低壓配電系統接地型式對SPD選型的要求

傅春華+呂海勇+王涪德+雷雨云

摘 要：文章介紹了不同低壓配電系統接地型式的特點及表征SPD性能的相關特性參數，并分析在不同接地型式下對SPD選型的相關要求，以期在建筑物防雷設計及施工過程中對選擇適配的SPD起到一定的指導作用，避免選用錯誤的SPD導致危險的發生。

關鍵詞：電涌保護器；低壓配電系統；接地型式

引言

SPD（電涌保護器）作為一種限制瞬態過電壓和分泄電涌電流的非線性器件，在建筑物及其電子信息系統的防雷中應用廣泛。為防止由反擊造成人身傷亡及電氣電子設備損壞，《建筑物防雷設計規范》中強制規定要在低壓電源線路引入的總配電箱、配電柜處裝設Ⅰ級試驗的電涌保護器[1]。然而在設計或安裝過程中，由于工作人員沒能根據電氣系統接地型式的特點合理地選擇SPD或對SPD的特性不了解等，導致所安裝的SPD不起作用或造成低壓配電系統的誤動作，影響了電氣系統的正常運行。作者經過長期的實踐工作，總結出低壓配電系統接地型式的應用特點及其與SPD選型之間應注意的要點，希望對從事建筑物及其電子信息系統雷電防護工作的人員起到一定的指導作用。

1 低壓配電系統的接地型式

低壓配電系統根據電源端與地的關系以及電氣裝置的外露可導電部分與地的關系可以分為TN、TT、IT三種系統[2-3]。

1.1 TN系統

TN系統根據中性導體與保護導體的組合情況，又可以分為TN-C，TN-S及TN-C-S三種。

（1）TN-C系統（見圖1）

目前我國廣泛采用這一系統 ，整個系統的中性導體和保護導體是合一的，但該系統當PEN線中斷時，設備金屬外殼對地將帶220V以上的故障電壓，危險性大。而且PEN線因通過中性線電流產生電壓降，從而使所接設備的金屬外殼對地帶電位，此電位對電子設備產生干擾，也可能在爆炸危險環境內產生危險火花放電，故現在很少采用。

圖1 TN-C系統

（2）TN-S（見圖2）

電源變壓器中性點接地，整個系統的中性導體和保護導體是分開的，PE線正常情況下不通過電流，也不帶電位，它只在發生故障時通過故障電流，因而正常情況下不會產生干擾電流影響電子設備正常運行，是一種比較好的低壓配電系統。各種計算機信息系統一般采用該制式，而且要求單獨引線。缺點是初期相對投入相對較高，若相對地短路的時候，對地面故障電壓也高。

圖2

（3）TN-C-S系統（見圖3）

這種系統目前在我國采用最廣泛。系統中一部分線路的中性線路的中性導體和保護導體是合一的，一旦PEN導體與N和PE分開后，N與PE導體不應重新連接在一起。一般用于住宅建筑或一般工業企業。

圖3 TN-C-S系統

1.2 TT系統

該系統（見圖4）電源端有一點直接接地，電氣裝置的外露可導電部分直接接地，此接地點在電氣上獨立于電源的接地點，電源側和各個裝置出現故障電壓不互竄。但發生接地故障時因故障回路內包含兩個接地電阻，故障回路阻抗較大，通過電流小，不易引起電氣保護裝置動作，增加了人體觸電的危險，因而須加裝RCD（剩余電流保護器）。TT系統可適用于農村居住區、市電用戶和分散的民用建筑及對接地要求高的設備場所。

圖4 TT系統

1.3 IT系統

該系統（見圖5）電源端的帶電部分不接地或有一點通過阻抗接地，電氣裝置的外露可導電部分直接接地，在發生接地故障時由于不具備故障電流返回電源通路，其故障電流小，對地電壓低，不致引發事故，供電安全性好，可靠性高。一般用于不允許停電的場所或煤礦、化工廠、紡織廠等不良環境。由于它一般不引出中性線，不能提供照明、控制等所需的220V電源，且其故障防護和維護管理較復雜，供電距離不宜過長，加之其他原因，IT系統的應用受到限制。

圖5 IT系統

2 SPD的選型要求

SPD的全稱為Surge Protective Device，也即電涌保護器，它一般由一個或幾個具有非線性特征的元件組成。這種非線性元件一般又可分為開關型和限壓型兩種，常用的開關型電涌保護器元件主要有放電間隙、氣體放電管、晶閘管和三端雙向可控硅元件；限壓型電涌保護器則通常采用壓敏電阻或抑制二極管作為其主要元件。圖6為采用ZnO壓敏電阻作為主要元件的限壓型電涌保護器的典型U-I特性曲線，通過該特性曲線可以知道，當流過SPD的電流在1mA至In（一般為幾kA）范圍內，SPD兩端的電壓被限制在Um范圍內，只要Um足夠小，便可以保護后面的設備。

圖6 ZnO壓敏Ures-I典型曲線

2.1 SPD的特性參數

表征SPD的特性參數有很多，這里選擇相對比較重要的一些參數進行分析，這些參數往往在設計階段對SPD的選型起決定性作用。

（1）Uc：最大持續工作電壓

Uc是允許持久地施加在SPD上的最大交流電壓有效值或直流電壓。一個適配的SPD的Uc值必須考慮該SPD所處電力系統的最大持續工作電壓Ucs，并且Uc要大于Ucs。

（2）Iimp、In或Imax：沖擊電流、標稱放電電流或最大放電電流

這三種放電電流是針對不同型式試驗類型下流過SPD的電流峰值：Iimp用于表征流過SPD具有10/350波形的沖擊電流，它由電流峰值Ipeak、電荷量Q及比能量W/R確定，一般用于Ⅰ級試驗的SPD分類試驗；In是流過SPD具有8/20波形的電流峰值，用于Ⅱ級試驗的SPD分類試驗以及Ⅰ級、Ⅱ級試驗的預處理試驗；Imax則是流過SPD具有8/20波形的電流峰值，其值按Ⅱ級動作負載的程序確定，Imax大于In。

（3）型式試驗類型

型式試驗是在一種新的SPD設計完成時所進行的試驗，一般用來證明它符合有關標準并確定其典型性能。型式試驗一般可以分為Ⅰ級試驗、Ⅱ級試驗、Ⅲ級試驗，通常也用T1、T2、T3來表示。

（4）Up：電壓保護水平

Up是SPD非常重要的一個參數，它用于表征SPD限制接線端子間電壓的能力，其值從優選值的列表中選擇。Up、Ures（殘壓）、Um（限制電壓）、Uc之間一般符合下列關系：Up>Ures≥Um>Uc。

除上述四個主要特性參數外，表征SPD性能的還有諸如If（續流）、Ures（殘壓）、UT（暫時過電壓）、保護模式、失效模式、短路電流耐受能力等，這些都是在選擇適配的SPD時需要考慮的。

2.2 不同接地型式對SPD的要求

由于各類低壓配電系統接地型式的不同特點，在設計SPD時必須考慮相關參數能否滿足低壓配電系統接地型式的要求。如果選擇不當，所安裝的SPD不能真正起到限制瞬態過電壓和泄放電涌電流的功能，相反，有時甚至會因為不當的SPD接入導致低壓配電系統運行的不穩定和誤動作，甚至危及生命。

2.2.1 Uc值的選擇

對大多數SPD來說，當暫時過電壓持續時間超過5s時被認為永久性電壓。因此， Uc的選擇應根據正常條件和超過5s的故障條件（暫時過電壓）來確定。

在正常條件下，在相線和中線之間SPD的Uc應比Ucs高（通常Ucs取1.10U0，即10%的電壓調整率，如果考慮由于SPD的老化和其它不正常狀況，再增加5%的系數，取1.15U0）；在相線與相線之間，Ucs為■U0，此時Uc應取1.10■U0；在相地之間或中線與地之間，Uc取1.10U0。

然而，在選擇接在相和地之間SPD的Uc時，必需考慮到故障條件，以避免損壞過多的SPD。TT和TN系統在接地故障條件下，相和地間的電壓可能會超過Ucs，這是由于高壓系統或低壓系統的故障條件下，電壓最大幅值取決于接地。Uc的選擇應根據故障條件下給定的實際電壓值。另外，用一個足夠高的Uc去保證系統故障時不損壞SPD是不現實的，因為這會使得SPD的電壓保護水平變得很差。一個合適的Uc值通常獨立于系統布局，比1.5U0高。

不同低壓配電系統接地型式下Uc的取值可參考表1：

表1 Uc在不同保護模式下的取值

注a：在某些情況下（如中線斷線）可能需要較高的值

2.2.2 UT值的選擇

SPD在其壽命期內會受到比電力系統最大持續工作電壓（Ucs）更高的暫時過電壓UTOV的影響，UT（暫時過電壓）就是用來定義SPD在UTOV下的特性。由于不同電力系統實際產生的暫時過電壓（UTOV）各有差異，在選擇SPD時需同時考慮UT和UTOV隨時間變化的特性。表2是IEC60364-4-44給出的低壓電網中預期的UTOV最大值。

表2 IEC 60364-4-44給出的最大TOV值

電涌保護器UT值的選擇須符合下列要求：即當發生故障時，UT值應比設備上預期產生的暫時過電壓UTOV高：UT>UTOV。SPD的UT與UTOV的關系可以如圖7所示[3]：

注：a LV裝置故障時（短路），在TT、TN和IT系統相 - 中線之間的UTOV，LV區域；

b LV裝置故障時（偶然接地），IT（TT）系統相 - 地之間的UTOV，LV作用區域和TT和LV裝置故障時（中線斷線），TN系統相 - 中線之間UTOV，LV的區域；

c 當HV系統發生故障時，在TT和IT系統中，用戶端相 - 中線之間UTOV，HV的最大值；d 未定義區域。

■ SPD的UT值。

圖7 UT和UTOV的關系

需要注意的是，并不是所有的SPD都具有TOV耐受能力。在TOV值很大的情況下，很難找到一個可以對設備提供電涌保護的SPD，這時可以考慮在一個不能耐受該TOV過電壓的SPD前面使用一個合適的斷路器。

2.2.3 保護模式問題

一般情況下，電涌保護器的安裝模式可以為L-L，L-N，L-PE，N-PE等。對于入戶處安裝的第一級SPD而言，大部分都選擇L-PE的保護模式。然而，在TT系統中安裝的SPD必須注意當SPD安裝在RCD（剩余電流保護器）前方的情況下，SPD的保護模式必須采用3P+N的模式，也即采用L-N，N-PE的模式，如圖8所示[4]。

圖8 TT系統中SPD安裝在RCD前方

3 結束語

在建筑物及其內部電子信息系統防雷保護中，選擇適配的SPD是很重要的。在選擇適配的SPD時，除了要考慮SPD的安裝位置、電壓保護水平UP、通流容量及與被保護設備的能量配合等問題外，針對不同接地型式的低壓配電系統時，還應考慮不同保護模式下的最大持續運行電壓UC、耐受暫時過電壓的能力UT以及在某些特殊情況下SPD保護模式的選擇，這些參數的選擇需要根據不同低壓配電系統的接地型式視情況而定。如果選擇不當，所安裝的SPD不但不能起到應有的保護作用，相反還會帶來不可預見的故障和生命危險，這些都是在建筑物防雷設計與施工中應該注意的問題。

參考文獻

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50057-2010.建筑物防雷設計規范[S]. 北京：中國計劃出版社，2011（8）：24-25

[2]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB 14050-2008.系統接地的型式及安全技術要求[Z]. 北京：中國標準出版社，2009（1）：2-5

作者簡介：傅春華（1981-），男，工程師，研究方向為雷電防護及檢測技術。

（4）Up：電壓保護水平

Up是SPD非常重要的一個參數，它用于表征SPD限制接線端子間電壓的能力，其值從優選值的列表中選擇。Up、Ures（殘壓）、Um（限制電壓）、Uc之間一般符合下列關系：Up>Ures≥Um>Uc。

除上述四個主要特性參數外，表征SPD性能的還有諸如If（續流）、Ures（殘壓）、UT（暫時過電壓）、保護模式、失效模式、短路電流耐受能力等，這些都是在選擇適配的SPD時需要考慮的。

2.2 不同接地型式對SPD的要求

由于各類低壓配電系統接地型式的不同特點，在設計SPD時必須考慮相關參數能否滿足低壓配電系統接地型式的要求。如果選擇不當，所安裝的SPD不能真正起到限制瞬態過電壓和泄放電涌電流的功能，相反，有時甚至會因為不當的SPD接入導致低壓配電系統運行的不穩定和誤動作，甚至危及生命。

2.2.1 Uc值的選擇

對大多數SPD來說，當暫時過電壓持續時間超過5s時被認為永久性電壓。因此， Uc的選擇應根據正常條件和超過5s的故障條件（暫時過電壓）來確定。

在正常條件下，在相線和中線之間SPD的Uc應比Ucs高（通常Ucs取1.10U0，即10%的電壓調整率，如果考慮由于SPD的老化和其它不正常狀況，再增加5%的系數，取1.15U0）；在相線與相線之間，Ucs為■U0，此時Uc應取1.10■U0；在相地之間或中線與地之間，Uc取1.10U0。

然而，在選擇接在相和地之間SPD的Uc時，必需考慮到故障條件，以避免損壞過多的SPD。TT和TN系統在接地故障條件下，相和地間的電壓可能會超過Ucs，這是由于高壓系統或低壓系統的故障條件下，電壓最大幅值取決于接地。Uc的選擇應根據故障條件下給定的實際電壓值。另外，用一個足夠高的Uc去保證系統故障時不損壞SPD是不現實的，因為這會使得SPD的電壓保護水平變得很差。一個合適的Uc值通常獨立于系統布局，比1.5U0高。

不同低壓配電系統接地型式下Uc的取值可參考表1：

表1 Uc在不同保護模式下的取值

注a：在某些情況下（如中線斷線）可能需要較高的值

2.2.2 UT值的選擇

SPD在其壽命期內會受到比電力系統最大持續工作電壓（Ucs）更高的暫時過電壓UTOV的影響，UT（暫時過電壓）就是用來定義SPD在UTOV下的特性。由于不同電力系統實際產生的暫時過電壓（UTOV）各有差異，在選擇SPD時需同時考慮UT和UTOV隨時間變化的特性。表2是IEC60364-4-44給出的低壓電網中預期的UTOV最大值。

表2 IEC 60364-4-44給出的最大TOV值

電涌保護器UT值的選擇須符合下列要求：即當發生故障時，UT值應比設備上預期產生的暫時過電壓UTOV高：UT>UTOV。SPD的UT與UTOV的關系可以如圖7所示[3]：

注：a LV裝置故障時（短路），在TT、TN和IT系統相 - 中線之間的UTOV，LV區域；

b LV裝置故障時（偶然接地），IT（TT）系統相 - 地之間的UTOV，LV作用區域和TT和LV裝置故障時（中線斷線），TN系統相 - 中線之間UTOV，LV的區域；

c 當HV系統發生故障時，在TT和IT系統中，用戶端相 - 中線之間UTOV，HV的最大值；d 未定義區域。

■ SPD的UT值。

圖7 UT和UTOV的關系

需要注意的是，并不是所有的SPD都具有TOV耐受能力。在TOV值很大的情況下，很難找到一個可以對設備提供電涌保護的SPD，這時可以考慮在一個不能耐受該TOV過電壓的SPD前面使用一個合適的斷路器。

2.2.3 保護模式問題

一般情況下，電涌保護器的安裝模式可以為L-L，L-N，L-PE，N-PE等。對于入戶處安裝的第一級SPD而言，大部分都選擇L-PE的保護模式。然而，在TT系統中安裝的SPD必須注意當SPD安裝在RCD（剩余電流保護器）前方的情況下，SPD的保護模式必須采用3P+N的模式，也即采用L-N，N-PE的模式，如圖8所示[4]。

圖8 TT系統中SPD安裝在RCD前方

3 結束語

在建筑物及其內部電子信息系統防雷保護中，選擇適配的SPD是很重要的。在選擇適配的SPD時，除了要考慮SPD的安裝位置、電壓保護水平UP、通流容量及與被保護設備的能量配合等問題外，針對不同接地型式的低壓配電系統時，還應考慮不同保護模式下的最大持續運行電壓UC、耐受暫時過電壓的能力UT以及在某些特殊情況下SPD保護模式的選擇，這些參數的選擇需要根據不同低壓配電系統的接地型式視情況而定。如果選擇不當，所安裝的SPD不但不能起到應有的保護作用，相反還會帶來不可預見的故障和生命危險，這些都是在建筑物防雷設計與施工中應該注意的問題。

參考文獻

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50057-2010.建筑物防雷設計規范[S]. 北京：中國計劃出版社，2011（8）：24-25

[2]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB 14050-2008.系統接地的型式及安全技術要求[Z]. 北京：中國標準出版社，2009（1）：2-5

作者簡介：傅春華（1981-），男，工程師，研究方向為雷電防護及檢測技術。

（4）Up：電壓保護水平

Up是SPD非常重要的一個參數，它用于表征SPD限制接線端子間電壓的能力，其值從優選值的列表中選擇。Up、Ures（殘壓）、Um（限制電壓）、Uc之間一般符合下列關系：Up>Ures≥Um>Uc。

除上述四個主要特性參數外，表征SPD性能的還有諸如If（續流）、Ures（殘壓）、UT（暫時過電壓）、保護模式、失效模式、短路電流耐受能力等，這些都是在選擇適配的SPD時需要考慮的。

2.2 不同接地型式對SPD的要求

由于各類低壓配電系統接地型式的不同特點，在設計SPD時必須考慮相關參數能否滿足低壓配電系統接地型式的要求。如果選擇不當，所安裝的SPD不能真正起到限制瞬態過電壓和泄放電涌電流的功能，相反，有時甚至會因為不當的SPD接入導致低壓配電系統運行的不穩定和誤動作，甚至危及生命。

2.2.1 Uc值的選擇

對大多數SPD來說，當暫時過電壓持續時間超過5s時被認為永久性電壓。因此， Uc的選擇應根據正常條件和超過5s的故障條件（暫時過電壓）來確定。

在正常條件下，在相線和中線之間SPD的Uc應比Ucs高（通常Ucs取1.10U0，即10%的電壓調整率，如果考慮由于SPD的老化和其它不正常狀況，再增加5%的系數，取1.15U0）；在相線與相線之間，Ucs為■U0，此時Uc應取1.10■U0；在相地之間或中線與地之間，Uc取1.10U0。

然而，在選擇接在相和地之間SPD的Uc時，必需考慮到故障條件，以避免損壞過多的SPD。TT和TN系統在接地故障條件下，相和地間的電壓可能會超過Ucs，這是由于高壓系統或低壓系統的故障條件下，電壓最大幅值取決于接地。Uc的選擇應根據故障條件下給定的實際電壓值。另外，用一個足夠高的Uc去保證系統故障時不損壞SPD是不現實的，因為這會使得SPD的電壓保護水平變得很差。一個合適的Uc值通常獨立于系統布局，比1.5U0高。

不同低壓配電系統接地型式下Uc的取值可參考表1：

表1 Uc在不同保護模式下的取值

注a：在某些情況下（如中線斷線）可能需要較高的值

2.2.2 UT值的選擇

SPD在其壽命期內會受到比電力系統最大持續工作電壓（Ucs）更高的暫時過電壓UTOV的影響，UT（暫時過電壓）就是用來定義SPD在UTOV下的特性。由于不同電力系統實際產生的暫時過電壓（UTOV）各有差異，在選擇SPD時需同時考慮UT和UTOV隨時間變化的特性。表2是IEC60364-4-44給出的低壓電網中預期的UTOV最大值。

表2 IEC 60364-4-44給出的最大TOV值

電涌保護器UT值的選擇須符合下列要求：即當發生故障時，UT值應比設備上預期產生的暫時過電壓UTOV高：UT>UTOV。SPD的UT與UTOV的關系可以如圖7所示[3]：

注：a LV裝置故障時（短路），在TT、TN和IT系統相 - 中線之間的UTOV，LV區域；

b LV裝置故障時（偶然接地），IT（TT）系統相 - 地之間的UTOV，LV作用區域和TT和LV裝置故障時（中線斷線），TN系統相 - 中線之間UTOV，LV的區域；

c 當HV系統發生故障時，在TT和IT系統中，用戶端相 - 中線之間UTOV，HV的最大值；d 未定義區域。

■ SPD的UT值。

圖7 UT和UTOV的關系

需要注意的是，并不是所有的SPD都具有TOV耐受能力。在TOV值很大的情況下，很難找到一個可以對設備提供電涌保護的SPD，這時可以考慮在一個不能耐受該TOV過電壓的SPD前面使用一個合適的斷路器。

2.2.3 保護模式問題

一般情況下，電涌保護器的安裝模式可以為L-L，L-N，L-PE，N-PE等。對于入戶處安裝的第一級SPD而言，大部分都選擇L-PE的保護模式。然而，在TT系統中安裝的SPD必須注意當SPD安裝在RCD（剩余電流保護器）前方的情況下，SPD的保護模式必須采用3P+N的模式，也即采用L-N，N-PE的模式，如圖8所示[4]。

圖8 TT系統中SPD安裝在RCD前方

3 結束語

在建筑物及其內部電子信息系統防雷保護中，選擇適配的SPD是很重要的。在選擇適配的SPD時，除了要考慮SPD的安裝位置、電壓保護水平UP、通流容量及與被保護設備的能量配合等問題外，針對不同接地型式的低壓配電系統時，還應考慮不同保護模式下的最大持續運行電壓UC、耐受暫時過電壓的能力UT以及在某些特殊情況下SPD保護模式的選擇，這些參數的選擇需要根據不同低壓配電系統的接地型式視情況而定。如果選擇不當，所安裝的SPD不但不能起到應有的保護作用，相反還會帶來不可預見的故障和生命危險，這些都是在建筑物防雷設計與施工中應該注意的問題。

參考文獻

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50057-2010.建筑物防雷設計規范[S]. 北京：中國計劃出版社，2011（8）：24-25

[2]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB 14050-2008.系統接地的型式及安全技術要求[Z]. 北京：中國標準出版社，2009（1）：2-5

作者簡介：傅春華（1981-），男，工程師，研究方向為雷電防護及檢測技術。