浪涌保護器在防雷工程中的應用

陳方帥等

摘要：雷擊及閃電電磁脈沖對電子系統的干擾和破壞日趨嚴重，在電氣系統上加裝SPD，可有效防止雷電電磁脈沖的侵入，避免浪涌脈沖信號破壞設備。詳細介紹SPD的分類、主要參數、選擇原則、保護配合方法，應用實例探討SPD的安裝方案，為SPD的應用提供應用。

關鍵詞：浪涌保護器；防雷；安裝

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）01-0041-03

隨著信息網絡的高速發展，智能化設備、通信設備的數量和規模不斷擴大，使得這些電子信息設備抗雷擊電磁脈沖保護的重要性凸顯。合理的屏接和接地是減少浪涌過電壓對人身及設備破壞的有效途徑。在電氣系統上加裝浪涌保護器（以下簡稱SPD），可將浪涌電壓限制在一定的耐壓等級范圍內，有效防止雷電電磁脈沖的侵入，避免浪涌脈沖信號破壞設備。現就SPD在防雷系統中的應用進行探討。

1 SPD的分類及主要參數

1.1 分類

SPD是一種限制帶電系統中瞬態過電壓和引導泄放電涌電流的非線性防護器件，可使電氣或電子信息系統免受雷擊、操作過電壓、涌流損害。

按使用的非線性元件特性，SPD分為以下類型：

1） SPD電壓開關型SPD。當無電涌時，SPD呈高阻態；而當電涌電壓達到一定值時，SPD突然變為低阻抗。因此，這類SPD被稱為“短路開關型”，常用的非線性元件有放電間隙、氣體放電管、雙向可控硅開關管等。它具有通流容量大的特點，特別適用于LPZOA區域、LPZOB區與LPZ1區界面處的雷電浪涌保護，一般用于“3+1”保護模式中低壓N線與PE線間的電涌保護。2） 限壓型SPD。當無電涌時，SPD呈高阻抗；但隨著電泳電壓和電流的升高，其阻抗持續下降而呈低阻抗導通狀態。這類非線性元件有壓敏電阻、瞬態抑制二極管（如齊納二極管或雪崩二極管）等。這類SPD常用于LPZOB區、LPZ1區及以上雷電防護區的雷電、操作過電壓保護。3） 混合型SPD。其將電壓開關型元件和限壓型元件組合在一起。隨所承受的沖擊電壓特性的不同，呈現電壓開關型SPD特性、限壓型SPD或特性同時呈現開關型及限壓型特性。4） 用于通信和信號網絡中的SPD除有上述特性要求外，還按其內部是否串接限流元件的要求，分為有限流無件SPD和無限流元件SPD。

按在系統中的用途，SPD分為電源系統SPD、信號系統SPD和天饋系統SPD；按端口型式和連接方式，SPD分為與保護電路并聯接連的單端口SPD、與保護電路串聯的雙端口（輸入、輸出端口）SPD，以及適用于電子系統的多端口SPD等；按使用環境，SPD又分為戶內型SPD和戶外型SPD。

2.2 主要參數及定義

SPD的主要技術參數為持續工作電壓UC和額定泄放電流isn，常標于產品銘牌上。

持續工作電壓UC是指可持續施加在SPD端子上、SPD不動作的最大電壓。如果SPD因電涌作用而動作，在泄放規定波形涌流（如8/20 μs，5 kA）后， SPD在此UC電壓下切斷來自電網的工頻對地短路電流UC應大于低壓線路可能出現的最大持續工頻電壓。在國外的220/380 V網絡內，UC通常取280 V左右，但此UC值在我國不適用，因國外配電變電所接地電阻為1～2 Ω，而我國接地規范電阻為4～10 Ω。因此在發生低壓相線接大地故障時，另兩相對地電壓常大于上述280 V的UC值，且長時間持續存在。在此故障電壓作用下，SPD常被燒毀。因此，在我國應采用較大UC值甚至接近線電壓的SPD，這將影響SPD對電涌的防護效果。

2 SPD的選擇及保護配合

2.1 SPD的選用原則

1） 基本原則。SPD的電壓保護水平Up應小于被保護設備的沖擊耐受電壓Uchoc，即Up﹤Uchoc。

2） Up過高原則。如果進線端SPD的Up與被保護設備的沖擊耐壓相比過高的話，則需在設備處加裝二級SPD。

3） 0.5 m原則。SPD與被保護設備的兩端引線應盡可能短，即0.5 m原則。

4） SPD兩級配合的10 m原則。為提供最佳保護，既能承受更強的電流又有較小的殘余電壓，通常應用SPD作一級及二級保護。一級保護能承受高電壓和大電流，并能快速滅弧。二級保護用來減小系統端的殘余電壓，應具有較高的斬波能力。兩級SPD之間的最短距離為10 m。

SPD中的P2安裝在P1的下級，通常它的各項參數指標都比P1小，如果它與P1安裝得過近，P2有可能比P1更早動作，從而承受本應由P1承受的高能量。為避免這種情況，通過增加P1和P2之間的接線長度來使P2上承受的電壓下降，因P2兩端的電壓等于P1兩端的電壓減去電纜上的感應電壓。

給定P1的觸發電壓為2.5 kV，P2的觸發電壓為1.5 kV，欲使P2動作，其兩端的電壓至少要達到1.5 kV，而此時P1兩端的電壓為U1+U2+U3，即1000+1500+1000 V，P1的觸發電壓2.5 kV，于是P1會在P2達到觸發電壓前動作，把電流導入大地，釋放引起過電壓的能量。而P2在P1兩端的殘余電壓超過3.5 kV時提供第二級保護。

5） 30 m原則。當進線端的SPD與被保護電氣設備之間的距離大于30 m時，應在離被保護設備盡可能近的地方安裝另一個SPD。反之，如果不增加一級保護，由于電纜距離較長，P1上的殘壓加上電纜感應電壓仍可能損壞設備，不能起到保護作用。

2.2 保護配合要求

2.2.1 SPD的保護 SPD都有最大通過電流Imax，這是能承受的最大電流。當超出這個值或長期工作于感應過電壓狀態時，SPD被擊穿造成短路。在圖1中，如果SPD上未串接斷路器C2，則線路斷路器C1跳閘；由于故障電流Icc仍存在，故只有SPD被更換后，D1才能重新合閘，不能保證供電的連續性。解決上述問題的措施是在SPD上端串聯一個斷路器。圖1中，C2斷路器的額定電流應根據SPD的最大放電電流Imax選擇，并采用C型脫扣曲線，其分斷能力必須大于安裝處的最大短路電流（詳見表1），并且要求斷路器在額定電流下施加20個標準的8.0/20 μs和1.2/50 μs測試脈沖時不脫扣，但SPD短路時要確保動作。

2.1 2 SPD與漏電保護器的配合 雷電電擊時，在SPD將過電流泄放入地的過程中，要保證電源的漏電保護開關不能動作。在電源進線端采用I△n=300/500 mA，并帶延時跳閘的漏電保護開關，在設備端選擇I△n=30 mA的漏電開關，對特別重要負荷（如計算機等）采用SI型漏電開關（SI型對大氣過電壓不敏感）。這樣配置的配電系統，可保護上、下級的選擇性，同時與SPD很好地配合，詳細情況見圖2。

3 SPD安裝方案

在三相四線TN-C-S系統內，只需安裝3只SPD，這是因為在進線處PEN線即分為PE線和N線，并通過與等電位聯結用的接地母排相連接接地，即N線已為地點位，所以沒有必要在N線上裝設SPD。系統中SPD接線示例如圖3所示。TT系統中SPD接線示例見圖4。

SPD正常泄漏電流很小，但泄漏電流會隨雷擊次數的增加而增加，導致器件發熱老化，絕緣性能變差。因此，SPD一般都應帶有在達到最大可承受熱量前斷開SPD的熱分斷裝置，并要求帶溫度失效指示，還可帶遠程指示，詳見圖5。

4 結語

建筑物的防雷擊電磁脈沖已越來越被人們所重視，合理應用SPD來保護系統和設備成為必然趨勢。在防雷擊電磁脈沖過程中，應首先做好建筑的接地、屏蔽等措施，提供一個良好的電磁環境，并對工程進行評估，確定系統和設備需耐受的預期最大浪涌電壓。根據不同的配電系統來安裝SPD，確保SPD的參數與被保護設備相匹配，且盡量選擇技術性能比較高的產品，以確保設備安全、可靠地運行。

參考文獻

[1] 吳勁夫.低壓配電系統中電涌保護器的設計應用[J].價值工程，2012（15）：28-29.

[2] 林維勇.低壓配電系統中如何選擇SPD[J].智能建筑電氣技術，2013（1）：66-70.

[3] 曲扎江措.低壓配電系統中采用多級SPD配合保護[J].西藏科技，2012（11）：63-65.

Abstract： The interference and destruction of lightning stroke and lightning electromagnetic pulse to electronic system are becoming more and more serious. It is necessary to install SPD in electronic system for effectively inhibiting the invasion of lightning electromagnetic pulse， it can avoid surge pulse signal destroying the devices. The paper introduces the classification of SPD， main parameter， selection principle and protection method， provides a reference for the application of SPD by taking practical example to discuss the installation plans of SPD.

Key words： surge protector； lightning protection； installation