建筑物第一级SPD的选择

建筑物第一级低压电源SPD的选择
顾俭
（铁一院乌鲁木齐勘测设计院）
摘要通过分析不同结构类型的电涌保护器（SPD）所具有的特点，依据相关规范，阐述了建筑物第一级低压电源SPD的选型原则，并给出了该处SPD的电涌能量承受能力和电压保护水平的校验计算过程。

关键词电压开关型SPD 电涌能量承受能力电压保护水平
1 概述
雷击电磁脉冲（LEMP）是由于闪电直接击在建筑物防雷装置上，导致与防雷装置相连的导体电位升高，并且对周围环境产生电磁辐射干扰，它对电子信息设备的危害最大。

雷电流的主要泄放通道是通过共用接地极、电源线路、各类信号传输线路和进入建筑物的金属管等导体。

雷击电磁脉冲的防护措施之一，是将以上通道和建筑物内所有金属物做等电位连接，减小建筑物内各金属物与各系统之间的电位差，从而达到保护电子设备的目的。

对于不能直接连接的带电体（如电力线和通信线等设施），应采用暂态连接的办法，即采用电涌保护器（SPD）连接。

正确的设计选型是使SPD对电子信息系统进行有效防护的必要前提，尤其是建筑物第一级低压电源SPD需要泄放掉进户低压电力线路上绝大多数的雷电流，作用至关重要。

然而在实际工程中经常出现建筑物内从室外引来的低压线路上安装的第一级SPD采用限压型金属氧化物压敏电阻产品、忽略了SPD的电涌能量承受能力和电压保护水平校验计算等错误做法。

本文将依据相关规范，阐述第一级低压电源SPD的选型原则和计算过程。

2 结构类型选择
按照结构类型低压电源SPD 分为3种：电压开关型、限压型、复合型。

电压开关型SPD 具有在没有电涌时有很高阻抗，当出现电涌电压时能立即转变成低阻抗的特点，主要采用放电间隙类的非线形元件；限压型SPD具有没有电涌时具有很高的阻抗，随着电涌电流和电压的增加，其阻抗连续减小的特点，主要采用金属氧化物压敏电阻类的非线形元件；复合型SPD由电压开关型元件和电压限制型元件组成SPD，可表现出电压开关型或限压型特性或两者都有的特性，这决定于所加的电压的特性。

经常在一些SPD的产品样本上看到这样的文字“××型SPD泄流能力大（8/20µs 40kA），适用于建筑物电源进线的第一级保护”，“对非架空入户的电源线路的第一级保护不推荐使用间隙放电类的产品”等等，这是一种明显的误导。

因为，在国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版）（以下简称《雷规》）对于建筑物从室外引来的低压电源所应选用的第一级SPD的结构类型有非常明确的规定。

《雷规》第6.4.7条是这样规定的：“在LPZ0A或LPZ0B区、LPZ1区交界处，在从室外引来的线路上安装的SPD，应选用符合Ⅰ级分类试验的产品，按10/350µs波形雷电流选择SPD。

”Ⅰ级分类试验要求的冲击电流电荷量Q＝0.5I peak，Q应在10ms内通过，其中电荷量Q的单位为库仑（C），峰值电流I peak的单位为千安（kA）。

10/350µs单脉冲电流波形就能满足此要求的一种波形，10µs（波头时间T1）首次雷闪的电流变化陡度，它将使放电通路中电感产生感应电压，而对电阻R不起作用；350µs（半峰值时间T2）是表征波形宽度，电荷量Q用波形对时间的积分表示，可简化为Q＝（1/0.7）×I peak×T2（I peak单位为kA，T2单位为s，Q单位为C），并推导出单位能量W／R=（(1/2)×（1/0.7）×I peak2×T2，它主要对电阻R起作用，表征雷电流加在1Ω电阻上的能量。

目前符合Ⅰ级分类试验的产品只有采用放电间隙的电压开关型SPD，它的最大特点就是电涌能量承受能力大，10/350µs波形时能疏导大于50kA的电流。

关于首次雷击的雷电流波形问题和SPD在10/350µs波形下与8/20µs波形下通流容量的换算倍数问题的确都存在争论，许多专家从各种角度发表了不同意见，至今尚未取得完全共
识。

10/350μs是雷电流典型波形，但并不是Ⅰ级分类试验要求的唯一波形，采用其它波形检验产品也可以，但应满足雷电流的电磁效应相同，即雷电流陡度及单位能量等效等条件不变。

为什么符合Ⅱ级分类试验金属氧化物压敏电阻SPD产品不宜用作第一级SPD呢？因为目前单基片氧化锌避雷器的最大通流容量不会超过8/20µs 、80kA，要达到较大的通流容量就必须使用多个基片并联使用，这样就出现一个能量分配的问题。

如果在一个避雷器里使用3个或3个以上的基片，那么每个基片的启动电压和内阻要做到非常近似。

因为在高电压大电流状态下即使是1Ω的电阻差别也会使氧化锌基片造成能量分配的不均衡，那么就会有某一片损坏而其它没有损坏或者很少损坏。

但是即使有一片损坏，也会对整个电源避雷器造成影响或者使某相对地短路，造成供电事故。

所以第一级SPD最好慎用金属氧化物压敏电阻SPD，尤其是有的国内代理商采用国外产品，以外部并联的方法制作的电涌保护箱。

对于变压器装设在建筑物内的低压系统，由于低压线路没有直接通到室外，不属于雷电流的主要泄放通道，SPD的主要作用是降低被保护设备受到的冲击电压值，所以低压系统第一级SPD宜选用电压保护水平低、标称放电电流不小于8/20µs、40kA的限压型SPD。

3 确定SPD的电涌能量承受能力
电涌能量承受能力是指SPD能承受的最大冲击能量或电流。

该能力本应以能量值表征，但在工程上为方便可用，规定波形、规定次数的冲击电流峰值表征。

根据《建筑物防雷设计规范》6.3.4条和6.4.7条规定，在雷电直接击在建筑物防雷装置的情况下，电涌电流的分配当不能用其它方法估算时，可以按以下方法确定：全部雷电流i的50％流入建筑物防雷装置的接地装置，另50％电流（即i s）在引入建筑物的各服务设施（如电力线路、通信线路、金属管道等）之间分配，流入每一设施的电流i i等于i s/n，n为上述设施的个数。

流经电缆每根芯线的电流i v等于i i／m，m为芯线根数。

对于无屏蔽电缆，所选择的SPD峰值电流I peak ＞i v；对于屏蔽电缆，绝大部分电流沿屏蔽层流走，流经每台SPD的电流可按30％i v确定，所选择的SPD的峰值电流I peak＞30％×i v。

以图1为例，假设图中建筑物属第二类防雷建筑，引入建筑物的各种服务设施有4个，分别是电力线路、通信线路、上水金属管道和下水金属管道，低压电源进线采用穿线钢管做屏蔽层，接地系统采用TN-C-S系统，在总配电箱靠近室外进线端三根相线上各装设1台SPD。

图1 进入建筑物的各种设施之间的雷电流分配图
表1 首次雷击的雷电流参量
防雷建筑物类别
雷电流参数
一类二类三类
I幅值kA 200 150 100
T1波头时间µs 10 10 10
T2半值时间µs 350 350 350
Q S电荷量 C 100 75 50
W/R单位能量MJ/Ω10 5.6 2.5
注1：因为全部电荷的量Q S的本质部分包括在首次雷击中，故所规定的值考虑合并了所有短时间雷击的电荷量。

注2：由于单位能量W/R的本质部分包括在首次雷击中，故所规定的值考虑合并了所有短时间雷击的单位能量
表2 首次以后雷击的雷电流参量
防雷建筑物类别
雷电流参数
一类二类三类
I幅值kA 50 37.5 25
T1波头时间µs 0.25 0.25 0.25
T2半值时间µs 100 100 100
I/T1平均陡度kA/µs 200 150 100 根据表1和表2（《雷规》附录六中附表6-1和20附表6－2）查得该建筑物首次雷击和首次以后雷击，雷电流的幅值I分别为150kA和37.5kA。

代入公式，
首次雷击：
i i1＝i s1/n＝50％×i1/n＝50％×150/4＝18.75kA
i v1＝i1/m＝18.75/3＝6.25kA
流经每台SPD的电流＝30％×i v1＝30％×6.25＝1.88kA
首次以后雷击:
i i2＝i s2/n＝50％×i2/n＝50％×37.5/4＝4.69kA
i v2＝i2/m＝4.69/3＝1.56kA
流经每台SPD的电流＝30％×i v2＝30％×1.56＝0.47kA
可见首次雷击时流经每台SPD的电流比首次以后雷击大，即i v1＞i v2，所以SPD的峰值电流应大于首次雷击时流经SPD的电流，即I peak＞i v1＝1.88kA。

4 校验SPD的电压保护水平
进线处最大电涌电压，即图2所示A、B之间的电压，等于SPD的最大钳压与L1和L2产生的感应电压之和。

此值应不大于被保护设备允许的最大电涌电压。

图2 SPD连接引线示意图
对于电压开关型SPD，最大钳压等于雷电冲击电压波下最大放电电压。

根据IEC61643-1规定，电压开关型SPD在1.2/50µs冲击电压波下的最大放电电压即为该SPD的电压保护水平U P。

《雷规》要求此处的SPD应是符合Ⅰ级分类试验的产品，Ⅰ级分类试验的冲击电压是1.2/50µs波形，若以1.2/50µs波形作为雷电冲击电压的典型波形，则可以认为SPD最大钳压即为SPD电压保护水平U P。

雷电流流过SPD时会在两端引线上产生的感应电压U L，此感应电压与SPD残压叠加在被保护设备上，为使被保护设备承受的冲击电压足够低，SPD两端引线应做到最短。

设备允许的最大电涌电压可按表3（《雷规》表6.4.4）选用。

从表中可以查出，总配电箱和其中的低压电器应属Ⅲ类设备，耐冲击过电压额定值为4kV。

表3 220／380V三相系统各种设备绝缘耐冲击过电压额定值
设备位置电源处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
耐冲击过电压额
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－如家用电器、手提工具和类似负荷；
Ⅲ类－如配电盘、断路器，包括电缆、母线、分线盒、开关、插座等布线系统，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其它设备；
Ⅳ类－如电气计量仪表、一次线过流保护设备、波纹控制设备
在SPD两端引线已做到最短的情况下，为满足规范要求，需要选择电压保护水平合适
的SPD。

目前低压电源电压开关型SPD的技术发展迅速，以前其较高的电压保护水平（4kV 左右）一直是它的主要缺点之一，而现在一些国外产品的电压保护水平已降到了1.5kV，国内制造商也生产出了电压保护水平2kV的产品。

当SPD的最大钳压加上其两端引线的感应电压不能满足不大于设备允许的最大电涌电压的规范要求时，根据《雷规》第6.4.9条规定：“若第一级SPD的电压保护水平加上其两端引线的感应电压保护不了该配电盘内的设备，应在该盘内安装第二级SPD”。

可以看出，第二级SPD的主要作用就是降低被保护设备受到的冲击电压值。

绝大多数的雷电流已通过第一级SPD泄放掉了，因此第二级SPD一般选用电压保护水平低、电涌能量承受能力小的限压型SPD。

但《雷规》第6.4.11条又规定，电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不能小于10m。

在同一配电箱内的二级SPD肯定无法满足这一要求，因此需要串入专用解耦器。

进行级间配合校验要进行专门的计算或试验，一般工程设计单位并不具备这样的能力。

实际上最方便、可行的方法是按制造商的要求，选择系列化的SPD和建议的解耦器。

正规的制造商都进行过这类计算或试验，其所提级间配合方案是可信的。

这就意味着各级SPD都要采用同一制造商的各SPD产品。

如采用不同来源的SPD，就必须由设计者进行专门的计算或试验。

在无法进行专门计算或试验时，解耦器的电感值也可按下式估算：
L ≥（U f –U2）/ (di／dt)
式中U f－间隙的陡波（1.2／50μs）火花放电电压( kV )，即在电压开关型SPD 的间隙电极之间发生击穿放电前的最大电压值。

U2－可取金属氧化物SPD残压(kV)
Di／dt －雷电流最大平均陡度
L －解耦器电感( μH )
除满足电感值的要求外还应满足长期负载电流的要求，并计及负载的发展和谐波的影响。

还以图1为例，设SPD两端引线长度均为0.5m，按1µH／m计算，电感L1＝L2＝0.5µH，感应电压为
U L＝（L1＋L2）×di／dt
Di／dt －雷电流最大平均陡度。

对于无屏蔽电缆，di／dt＝i v／T1; 对于屏蔽电缆，di ／dt＝30％×i v/T1。

根据表1和表2查得该建筑物首次雷击和首次以后雷击，雷电流的波头时间T1分别为10µs和0.25µs。

代入公式
首次雷击时
U L1＝（L1＋L2）×30％×i v1／T11＝1×30％×6.25／10＝0.19kV
首次以后的雷击时
U L2＝（L1＋L2）×30％×i v2／T12＝1×30％×1.56／0.25＝1.87kV
可见首次以后雷击在SPD两端引线上会产生的感应电压比首次雷击大，即U L2＞U L1，因此U L＝U L2＝1.87kV。

①如果选用电压保护水平为2kV的SPD，则
U AB＝U L＋U P＝1.87＋2＝3.87kV＜4kV
满足SPD的最大钳压加上其两端引线的感应电压不大于设备允许的最大电涌电压的规范要求。

②如果选用电压保护水平为4kV的SPD，则
U AB＝U L＋U P＝1.87＋4＝5.87kV＞4kV
不满足SPD的最大钳压加上其两端引线的感应电压不大于设备允许的最大电涌电压的规范要求。

因此，按所选择的SPD产品的制造商提供的方案，选择系列化的后级SPD和建议的解耦器，以满足级间配合的需要。

5 结束语
笔者采用上述计算过程编制了一个EXCEL计算表格，只要输入相关参数，即可以自动计算出所要数据，希望这个表格能够为设计人员计算选型提供方便，更希望能得到大家的批评指正。

参考文献
1 建筑物防雷设计规范GB50057-94，2000
2 朱林根主编.21世纪建筑电气设计手册.北京，中国建筑工业出版社，2001
3 刘兴顺主编.建筑物电子信息系统防雷技术设计手册.北京，中国建筑工业出版社，2004。