電氣系統中電涌保護器的檢測及技術參數分析

吳容，張遠揚，黃晟，李一丁，張玲

（1.四川省防雷中心，四川成都, 610072；2.遂寧市氣象局，四川遂寧,629000）

0 引言

雷電產生于強對流天氣（雷暴）之中，是伴有閃電和雷鳴的放電現象，具有電流強度大、電壓值高、強電磁輻射等特征[1]。隨著我國經濟水平的不斷提高，信息技術得以快速發展，智能化設備越來越多的應用到各行各業以及民用家庭中，而雷電引起的危害也顯著增加，產生的社會影響也越來越大，對電氣以及電子設備的保護也越來越引起人們的重視，因此為了將雷電造成的損失降低，除應做好建筑物的外部防雷措施以外，還應做好內部防雷措施，包括屏蔽、等電位聯結、合理布線以及裝設電涌保護器[3]。在防雷檢測工作中，對電涌保護器的檢測是防雷檢測中的一個工作重點[4]，對檢測中已經存在安全隱患的電涌保護器應及時給受檢單位提出并要求受檢單位及時整改，防止造成更大的經濟損失。

1 防雷分區

在防雷檢測工作中，首先應該確定受檢建筑物的防雷類別以及被檢測場所所屬的雷電防護區，如圖1所示。

圖1 建筑物雷電防護區（LPZ）劃分

1.1 建筑物雷電防護區的劃分

①LPZ0A區：本區有遭受直擊雷的可能，且雷電產生的磁場強度無衰減。

②LPZ0B區：本區內無滾球法計算范圍外的直擊雷可能，且雷電產生的磁場強度無衰減。

③LPZ1區：本區內無遭直擊雷的可能，且雷電產生的電磁場強度的衰減，取決于屏蔽措施的完備程度。

由于雷電流在流經該區域前的交界面已經被分流，所以該區域內雷電流小于LPZ0B區內的雷電流。

④LPZ2…n區：在該區域內，流入的電涌電流和雷擊電磁場強度都進一步減少[5]。

2 電涌保護器（SPD）的類別及保護模式

2.1 電涌保護器（SPD）的類別

①開關型SPD：為間隙放電型器件，當無電涌時，SPD呈現出高阻的狀態，當有電涌電壓出現時，SPD就突然呈現低阻抗的特性；其雷電能量瀉放能力大，主要作用是泄放雷電能量，并且具有不連續的電壓、電流特性。

②限壓型SPD：當無電涌時，SPD呈現出高阻的狀態，但隨著雷電流的侵入，其電涌的電壓和電流的增加，SPD的阻抗則連續變小，最后呈現出+低阻抗的狀態。該SPD為氧化鋅壓敏電阻器件，它瀉放雷電能量的能力小，但其對過電壓抑制能力好，因為具有連續的電壓、電流特性，使用該SPD的主要作用是限制過電壓。

③組合型SPD：由限壓型元件和開關型元件組合而成，它的特性可分別表現為開關型SPD或限壓型SPD特性，或者兩種SPD特性都有。

一般建筑物里SPD安裝在電氣系統或者電子系統位置示意圖如圖2所示。

根據圖2所示，在建筑物入口處，即電源第一級防護部分，應選用開關型電涌保護器來泄放雷電能量，在電源第二級防護區及后級線路應選用限壓型電涌保護器，該SPD能限制因前級雷電能量瀉放后，而在后級線路產生的高過電壓。開關型電涌保護器和限壓型電涌保護器需配合使用，才能保證配電線路中各級設備的安全。當在線路上安裝多個電涌保護器時，電壓開關型SPD與限壓型SPD間線路長度不宜<10米，若線路長度<10m，則應在前后兩級SPD之間加裝退耦元件。限壓型SPD之間的線路長度不宜<5米，如果<5米則應在兩級電涌保護器加裝退耦元件。如果各級電涌保護器具有能量自動配合功能則它們之間的線路長度不受限制。

圖2 SPD安裝位置示意圖

2.2 電涌保護器（SPD）的保護模式

電氣系統中浪涌保護器的保護模式大部分是4個保護模式（L-PE及N-PE），即三根火線分別與保護線，中性線與保護線連接，如圖3所示。

圖3 SPD的保護模式

電涌保護器（SPD）上每一個保護模式的參數含義為：

①最大持續運行電壓（Uc）：可持續加于電氣系統電涌保護器保護模式的最大方均根電壓或直流電壓。對于各種形式的接線系統，最小值要求參閱GB50057-2010附錄J中表J.1.1。

②標稱放電電流（In）：流過電涌保護器8/20us電流波的峰值。

典型波形（10/350μS,8/20μS）如圖 4所示。

圖4 典型波形（10/350μS,8/20μS）圖

⑤I級實驗：電氣系統中采用I級試驗的電涌保護器要用標稱放電電流In、1.2/50us沖擊電壓和最大沖擊電流Iimp做試驗。I級試驗可用T1外加方框表示，即。

⑥II級試驗：電氣系統中采用II級試驗的電涌保護器要用標稱放電電流In、1.2/50us沖擊電壓和8/20us電流波最大放電電流Imax做試驗。II級試驗可用T2

其中波頭時間是指：從峰值電流的10%上升到90%的時間（圖B到A的時間）；半值時間是指：從電流峰值下降到峰值電流一半時所需時間（圖C到F的時間）。

③沖擊電流（Iimp）：由電流幅值Ipeak、電荷Q和單位能量W/R所限定。

④電壓保護水平（Up）：表征電涌保護器限制接線端子間電壓的性能參數，其值可從優先值的列表中選擇。電壓保護水平值應大于所測量的限制電壓的最高值。外加方框表示，即。

3 各類防雷建筑物電涌保護器的安裝和選擇要求

在電氣系統中，從室外引入室內的線路上應安裝安裝I級試驗SPD，若被保護設備的耐沖擊過電壓小于SPD的有效電壓保護水平，則只需安裝一級；若不能滿足上述關系，則需增加二級、三級乃至四級SPD進行保護。

3.1 一類防雷建筑SPD布置的要求

室外低壓配電線路應采用埋地引入的方式，若不能全線埋地引入，需在架空線與埋地的連接處，安裝戶外型的SPD，SPD選用I級實驗類型的產品，其電壓保護水平UP應≤2.5kV，其保護模式的沖擊電流Iimp應≥10kA。

在總配電箱處應安裝I級實驗類型的SPD。SPD的電壓保護水平值（UP）應≤2.5kV。當不同保護模式的沖擊電流值（Iimp）無法確定時，沖擊電流（Iimp）應≥ 12.5kA[5]。

對后級配電箱及末端的配電箱，如果需要裝設電涌保護器（SPD），則應選用II級或Ⅲ級實驗的電涌保護器（SPD）。電壓保護水平（UP）應小于或等于 2.5kV，標稱放電電流（In）為II級實驗的SPD時，In≥5kA；標稱放電電流（In）為Ⅲ級實驗的SPD時，In≥3kA。

3.2 二類防雷建筑SPD布置的要求

若防雷接地裝置與電氣接地裝置共用或相連，則應在低壓電源線路引入的總配電箱、配電柜處應裝設Ⅰ級試驗SPD。SPD的電壓保護水平值（UP）應≤2.5kV。當各保護模式的沖擊電流值（Iimp）不能確定時，取沖擊電流值（Iimp）≥12.5kA。

若Yyn0型或 Dyn11型接線的配電變壓器（）Yyn0型或Dyn11型接線）安裝在本建筑物內或附安裝在外墻處時，除了應在變壓器（高壓側）裝設避雷器外，另需要在母線安裝SPD：

①當本建筑物引出線路至其他配電裝置且本配電裝置地網為獨立地網時，則應在低壓側配電母線安裝Ⅰ級試驗SPD，各保護模式的沖擊電流值（Iimp）不能確定時，沖擊電流（Iimp）應取≥12.5kA；

②當建筑物無線路引出時，則應在低壓側配電母線上裝設Ⅱ級試驗SPD，各保護模式的標稱放電電流值In應取≥5 kA。SPD的電壓保護水平值（UP）應取≤2.5kV[5]。

三類防雷建筑SPD布置的要求同上二類防雷建筑SPD布置要求。

一類、二類、三類防雷建筑都應滿足：

低壓總配箱處安裝的SPD，各保護模式的沖擊電流值（Iimp），根據電源線路是否有屏蔽層而選用不同的公式計算Iimp值，無屏蔽層時按式（1）計算，有屏蔽層時按式（2）計算：

其中：I表示雷電流（kA），當為一類防雷建筑物時，I=200kA；當為二類防雷建筑物時，I=150kA；當為三類防雷建筑物時，I=100kA；

N表示架空和埋地引入的外來金屬管道和線路的總數；

M表示每一線路內導體芯線的總根數；

Rs表示屏蔽層每公里的電阻（Ω/km）；

Rc表示芯線每公里的電阻（Ω/km）。

在選擇和安裝電涌保護器（SPD）時，為了避免濫用高級別的SPD過度保護而造成浪費，并且能有效的保護電氣設備不受閃電電泳的侵害，則需要根據線路和設備的耐沖擊電壓（Uw）二選擇合適的電涌保護器，Uw是選擇電涌保護器（SPD）電壓保護水平（UP）的一個很重要的限制條件。在GB50057中第6.4.4條規定：在220V/380 V三相配電線路中Uw可根據表1的規定取值；而其他保護的線路和設備，包括電壓和電流的抗擾度，則宜按制造商提供的材料確定。

表1 建筑物內220/380V配電系統中設備絕緣耐沖擊電壓（Uw）額定值

4 防雷檢測實例分析

電涌保護器（SPD）可能會因為長時間工作或因處于惡劣環境中而老化，或者因受閃電電涌侵入而引起性能下降或失效等故障，因此需用專業的檢測儀器定期對線路和設備的SPD進行檢查。如果測試結果表明SPD具有劣化顯示或狀態指示指出SPD失效，受檢單位應及時更換，避免在雷雨天氣因閃電電涌的侵入而造成線路或設備的損壞，如下圖5所示情況，則應對SPD進行更換。

圖5 SPD失效顯示

當檢測低壓配電室的總配電箱、配電柜時，應該檢測是否在配電箱、配電柜里裝設I級實驗的電涌保護器（SPD），因為常規受檢單位的建筑物一般是防雷接地裝置和電氣接地裝置共用或者相連的，如果未裝設I級實驗的電涌保護器，則應該對受檢單位提出整改，增設電涌保護器。

在常規防雷檢測中，首先應確定受檢項目的雷電防護區及被保護設備的耐壓，從而確定安裝的SPD能否對保護對象行成有效的保護，并記錄SPD的各項參數，包括SPD試驗類型、最大持續運行電壓、沖擊電流值、標稱放電電流值等；其次，檢查劣化指示燈是否正常，如有劣化顯示，則判定SPD已失效，可建議更換；最后對SPD的壓敏電壓、泄漏電流、絕緣電阻進行測試，若測試結果顯示涌保護器已經失效，也須更換。