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摘要：通过分析电涌保护器(SPD)的重要作用及其分类和特点，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，提出了相应的电涌能量承受能力和电压保护水平的校验计算过程，并设计了电子表格进行数据自动计算。
关键词：电涌保护器；电涌能量承受能力；电压保护水平
Abstract: Analyzed the important role of surge protection device and its classification and characteristics, according to the relevant norms, this paper elaborates the selection principle of buildings’ first low-voltage power SPD, puts forward corresponding check and calculation process of surge energy capacity and voltage protection level, and designs the electronic form to make automatic calculation.
Key words: city track traffic；stray current； harm；prevention measures
中图分类号：TU856 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）
引言
雷击电磁脉冲会对周围环境产生强烈电磁辐射干扰，对电子信息设备造成重大危害。其防护措施之一是将雷电流的主要泄放通道和建筑物内所有金属物做等电位联结，以减小建筑物内各金属物与各系统之间的电位差，从保护电子设备。对于不能直接联结的带电体应采用暂态联结的办法，即采用电涌保护器SPD（Surge Protective Device）联结。
对SPD的正确设计选型是对电子设备和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，需泄放掉进户低压电力线路上绝大多数的雷电流，其作用至关重要。然而，在实际工程实践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SPD的电涌能量承受能力和电压保护水平校驗计算等现象，对有效防护带来负面效应。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。
1．SPD的选型
按照结构类型低压电源SPD 分为三种：电压开关型、限压型、复合型。在国家标准《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）【1】（以下简称《雷规》）中，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条规定：“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。”
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，其电涌能量承受能力大，10/350µs波形时能疏导大于50kA的电流。10/350µs是雷电流典型波形，采用其它波形检验产品时，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。
符合Ⅱ级分类试验金属氧化物压敏电阻SPD产品不能用作第一级SPD。因为目前单基片氧化锌避雷器的最大通流容量小于8/20µs 80KA，要达到较大的通流容量就必须多个基片并联使用，由此将会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，为防止能量分配的不均衡，每个基片的启动电压和内阻要做到非常近似，否则将会导致某个基片损坏严重，对整个电源避雷器造成影响或者该相对地短路，造成供电事故。因此，第一级SPD应慎用金属氧化物压敏电阻SPD。
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至室外，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。因此，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 15KA的限压型SPD。
2．SPD电涌能量承受能力的确定
电涌能量承受能力是指SPD能承受的最大冲击能量或电流，该能力以能量值表征，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。由《建筑物防雷设计规范》6.3.4条和6.4.7条规定，在雷电直击建筑物防雷装置的情况下，电涌电流的分配不能用其他方法估算时，可按以下方法确定：全部雷电流i的50％流入建筑物防雷装置的接地装置，另外50％电流is在引入建筑物的各服务设施之间分配：
流入每一设施的电流：ii=is/n ；
流经电缆每根芯线的电流：iv=ii/m 。
其中，n为服务设施的数量，m为芯线根数。
对于无屏蔽电缆，所选的SPD峰值电流：Ipeak＞iv；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％iv确定，所选择的SPD的峰值电流：Ipeak＞30％×iv。
图1 进入建筑物的各种设施之间的雷电流分配图
第二类防雷建筑如图1所示。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一台SPD。
根据表1和表1（《雷规》附录六中附表6-1和20附表6－2）可得：
首次雷击：
ii1＝18.75kA，iv1＝6.25kA
流经每台SPD的电流：30％×iv1＝1.88kA
首次以后雷击：
ii2＝4.69kA，iv2＝1.56kA
流经每台SPD的电流：30％×iv2＝0.47kA
可见，iv1＞iv2，即首次雷击时流经每台SPD的电流比首次以后雷击大。因此SPD的峰值电流应大于首次雷击时流经SPD的电流，即Ipeak＞iv1＝1.88kA。
3. SPD电压保护水平的校验
.SPD连接引线示意图如图2所示，L1、L2为引线电感。进线处最大电涌电压UAB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。
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UP。根据《雷规》，若以1.2/50µs波形作为雷电冲击电压的典型波形，则可认为SPD最大钳压即为SPD电压保护水平UP。
雷电流流过SPD时会在两端引线上产生感应电压UL，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3220/380V三相系统各种设备绝缘耐冲击过电压额定值
在SPD两端引线已做到最短的情况下，为满足规范要求就需要选择电压保护水平合适的SPD。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”。可知，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，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。在《雷规》第6.4.11条中又规定，电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不能小于10m。在同一配电箱内的两级SPD无法满足这一要求，因此需要串入专用解耦器。进行级间配合校验需要进行专门的计算或试验，一般工程设计单位不具备该能力。此时，解耦器的电感值可按下式估算：
L ≥（Uf –U2）/ (di/dt)
其中，Uf为间隙的陡波（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为可取金属氧化物SPD残压(kV)；di/dt 为雷电流最大平均陡度；L 为解耦器电感 ( μH )。
除满足電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。
在图1中，设SPD两端引线长度均为0.5米，按1µH/m计算，电感L1＝L2＝0.5µH。由表1和表2可知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。由计算可得：
首次雷击时： UL1＝0.19kV
首次以后的雷击时：UL2＝1.87kV
可见，UL2＞UL1，因此UL＝UL2＝1.87kV。
a）如果选用电压保护水平为2kV的SPD，则
UAB＝UL＋UP＝（1.87＋2）kV＝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。
b）如果选用电压保护水平为4kV的SPD，则
UAB＝UL＋UP＝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。
由上述选型原则和计算方法，编制了自动计算电子表格，如表4所示。
4．结束语
电涌保护器的选型是一项重要的工作，对建筑物内电气设备的正常运行有着至关重要的作用。本文阐述了建筑物第一级低压电源SPD的选型原则，提出了相应的电涌能量承受能力和电压保护水平的校验计算过程，并设计了电子表格进行数据自动计算，为电气设计人员提供理论和实践技术参考。
参考文献
[1]国家标准.建筑物防雷设计规范（GB50057-2010），2011年10月
[2]朱林根. 21世纪建筑电气设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2006年
[3]刘兴顺.建筑物电子信息系统防雷技术设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2004年
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：电涌保护器；电涌能量承受能力；电压保护水平
Abstract: Analyzed the important role of surge protection device and its classification and characteristics, according to the relevant norms, this paper elaborates the selection principle of buildings’ first low-voltage power SPD, puts forward corresponding check and calculation process of surge energy capacity and voltage protection level, and designs the electronic form to make automatic calculation.
Key words: city track traffic；stray current； harm；prevention measures
中图分类号：TU856 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）
引言
雷击电磁脉冲会对周围环境产生强烈电磁辐射干扰，对电子信息设备造成重大危害。其防护措施之一是将雷电流的主要泄放通道和建筑物内所有金属物做等电位联结，以减小建筑物内各金属物与各系统之间的电位差，从保护电子设备。对于不能直接联结的带电体应采用暂态联结的办法，即采用电涌保护器SPD（Surge Protective Device）联结。
对SPD的正确设计选型是对电子设备和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，需泄放掉进户低压电力线路上绝大多数的雷电流，其作用至关重要。然而，在实际工程实践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SPD的电涌能量承受能力和电压保护水平校驗计算等现象，对有效防护带来负面效应。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。
1．SPD的选型
按照结构类型低压电源SPD 分为三种：电压开关型、限压型、复合型。在国家标准《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）【1】（以下简称《雷规》）中，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条规定：“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。”
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，其电涌能量承受能力大，10/350µs波形时能疏导大于50kA的电流。10/350µs是雷电流典型波形，采用其它波形检验产品时，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。
符合Ⅱ级分类试验金属氧化物压敏电阻SPD产品不能用作第一级SPD。因为目前单基片氧化锌避雷器的最大通流容量小于8/20µs 80KA，要达到较大的通流容量就必须多个基片并联使用，由此将会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，为防止能量分配的不均衡，每个基片的启动电压和内阻要做到非常近似，否则将会导致某个基片损坏严重，对整个电源避雷器造成影响或者该相对地短路，造成供电事故。因此，第一级SPD应慎用金属氧化物压敏电阻SPD。
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至室外，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。因此，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 15KA的限压型SPD。
2．SPD电涌能量承受能力的确定
电涌能量承受能力是指SPD能承受的最大冲击能量或电流，该能力以能量值表征，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。由《建筑物防雷设计规范》6.3.4条和6.4.7条规定，在雷电直击建筑物防雷装置的情况下，电涌电流的分配不能用其他方法估算时，可按以下方法确定：全部雷电流i的50％流入建筑物防雷装置的接地装置，另外50％电流is在引入建筑物的各服务设施之间分配：
流入每一设施的电流：ii=is/n ；
流经电缆每根芯线的电流：iv=ii/m 。
其中，n为服务设施的数量，m为芯线根数。
对于无屏蔽电缆，所选的SPD峰值电流：Ipeak＞iv；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％iv确定，所选择的SPD的峰值电流：Ipeak＞30％×iv。
图1 进入建筑物的各种设施之间的雷电流分配图
第二类防雷建筑如图1所示。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一台SPD。
根据表1和表1（《雷规》附录六中附表6-1和20附表6－2）可得：
首次雷击：
ii1＝18.75kA，iv1＝6.25kA
流经每台SPD的电流：30％×iv1＝1.88kA
首次以后雷击：
ii2＝4.69kA，iv2＝1.56kA
流经每台SPD的电流：30％×iv2＝0.47kA
可见，iv1＞iv2，即首次雷击时流经每台SPD的电流比首次以后雷击大。因此SPD的峰值电流应大于首次雷击时流经SPD的电流，即Ipeak＞iv1＝1.88kA。
3. SPD电压保护水平的校验
.SPD连接引线示意图如图2所示，L1、L2为引线电感。进线处最大电涌电压UAB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。
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UP。根据《雷规》，若以1.2/50µs波形作为雷电冲击电压的典型波形，则可认为SPD最大钳压即为SPD电压保护水平UP。
雷电流流过SPD时会在两端引线上产生感应电压UL，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3220/380V三相系统各种设备绝缘耐冲击过电压额定值
在SPD两端引线已做到最短的情况下，为满足规范要求就需要选择电压保护水平合适的SPD。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”。可知，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，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。在《雷规》第6.4.11条中又规定，电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不能小于10m。在同一配电箱内的两级SPD无法满足这一要求，因此需要串入专用解耦器。进行级间配合校验需要进行专门的计算或试验，一般工程设计单位不具备该能力。此时，解耦器的电感值可按下式估算：
L ≥（Uf –U2）/ (di/dt)
其中，Uf为间隙的陡波（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为可取金属氧化物SPD残压(kV)；di/dt 为雷电流最大平均陡度；L 为解耦器电感 ( μH )。
除满足電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。
在图1中，设SPD两端引线长度均为0.5米，按1µH/m计算，电感L1＝L2＝0.5µH。由表1和表2可知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。由计算可得：
首次雷击时： UL1＝0.19kV
首次以后的雷击时：UL2＝1.87kV
可见，UL2＞UL1，因此UL＝UL2＝1.87kV。
a）如果选用电压保护水平为2kV的SPD，则
UAB＝UL＋UP＝（1.87＋2）kV＝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。
b）如果选用电压保护水平为4kV的SPD，则
UAB＝UL＋UP＝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。
由上述选型原则和计算方法，编制了自动计算电子表格，如表4所示。
4．结束语
电涌保护器的选型是一项重要的工作，对建筑物内电气设备的正常运行有着至关重要的作用。本文阐述了建筑物第一级低压电源SPD的选型原则，提出了相应的电涌能量承受能力和电压保护水平的校验计算过程，并设计了电子表格进行数据自动计算，为电气设计人员提供理论和实践技术参考。
参考文献
[1]国家标准.建筑物防雷设计规范（GB50057-2010），2011年10月
[2]朱林根. 21世纪建筑电气设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2006年
[3]刘兴顺.建筑物电子信息系统防雷技术设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2004年
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。