可以承受更大能量的器件上，SPD之间的能量配合就显得格外重要了。南京信息工程大学电子工程系防雷 2000 级一班 黄灏（2000405228）9在IEC 613123(雷电电磁脉冲
29、的保护第三部分，对电涌保护器的要求)关于能量配合的章节指出，在SPDl和SPD2之间流过的每一电涌电流通过SPD2消散的能量部分低于或等于SPD2的最大耐受能量，这样就实现了能量的配合。由流动波的折反射原理可知,当浪涌进入保护装置到达电感时, 电感将产生与入射波同极性的反射波来升高第一级SPD上的电压,促使第一级SPD尽早动作泄放电流。同时电感将产生与入射波反极性的折射波,来降低作用在第二级SPD上的浪涌波形的波头的上升陡度,改善第二级SPD的动作特性,以便有效发挥其箝位限压作用。下面用行波理论来计算出每级SPD达到能量配合所需距离。限压型SPD的响应时间约为25ns，开关型SPD响应时间较其
30、稍慢，约为100ns，那么如何能保证第一级比第二级先动作呢？众所周知，当雷电流到达开关型SPD后，由于其有响应时延，雷电流以行波的形式继续向前传播，如果要保证第一级能起到泄放较大能量雷电流的作用，那就应该使雷电流波形在到达第二级之前第一级动作起来！波在电缆中的传播速度约V=1.5*10 8m/s,两级SPD响应的时间差约为100-25=75ns，由此可以算出波传输的距离为S=VT=1.5*10 8*75*10-9=11.25m.这就是第一级与第二级SPD间的距离值。如果前后两级都为限压型SPD，由于在实际中响应时间有误差（估算为25ns） ，为了保证前一级比后一级先动作，那么它们之间的距离应为
31、 S=VT=1.5*10 8*25*10-9=3.75m。 现在菲尼克斯公司首先提出了主动能量吸收（AEC）概念，它与传统能量分配原理的一个重要区别是：AEC的能量交换点由MOV的残压决定，所以只要控制好MOV的最大能量与交换电平的关系就可以很好的控制住能量的分配。也就是说，对于传统的能量配合，由于交换点取决于电涌电流的陡度（波形）。而AEC不管是什么波形的电涌10/350、8/20，甚至是直流波形，只要是MOV的伏安特性曲线上的电压与交换电平相一致就可以主动控制能量的分配了。2.2 电涌保护器的安装2.2.1不同供电制式的系统中 SPD的安装(示意图)雷电会在配电线路上感应雷电过电压，它可能
32、是相线对地、可能是中性线对地、也可能是相线与中性线间感应过电压，而不同的配电系统中SPD的安装方法是不一样的。TN系统一般采用相线及中性线分别对地加装过压型SPD的方式,TT 系统一般为相线分别对中性线加装过压型SPD ,中性线对地采用放电间隙SPD。不同的供电接地系统,SPD的安装方法不同,在TNC-S和TN-C中电源进线回路中有相线和PEN线,而PEN线需与总等电位联结的接地母排连通而接地,所以这两种接地系统的PEN线上可不需安装SPD,TN-S和TT接地系统中的N线在进线处不接地,这两种系统的N线上南京信息工程大学电子工程系防雷 2000 级一班 黄灏（2000405228）10应和相线一样安装SPD。此外,在易燃易爆危险环境中, 使用的SPD应具有防爆功能.1. TN系统TN-S系统 SPD安装示意图TN-C-S系统 SPD安装示意图2. TT系统 SPD安装示意图
