#低压配电线路中SPD的选择和安装

低压配电线路中SPD的选择和安装
1.雷电防护分区和分级
1.1雷电防护区
将需要进行雷电防护的空间划分为不同的雷电防护区，是为了规定各部分空间不同的雷电电磁脉冲的严重程度和指明各区交界处的等电位连接点的位置；而在不同的防雷区界面处选择和安装的SPD的参数值也有很大的差异。

因此，选用SPD时，首先应搞清楚SPD的安装部位所处的防雷区界面。

雷电防护区的划分是根据需要保护和控制雷电电磁脉冲环境的建筑物，从外部到内部划分为不同雷电防护区（LPZ）：
）：电磁场没有衰减，各类物体都可能遭到直（1）直击雷非防护区（LPZO
A
接雷击，属完全暴露的不设防区。

）：电磁场没有衰减，各类物体很少遭受直接雷（2）直击雷防护区（LPZO
B
击，属充分暴露的直击雷防护区。

（3）第一防护区（LPZ1）：也称第一屏蔽防护区。

由于建筑物的屏蔽措施，流经各类导体的雷电流比直击雷防护区（LPZOB）区减小，电磁场得到了初步的衰减，各类物体不可能遭受直接雷击。

（4）第二防护区（LPZ2）：也称第二屏蔽防护区。

进一步减小所导引的雷电流或电磁场而引入的后续防护区。

（5）后续防护区（LPZn）：需要进一步减小雷电电磁脉冲，以保护敏感度水平高的设备的后续防护区。

1.2雷电防护等级
建筑物电子信息系统的雷电防护等级按防雷装置的拦截效率分为A、B、C、D 四个等级。

（GB50343的2009年新修订版本已改为A、B、C三个等级）在不同的雷电防护等级下，应选用的浪涌保护器的参数值也是有很大差异的。

因此，在选用浪涌保护器时，首先应搞清楚该工程电子信息系统的雷电防护等级。

GB50343-2004之5.1.1规定：建筑物电子信息系统的防雷设计，应满足雷电防护分区、分级确定的防雷等级要求。

如：GB50343-2004之5.4.1第7款规定：用于电源线路的浪涌保护器就需要根据相应防雷等级的要求选择其不同的标称放电电流的参数值。

2.SPD的主要技术参数
这同样是一个比较重要的问题，在没有搞清楚关于SPD的一些主要参数及其定义的情况下，设计人员是不太可能在工程设计时，将SPD设计到位的。

这里主要介绍几个和工程的施工图设计关系比较密切的主要参数及其定义：
2.1 冲击电流（Iimp）
由电流幅值Ipeak、电荷Q和单位能量W/R三个参数所限定。

Q（As）=0.5Ipeak（KA），W/R（KJ）=0.25[Ipeak（KA）]2
这是用于Ⅰ级试验的SPD分类试验。

其试验应根据动作负载试验的程序进行。

只要产生的电流波能满足上述公式就可以。

目前10/350μs波形符合这个要求。

一般在开关型SPD的产品标识中均注明其Iimp值，单位是KA，波形为10/350μs。

2.2 标称放电电流（In）
流过SPD具有8/20μs波形的电流峰值，用于Ⅱ级试验的SPD分级以及Ⅰ级、Ⅱ级试验的SPD的预处理试验。

电源试品在做8/20μs波形冲击时，记录的残压值就是电流峰值为In时的最大峰值电压。

这个值也是表征限压型SPD泄流的能力，残压值表征限压型SPD能保护的电压水平。

目前市场上的限压型SPD一般均在其标识中注明了In值，单位是KA，波形为8/20μs。

而相应的防雷国标中对于不同部位应设置的SPD的In值也作了比较明确的规定。

2.3 Ⅱ级试验的最大放电电流（Imax）
流过SPD，具有8/20μs波形电流的峰值，其值按Ⅱ级动作负载试验的程序进行。

Imax ＞In。

目前市场上的SPD的Imax通常是In的2-3倍，也有不到2倍的，一般由厂家定。

通流容量通常是指Imax，在电信的行标中就有这样的说法，如YD/T1429-2006《通信局（站）在用防雷系统的技术要求和检测方法》。

2.4 最大持续工作电压（Uc）
允许持久地施加在SPD上的最大交流电压有效值或直流电压。

其值等于额定电压。

也称“最大持续运行电压”或“持续耐压”等。

这个电压也是表征实际使用时SPD在承受这个电压时不会有漏流产生。

一般我们使用的工频交流电有效值相对地是220V，相和相最大峰值电压大约是380V，那么我们可选择Uc =385V的阀片，这样就不会产生漏流了。

2.5 电压保护水平（Up）
表征一个SPD限制其两端电压的特性参数，该电压值大于冲击电压限制的实测值，由生产厂商确定。

一般在SPD的产品标识中均有注明，单位是KV。

通常可理解为该SPD对于被保护设备所能提供的保护能力。

【提请注意：Up值应该对应In值，也就是在标称放电电流值的冲击试验时试品的电压保护水平。

】
2.6 限制电压
施加规定波形和幅值的冲击电压时，在SPD接线端子间测得的最大电压峰值。

由于每个试品接受冲击时，送样试品不可能做到一致性，因此会产生各个试品的残压不一致，取得的最大残压值就是限制电压。

2.7 残压
放电电流流过SPD时，在其端子间的电压峰值。

2.8 插入损耗
在电气系统中：在给定频率下，连接到给定电源系统的SPD的插入损耗定义为，电源线上紧靠SPD接入点之后，在被试SPD接入前后的电压比，结果用dB 表示。

在电子系统中：由于在传输系统中插入一个SPD所引起的损耗，它是在SPD 插入前传递到后面的系统部分的功率和SPD插入后传递到同一部分的功率之比。

插入损耗通常用dB表示。

3.SPD的选用
3.1 开关型SPD的适用部位
GB50057-94（2000）第6.4.7条规定：在LPZ0
A 或LPZ0
B
和LPZ1区的交界处，
在从室外引来的线路上安装的SPD应选用符合Ι级分类试验的产品。

GB50343-2004之5.4.1（4）规定：在直击雷非防护区（LPZ0
A
区）或直击雷
防护区（LPZ0
B
区）和第一防护区（LPZ1区）交界处应安装通过Ι级分类试验的浪涌保护器或限压型浪涌保护器作为第一级保护。

GB50601-2010之10.1.1之3规定：当建筑物上有外部防雷装置，或建筑物上虽未敷设外部防雷装置，但和之邻近的建筑物上有外部防雷装置且两建筑物之间有电气联系时，有外部防雷装置的建筑物和有电气联系的建筑物内总配电柜上安装的SPD应符合下列要求：
1）应当使用Ⅰ级分类试验的SPD。

……
开关型SPD一般均要求通过Ι级分类试验，其冲击电流（Iimp）波形规定为
10/350μs，即模拟直击雷的雷电流波形。

这一类SPD适用于LPZ0
A 或LPZ0
B
和LPZ1
区的交界处，是指电源电缆从电磁场没有衰减的暴露空间进入到已经初级屏蔽的建筑物内的结合部位，比较典型的就是架空进户的低压电缆的进线处。

但根据GB50343-2004第5.4.1（4）的规定，这一部位也可选用限压型SPD。

笔者认为：LPZ0区和LPZ1区的交界处（类似于架空进线处），应当使用Ⅰ级分类试验的SPD。

【提请注意：开关型SPD是符合Ⅰ级分类试验的产品，但符合Ⅰ级分类试验的产品并不等于开关型的SPD。

】
3.2 限压型SPD的适用部位
根据GB50343-2004第5.4.1（4）的规定，限压型SPD 适用于LPZ0
A 或LPZ0
B
和LPZ1区的交界处，也适用于第一防护区之后的各分区（含LPZ1区）交界处。

换言之，在建筑物的低压配电系统的任何部位，均可安装限压型SPD。

但GB50343-2004第5.4.1（4）规定：第一防护区之后的各分区（含LPZ1区）交界处应安装限压型浪涌保护器。

即，这些部位不适用开关型SPD。

有的工程在建筑物内的电子设备的分配电箱（柜）内安装了开关型SPD，也有在建筑物的消防、安防监控中心分配电箱（柜）内安装了所谓的“B+C”级的防雷箱（即开关型SPD+退耦装置+限压型SPD），这显然是错误的。

3.3 架空进户的低压电源线路上SPD的安装
GB50057-94（2000）第3.3.9条规定：平均雷暴日小于30d/a的具有爆炸危险环境的第二类防雷建筑物，可以采用低压架空线直接入户，但应在入户处装设避雷器或设2-3mm的空气间隙，并应和绝缘子铁脚、金具连在一起接到接地装置上；第3.4.9规定：低压架空进出线，应在进出处装设避雷器并和绝缘子铁脚、金具连在一起接到接地装置上。

低压架空线入户处或进出线处是典型的LPZ0
A 或LPZ0
B
和LPZ1区的交界处，
应按上述规定安装SPD并将其和绝缘子铁脚、金具（铁横担）连在一起接到接地装置上。

选用的SPD以开关型SPD为宜（或选用通过Ι级分类试验的产品）。

【提请注意：铁横担的接地很重要】
3.4 埋地进户的低压电源线路上SPD的安装
电缆埋地进户时，其入户处不属于LPZ0
A 或LPZ0
B
和LPZ1区的交界处，因为
埋地的电缆既不是完全暴露（LPZ0
A 区）也不是充分暴露（LPZ0
B
区）。

但也不属
于LPZ1区内，因其不在建筑物的初级屏蔽区域内。

笔者认为，该部位安装的SPD，应选用限压型SPD。

首先，我们要考虑SPD的级间配合。

开关型SPD的响应时间通常需要100ns，而限压型SPD的的响应时间通常只要25ns，级间配合效果自然不一样。

其次，要考虑SPD的性价比，“经济合理”是防雷设计的原则之一，开关型SPD的售价一般是限压型SPD的数倍。

3.5 埋地进户的10/0.4KV变配电系统低压侧SPD的安装
在城市中，大量的新建建筑物是高压电缆埋地进户，此时的低压侧应限压型SPD。

理由是：高压电缆埋地入户后进变压器，该入户处既不属于LPZ0
A 或LPZ0
B
和LPZ1区的交界处，也不属于LPZ1区内；且，高压电缆进线处一般已安装了避雷器。

而变压器的低压侧，即低压电源的总进线处应属于LPZ1区内。

按GB50343-2004第5.4.1（4）规定：“第一防护区之后的各分区（含LPZ1区）交界处应安装限压型浪涌保护器”。

因此，在该处安装限压型SPD既符合国标的规定要求又是经济合理的选择。

3.6 低压电源线路SPD放电电流值的确定
现行的三个国标（GB50057、GB50343、GB16895.22）及一个行标（JGJ16-2008）对于低压电源线路SPD放电电流值的规定不尽相同。

三个国标规定的是标称值，但参数有较大差异；JGJ16-2008规定的是最大值。

GB50601-2010之10.1.1之3规定：有外部防雷装置的建筑物和有电气联系的建筑物内总配电柜上安装的SPD的冲击电流应不小于12.5kA(10/350μs)。

但对第二、三级SPD的放电电流值未作规定。

因此，让人难以把握。

以笔者的理解，解决这个问题，应该从以下几个方面入手：
（1）安装部位处于什么防雷区界面？
（2）该工程的雷电防护等级属于哪一级？
（3）安装部位的SPD属于第几级？
（4）是否经济合理？
首先，需确定防雷区界面，不同的防雷区界面处应选用的SPD类型不同，而且其放电电流值也有不同规定。

其次，在不同的雷电防护等级下（分A、B、C、D四级或A、B、C三级），不同防雷区界面处应安装不同放电电流值的SPD。

第三，各级的SPD的放电电流值不同，一般从第一级往后，放电电流值逐步减小。

第四，各地区的雷电活动强度不同，比如：海南、广东等南方地区的年雷暴日常在100天以上，而西部有的地方才不到10天；同时，其雷电的强度也有很大差异，从10KA到100KA以上，甚至，在海南还有300KA以上的。

从经济合理的原则出发，应作不同的选择。

以上海地区为例：
第一级：
（1）在LPZ0
A 或LPZ0
B
和LPZ1区的交界处（典型的如低压架空线入户处或进
出线处），建议选用单个SPD的冲击电流（Iimp）为10-15KA的开关型或通过Ι级分类试验的产品。

（2）埋地进户的10/0.4KV变配电系统低压侧或低压电缆进线处，建议选用单个SPD的标称放电电流（In）为20-40KA左右的限压型产品。

第二级：
建议选用单个SPD的标称放电电流（In）为10-20KA左右的限压型产品。

第三级：
特殊需要保护的电子设备的低压电源进线处，建议选用单个SPD的标称放电电流（In）为5-10KA左右的限压型产品。

注意一点：级间SPD的放电电流参数值的确定，同时也是SPD的级间配合问题。

上海市气象局在2005.9.27.及2006.11.6.两次发布的《上海市建设项目防雷工程设计审核规定》和《上海市建设项目防雷工程竣工验收规定》对此作出
了具体规定。

3.7 电源SPD的最大持续工作电压（Uc）的确定
最大持续工作电压也称“最大持续运行电压”或“持续耐压”等。

我们知道，Uc值和产品的使用寿命、电压保护水平有关。

Uc选高了，寿命长了，但电压保护水平，即SPD的残压也相应提高。

我们需要综合考虑。

笔者认为，在民用建筑和一般的工业建筑中（通常为TN或TT系统），用于低压配电总进线处及大功率电机设备的配电线路上的SPD的Uc值宜为385-420 V左右，而选用Uc值偏小的产品（如Uc=275V）是不合适的；但电子设备的分配电处SPD的Uc值就可以选得低一些。

3.8 电源SPD的电压保护水平（Up）的确定
Up是由生产厂商确定的，在产品标识中均有注明，实际上是该SPD对于被保护设备所能提供的保护能力。

GB16895.22-2004之534.2.3.1指出：例如230/400V电气装置内的电涌保护器（SPD）的电压保护水平Up不应超过2.5KV。

GB50601-2010之10.1.1之3规定：有外部防雷装置的建筑物和有电气联系的建筑物内总配电柜上安装的SPD的电压保护水平应不大于2.5KV。

GB50057-94（2000）第6.4.4条规定：
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和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。

为使最大电涌电压足够低，其两端的引线应做到最短。

也就是说，SPD的电压保护水平（Up）应和被保护设备的耐冲击过电压额定值（Uw）相匹配。

即：被保护设备的Uw 应等于或大于SPD的Up并考虑连接线压降的一个裕量。

因此，我们在选择SPD时，选用Up值适当低的产品是合理的：
建筑物的低压配电进线处应选用Up不大于2.5KV的SPD；
服务器、计算机、程控交换机等属于特殊需要保护的设备，其耐冲击电压额定值为1.5KV，选用Up值不大于1.2KV的SPD是合适的。

有的标准对Up值的规定相对严格，如：军标GJB6784-2009《军用地面电子设施防雷通用要求》3.5.2.4.4规定：第一、二、三、四级的固定式电源线路SPD
的Up分别不大于2.5 KV、2.0 KV、1.5 KV、1.0KV。

需要注意的是：这里所讲的Up应是在In条件下的参数值。

3.9低压电源线路中多级SPD的配合
多级SPD的配合是个复杂问题。

有这样一种观点：建筑物的低压配电进线处安装了SPD就可以了，雷电浪涌在此已经解决掉了，后面的配电箱（柜）没有必要再安装SPD了。

这一观点显然是不正确的。

GB50057-94（2000）第6.4.8条规定：“在按本章第6.4.7条要求安装的SPD所得到的电压保护水平加上其两端引线的感应电压以及反射波效应不足以保护距其较远处的被保护设备的情况下，尚应在被保护设备处装设SPD……”同时还规定了“当被保护设备沿线路距本章第6.4.7条要求安装的SPD不大于10米时，若该SPD的电压保护水平加上其两端引线的感应电压小于被保护设备耐压水平的80%，一般情况下在被保护设备处可不装SPD。

”举例：电子设备的耐冲击过电压额定值是1.5KV，其设备处的电压保护水平应为1.2KV。

[说明] 根据被保护设备的特性（如高电阻型、电容型）或开路时，反射波效应最大可将侵入的电涌电压加倍。

第6.4.9条规定：当本章第6.4.7条和第6.4.8条要求安装的SPD之间设有配电盘时，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。

GB50601-2010第10.1.2规定：
1 当低压配电系统中安装的第一级SPD和被保护设备之间关系无法满足下列条件时，应在靠近被保护设备的分配电盘或设备前端安装第二级SPD：1）第一级SPD的有效电压保护水平低于设备的耐过电压额定值时。

2）第一级SPD和被保护设备之间的线路长度小于10m时。

3）在建筑物内部不存在雷击放电或内部干扰源产生的电磁场干扰时。

2 第二级SPD无法满足本条第1款的条件时，应安装第三级SPD。

从上述规定中可以看出：安装几级SPD，关键要看安装了SPD后所得到的电压保护水平是否能满足其后面的被保护设备的耐冲击过电压额定值的要求。

如果满足不了，也就保护不了需被保护的设备。

GB16895.22－2004的534.2.3.6规定：“电涌保护器（SPD）之间的配合：根据IEC61312-3和61643-12，应当考虑电气装置中电涌保护器（SPD）之间必需的配合。

电涌保护器（SPD）的制造厂应在其文件中提供充分的关于电涌保护器（SPD）之间配合的资料。

”
结合大量的工程实践，许多制造厂或供应商就推出了所谓的“三级保护”的概念。

即：在电子设备的低压配电线路上，由建筑物的进线处开始，共需安装三级SPD，使末端设备处的电压保护水平能满足其耐冲击过电压额定值的要求。

当然，这一观点不无道理，但也不完全正确。

实际上，在许多情况下，只需在建筑物的进线处和末端设备处各安装一级SPD就能满足要求了。

3.10 SPD的接线形式（也称安装方式）及其在工程中的不同使用
SPD的接线形式主要有三种：
（1）接在每一相线和总接地端子或总保护线之间，和接在中性线总接地端子或总保护线之间。

即4P（或称4+0）形式。

（2）接在每一相线和中性线之间，和接在中性线总接地端子或总保护线之间。

即3+N（或称3+1）形式。

（3）接在每一相线和总接地端子或总保护线之间。

即3P（或称3+0）形式。

3P形式通常用于TN系统的总进线处（如10/0.4KV变配电系统的低压侧）或IT系统。

而4P形式和3+N形式在工程中的使用是不同的。

查阅GB50057-94（2000）图6.4.5-1~4和GB50343－2004图5.4.1-1及GB16895.22－2004图A.1、B.1、B.2、C.1、D.1的规定可以发现：除了SPD安装在剩余电流保护器的电源侧（即：SPD安装在剩余电流保护器的前端线路上，而剩余电流保护器设置在被保护的设备侧）的TT系统中，所选用的是3+N形式外；其余情况下均选用4P形式（或3P形式）。

GB50601-2010《建筑物防雷工程施工和质量验收规范》附录D之图D.0.5-1~D.0.5-5规定了电涌保护器在TN、TT、IT系统中的安装方式：图D.0.5-3 TT系统中电涌保护器安装在剩余电流保护器的电源侧是3+N形式。

但是：GB16895.22－2004第534.2.2及表53B规定：当在电气装置的电源进线端或其附近，中性线和PE（保护线）不直接相连时：
接线形式1：接在每一相线和总接地端子或总保护线之间，和接在中性线和总接地端子或总保护线之间，取其路径最短者；或
接线形式2：接在每一相线和中性线之间和接在中性线和总接地端子或总保护线之间，取其路径最短者。

目前有相当数量的工程项目，在TN-S制式下，采用3+N形式。

对照上述标准的规定，笔者认为：虽不能强制采用4P形式，但至少应首选4P形式。

3.11电源SPD的过电流保护器（后备保护装置）的选择
GB50057-94（2000）图6.4.5-1~4和GB50601-2010图D.0.5-1~D.0.5-5将SPD的过电流保护器规定为“保护电涌保护器推荐的熔丝、断路器或剩余电流保护器”；
GB50343－2004图5.4.1-1将其规定为“熔断器”；
GB16895.22－2004定义为：过电流保护和电涌保护器（SPD）失效后的保护：防止电涌保护器（SPD）短路的保护是采用过电流保护器F2（见附录A至附录D），应当根据电涌保护器（SPD）产品手册中推荐的过电流保护器的最大额定值选择。

而附录A至附录D中之F2的定义是：电涌保护器（SPD）制造厂要求装设的过电流保护器。

因此，熔丝或断路器均可用于SPD的后备保护。

笔者认为，应优先使用熔丝。

有的标准就规定了应使用熔丝。

如：军标GJB6784-2009《军用地面电子设施防雷通用要求》图5、6、7中规定的后备保护装置就是熔丝。

3.12 用于电源SPD后备保护的熔断器或断路器的规格
目前尚无标准对此作出具体规定，且存在一些不同看法。

按笔者的理解：可按SPD制造厂家的产品手册中推荐的过电流保护器的最大额定值选择。

但需注意的是，有的制造厂家的推荐值是不合适的。

或，为了优先保证供电的连续性，按略小于主电路的熔断器或断路器的额定值选择。

GB16895.22－2004也规定了熔断器或断路器的额定值小于或等于推荐的SPD 后备保护装置的最大额定值时，可以取消后备保护的熔断器或断路器。

这在一些如住宅楼的住户配电箱之类的末端用电设备上也是可行的。