浪涌保护器(SPD)的设置及应用现状

浪涌保护器（SPD）的设置及在福建省的应用现状作者：福建省建筑设计研究院 林卫东杭州鸿雁电器公司 谢文平摘要：为减少雷电电磁脉冲、开关浪涌等对设备所造成的损坏，本文分析了建筑物内电气设备要设置浪涌保护器（SPD）的原因，列出了部分防雷规范、规定及标准，介绍了选用设置各种电源浪涌保护器和信号浪涌保护器的方法；同时本文简述了浪涌保护器在福建省的应用现状，对常用几个厂家的产品进行了市场信息比较，指出浪涌保护器在福建省各个地区必将得到进一步普及。关键词：浪涌保护器（SPD） 应用 选用设置 电压保护水平 放电电流 雷电电磁脉冲 （转载请保留电气论坛 版权！） 在地球上，雷电时时刻刻都存在，国际电工委员会（IEC）将雷电称之为电子化时代的一大公害。据统计，在任一时刻平均有2000多个雷暴在进行着，火灾、爆炸、建筑物破坏、人畜伤亡、设备损坏等无不与之相连，雷暴被联合国列为十大自然灾害之一，它严重影响着人类的各种活动。我国每年因雷害造成的损失达100亿元人民币。当人类社会进入电子信息时代后，雷灾出现的特点与以往有极大不同，可概括为：（1）受灾面积大大扩大，雷害从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业，特别是与高新技术关系最密切的领域，如航天航空、国防、邮电通信、计算机、电子工业、石油化工、金融证券等。（2）入侵方式从平面入侵变为立体入侵，从闪电直击和雷电波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场从立体空间入侵到任何角落，无孔不入地造成灾害，因而防雷工程已从防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲（LEMP）。（3）雷灾的经济损失和危害程度大大增加了。有时候雷电袭击对象本身的直接经济损失并不太大，而由此产生的间接损失和影响却难以估量。例如，1999年8月27日下午3点，某寻呼台遭受雷击，导致该台中断数小时，其直接损失是有限的，但间接损失大大超过直接损失。产生上述现象的根本原因是雷灾的主要对象已集中在微电子设备上，雷电本身并没有变，而是随着科学技术的发展，微电子技术的应用渗透到各种生产和生活领域，微电子器件极端灵敏这一特点很容易受到无孔不入的LEMP的作用，造成微电子设备的失控或者损坏。为此，当今时代的防雷工作的重要性、迫切性、复杂性大大增强了，雷电的防御已从直击雷防护进入到感应雷、雷电电磁脉冲等的防护。当然，来自电路的开、断操作，感性和容性负载的开关操作及来自短路电流的阻断等引起的开关浪涌也是造成微电子设备失控或损坏的原因之一。美国的调查数据表明，在保修期内出现问题的电气产品中，有63是由于浪涌造成的。一、浪涌保护器的设置原因雷电防护包括针对建筑物的直击雷防护，以及针对建筑物内设备、人员的雷电波侵入防护和雷击电磁脉冲防护两大部分。多数人对直击雷防护并不陌生，但对雷电电磁脉冲防护的认识仍非常有限。雷击发生时，大约50%的雷电流将沿接闪引下线通路直接泄放入地，频率成分非常复杂的雷电流快速通过引下线时会感应出极强的电磁场，建筑物中的管线相对切割磁力线产生感应电流（即雷击电磁脉冲），间接导致设备损坏和人员伤亡；另一方面，至少有50%的雷电流将沿着进出建筑物的管线泄放，对人员和设备构成直接威胁。因此，雷电波侵入与雷击电磁脉冲防护已成为现代防雷设计的重中之重。依据IEC61024-1的说明，室内雷电保护的主要防护措施是：浪涌保护器安装和等电位连接。等电位连接的目的，在于减小保护区间内，各金属部件和各系统之间的电位差。对非带电金属体（如水管等）需要采用导线进行等电位连接，对于带电金属体（如动力电缆等）需要采用浪涌保护器做等电位连接。如图1所示建筑物的整体防雷措施。建筑物的防雷保护 外部防雷保护 室内防雷保护接闪器 非带电金属导体的等电位引下线 连接 接地网 带电金属导体（如电源线、建筑物外部屏蔽 通信线）通过浪涌保护器 安全距离 的等电位连接建筑物内部屏蔽安全距离 图1 建筑物的防雷保护措施 我们应根据建筑物及其设备所处的地理位置（环境）和功能的重要性大小，相对于不同的要求，按照安装位置、保护级别和冲击通流容量，有目的地选用相应型号的浪涌保护器。以下的建筑物和设施特别需要设计安装浪涌保护器来进行防护。高层建筑宾馆、会堂、体育馆、展览馆、影剧院、学校、大型商场、医院、车站等人流密集场所等大型公共建筑物油库、液化气储气站、加油站、露天化工设施、烟花爆竹等易爆场所以及粮、棉等重要物资仓库程控系统、卫星接收系统、计算机网络重要的地面导航设施、铁路通信设施电力、通信、广播电视设施重点文物保护建筑其它重要建筑物等。二、部分防雷规范、规定及标准 国际标准：低压配电系统的电涌保护器(SPD) (IEC 61643) 直接雷击的防护 第一部分: 基本法则 （IEC 61024-1：1990）雷电电磁脉冲的防护 （IEC 61312-1,-2,-3：1994,95,96）电磁兼容性-EMC （IEC 1000：1995）建筑物电气装置 第5-53部分:电气设备的选择和安装-隔离、开关和控制设备 第534节：过电压保护器（IEC 60364-5-53：2001 A1） 国家法规：气象法防雷减灾管理办法 地方法规和规范：广东省防御雷电灾害管理规定、上海市雷电防护管理办法、山东省防御和减轻雷电灾害管理规定、沈阳市防御雷电灾害管理办法等各省市的规定；上海市智能化住宅小区雷电防护技术导则 国家标准：建筑物防雷设计规范（GB 50057-94）2000年版交流无间隙金属氧化物避雷器（GB 11032-2000）电子计算机机房设计规范（GB 50174-93）电子计算机场地通用规范（GBT 2887-2000）电子设备雷击保护导则（GB7450-87）爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范 （GB50058-92） 行业标准：微波站防雷与接地设计规范（YD 2011-93）移动通信基站防雷与接地设计规范（YD 5068-98）通信局（站）接地设计暂行技术规定（YDJ26-89）通信工程电源系统防雷技术规定（YD 5078-98）通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范（YD 5098-2001）电力系统通信站防雷运行管理规程（DL 548-94）装卸油品码头防火设计规范 （JTJ 237-99）三、浪涌保护器的选用设置1. 浪涌保护器的分类Surge Protection Device 翻译成浪涌保护器或电涌保护器，简称SPD。按照保护对象的不同分类，SPD可分为电源浪涌保护器和信号浪涌保护器。顾名思义，电源浪涌保护器是指防止由电源线侵入的感应雷电或电涌破坏数据、信息、控制等系统的浪涌保护器；信号浪涌保护器是指防止由信号传输线侵入的感应雷电或浪涌破坏数据、信息、控制等系统的浪涌保护器；按照产品设计的特点分类，SPD可分为电压开关型SPD（限流型），电压限制型SPD（限压型）及组合型SPD三类。按照IEC61312-3文件的要求，电压开关型SPD一般用在LPZ0BLPZ1区中，用于电源系统的浪涌保护器，可最大限度的消除电网后续电流；电压限制型SPD一般用在LPZ1和LPZ2区中，可较大程度减低电网上的残压；组合型SPD由电压开关型组件和电压限制型组件组合而成，可以显示为电压开关型或限压型或这两者都有的特性，这决定于所加电压的特性。按照冲击通流容量和保护级别，SPD可分为第一级、第二级、第三级浪涌保护器（共三级）。表1表示220/380V供电系统的分级保护水平。通过第一级浪涌保护器，防止直接的传导雷进入 LPZ1区，将上万至数十万伏的浪涌电压限制到4000伏以下，通过第二级浪涌保护器，进一步将通过第一级SPD的残余浪涌电压限制到2500伏以下，对LPZ1 - LPZ2实施等电位连接。通过第三级浪涌保护器，将残余浪涌电压的值降低到1500伏以内，使浪涌的能量不致损坏设备。SPD可以连接在相线对相线、相线对地线、相线对中线、中线对地线及其组合，这些连接方式称作保护模式。其中，相对相和相对中线称为差模；相对地和中线对地称为共模。表1 220/380V供电系统SPD分级保护水平相对SPD的等级要求功能符合IEC标准的最大电压保护水平设备绝缘耐冲击电压额定值SPD型号举例设备绝缘耐冲击过电压类别耐冲击电压额定值设备位置类6KV电源处的设备第一级用于防护IEC61024所规定的直击雷或临近雷击的SPD即LPZ014KV类4KV配电线路和最后分支线路的设备FRD-100/4PFRD-80/4PFRD-60/4P第二级用于远处雷击或开关操作在供电网络产生的过电压的SPD 即LPZ122.5KV类2.5KV 用电设备（如：电器设备）FRD-40/4PFRD-30/4P第三级在插座出口用于不固定的用电设备的SPD即LPZ231.5KV 类 1.5KV 特殊需要保护的设备（如：电子设备）FRD-20/4PFRD-10/4P2. 浪涌保护器主要技术参数：1) 标称导通电压Un浪涌保护器的起始动作电压，它与被保护系统的额定电压相符，在信息系统中此参数表明了该选用的保护器类型，它标出直流电压或交流电压有效值。2) 最大持续运行电压Uc能长久加在浪涌保护器指定端，而不引起浪涌保护器特性变化和激活保护元件的最大电压有效值，等于浪涌保护器的额定电压。3) 标称放电电流（即额定通流量）In给浪涌保护器施加波形为标准8/20s冲击10次，保护器的额定参数值变化不超过规定值时所能耐受的冲击电流峰值。4) 最大放电电流（即最大通流量）Imax给浪涌保护器施加波形为标准8/20s冲击1次时，保护器所能耐受的冲击电流峰值。5）脉冲冲击电流Iimp标准的10/350s雷电模拟波，主要参数：电流峰值、电量、比能。它是模拟直接雷击的波形。用于电源的第一级保护SPD，反映了SPD的耐直击雷能力（采用10/350s波形）。包括幅值电流Ipeak和电荷Q，其值可根据建筑物防雷等级和进入建筑物的各种设施（导电物、电力线、通讯线等）进行分流计算。6）残压（限制电压）Un雷电放电电流通过浪涌保护器时，其端子间呈现出的电压值。7）电压保护水平Up浪涌保护器两端通过标称放电电流时，在其两端产生的最高限制电压（残压）。8）数据传输速率信号浪涌保护器接入计算机等信号传输线后，不影响系统传输时的上限传输速率。9） 插入损耗在规定频率的系统中接入浪涌保护器所带来的信号损耗，用分贝表示。3. 电源浪涌保护器的设计选型在电源线路上安装浪涌保护器，目的是为了将线路上由于雷击或其它浪涌产生的电压限制在一个安全的水平。根据上述可知，经过多级浪涌保护器，可以把过电压逐级降到无害的量值以下。（1） 考察建筑物所处地理位置及供电进线方式首先要了解建筑物的环境及供电进线是架空或埋地，目的是选择浪涌保护器的通流容量。推荐选择第一级浪涌保护器的最大通流量应大于以下标准值：高山站（架空进线）：100KA（8/20s）或12.5KA（10/350s）郊 区（架空进线）：60KA（8/20s）或12.5KA（10/350s）城市内（埋地进线）：40KA（8/20s）第二级浪涌保护器的最大通流量应选择大于2040KA（8/20s）；第三级浪涌保护器要求的最大通流容量应大于1020KA（8/20s）。（2）检查建筑物内供电系统的类别单相、三相及直流供电系统在220V单相供电系统中，只需选用两片保护模块组合。如FRD-20-2A，FRD-40-2A。在380V三相供电系统中，则需根据不同的供电接地系统选择三片或四片保护模块组合。在直流供电系统中，需要根据直流电压值来选择浪涌保护器，浪涌保护器的最大持续工作电压（Uc）值在直流电压值的1.5倍2.2倍之间选取。一般只需选用两片保护模块组合，如FRD-20-2A-DC（48），FRD-40-2A-DC（48）。TN、TT及IT不同配电接地系统在TN-C-S制式配电系统中，N 线和PE线在低压侧未分开前（合PEN线），浪涌保护器常作进线第一级保护只需选用三片保护模块组合，如FRD-80-3A-4、FRD-60-3A-4，三根相线（L1，L2，L3）通过浪涌保护器连到PEN线。PEN线分开为N 线和PE线后，浪涌保护器需选用四片保护模块组合，如FRD-40-3A-5、FRD-20-3A-5，三根相线（L1，L2，L3）和一根中线（N）通过浪涌保护器连到PE线。在TN-S制式的配电系统中，浪涌保护器需要选用四片保护模块组合，如FRD-60-3A-5、FRD-40-3A-5。三根相线（L1，L2，L3）和一根中线（N）通过浪涌保护器连到PE线。对TN系统的低压配电线路，入户为低压架空线路宜安装三相电压开关型SPD作为第一级保护；分配电柜线路及设备电源后的第二、第三级保护宜选用电压限制型SPD。入户为低压埋地线路的SPD保护，其第一、第二、第三级均推荐选用电压限制型SPD。在TT制式的配电系统中，浪涌保护器需要选用3+1保护模块组合，如FRD-20-3A-NPE、FRD-40-3A-NPE。三根相线（L1，L2，L3）通过电压限制型SPD连到中线（差模），中线（N）通过电压开关型SPD连到PE线（共模）。在IT制式的配电系统中，因线路无中线（N），浪涌保护器只需选用三片保护模块组合，如FRD-60-3A-4、FRD-40-3A-4。三根相线（L1，L2，L3）通过电压限制型SPD连到PE线。（3）了解电源电压是否稳定了解电源电压是否稳定，是为了能合理选择最大持续工作电压（Uc）和残压（Ur）。最大持续工作电压（Uc）是关系到浪涌保护器及被保护设备运行稳定的重要参数。对于电压限制型SPD，最大持续工作电压（Uc）值越低时其残压（Ur）值也越低。但是在工作电压不稳定的地方，必须选择有较高最大持续工作电压（Uc）值的浪涌保护器（以防止不稳定电源电压大于浪涌保护器的最大持续工作电压），这样就意味着浪涌保护器残压会抬高。因此，要根据具体情况来确定最大持续工作电压（Uc）值。一般电源电压正常稳定情况下，Uc可在被保护设备工作电压的1.5倍2.2倍之间选取，推荐值为交流440Vrms。（4）了解接地电阻值的大小在高接地电阻环境下浪涌保护器的选择应该采用3+1结构的SPD ，该类型SPD由三个电压限制型保护模块和一个电压开关型保护模块组成。电压限制型保护模块安装在相线与中线之间，电压开关型保护模块安装在中线与地线之间。如：FRD-20-3A-NPE、FRD-40-3A-NPE。电网故障时，在接地电阻高或地线接触不良的情况下，相线与地线回路阻抗很大，故障电流经浪涌保护器流入地线的电流很小，不足以使前级断路器（空开）跳脱。采用该结构SPD因三个电压限制型保护模块安装在相线与中线之间，相线与中线回路阻抗很小，故障电流流经浪涌保护器的电流足够使前级断路器（空开）跳脱，从而使浪涌保护器与电网隔离。（5）报警功能的选择为了监测浪涌保护器的运行状况，当浪涌保护器出现损坏时，用户应及时知道并及时更换损坏的模块。为了在不同应用环境下可以实现即时检测，需要选择特定环境的报警装置。可视报警 适用有人值守的环境声光报警 适用有人值守的环境遥信报警 适用无人值守的环境（6） 后备保护空气开关的选择基于电气安全原因，任何并联在市电电源系统相对中或相对地的电气元件，为防止故障短路，必须在该元件前安装短路保护装置，如空气开关或熔断器。对于浪涌保护器后备保护空气开关的选择，根据经验，推荐第一级浪涌保护器前设50A空气开关（C脱扣曲线）或熔断器，第二级前设32A空气开关（C脱扣曲线）或熔断器，第三级前设20A空气开关（C脱扣曲线）或熔断器，（7） 其它注意事项多级保护的浪涌保护器线路安装距离须满足：第一级与第二级之间应大于10m，第二级与第三级之间应大于5m，否则各级之间应加装去耦电感。为在某些空间有限的场合方便地实施规范的分级浪涌保护器的安装，有些厂家设计开发了串联型电源浪涌保护器，根据具体需要内置两级或三级不同等级的浪涌保护器，并充分考虑到级间耦合和器件保护等因素，施工安装很方便，但设计时需考虑负载电流，以使串联型电源浪涌保护器满足要求。如FRDS-40-100-2B，该型号串联型电源浪涌保护器内置两级不同等级（分别为In=40KA和In=20KA）浪涌保护器，其额定负载电流为100A。另外，在浪涌保护器安装时，接入浪涌保护器的导线应遵循短、直、粗的原则，一般要求出入浪涌保护器的导线总长度不大于0.5m。4. 信号浪涌保护器的设计选型信号浪涌保护器的选型和安装是防雷项目中最复杂、最容易出问题的环节。它不同于直击雷防护，即使没有雷电波侵入，仍可能由于设计失误或产品选择不当，导致保护无效、数据包丢失甚至通信中断。因此，必须在详细了解相关设备的基础上，根据通信线路（DDN、ISDN、ADSL以及无线信道等）、通信接口（RS-232等）、供电方式（交、直流）、工作频率、带宽等要求，选择插入损耗小、响应速度快、频带宽、通流量大的电涌保护器。（1）了解通信线路是否由架空引入，以确定是否进行两级防护。如有架空线引入的情况，通常需考虑进行两级防护。如没有架空线引入，一般只需考虑进行单级防护。（2）电压等级的选择通信线路浪涌保护器的最高工作电压的选择，是依据通信线的工作电压来确定的。一般情况下，通信浪涌保护器的最高工作电压必须大于信号线工作电压的1.2倍。（3）速率匹配的选择不同的通信系统的传输速率有所不同，通信线路浪涌保护器是串联安装在信号线上，其支持的速率应不小于通信系统本身的传输速率，否则将导致通信中断或误码率的增加，影响通信系统的正常工作。（4）接口类型的选择通信线路浪涌保护器是串联方式安装在线路上的，为了匹配阻抗及保持最小的接触电阻，应该选择与通信线上同类型的接口，对于RJ，SD类型接口要注意线对配合，对于同轴接口要注意公母配合。四、浪涌保护器（SPD）在福建省的应用现状近年来，在邮电、通信、金融、证券、铁路、电力等专业部门，浪涌保护器已经得到广泛的应用，在国内有些城市特别是大城市，如北京、上海、广州等城市，相继出台了地方法规和规范，雷电电磁脉冲防护得到了足够的重视，浪涌保护器在各行各业特别是新建建筑领域得到广泛应用，如上海市的智能化住宅小区雷电防护技术导则明确要求高层、小高层的低压配电系统必须进行三级保护。福建省地处沿海发达地区，同时也是雷电多发区（国家气象局对福建省各地市的年平均雷暴日的统计数据表明，福建省绝大部分地区属多雷区甚至强雷区），其部分地区的年平均雷暴日如下表2。但福建省在雷电电磁脉冲防护方面还未得到人们及政府足够的重视，目前还未出台相应的地方法规。根据市场调查，福建省在邮电、