第四次培训-接地第4-3章spd应用详细

1前言1.1浪涌的主要来源雷电（包括直击雷和雷电电磁脉冲通过静电感应和电磁感应在电源端口、I/O端口和通信端口造成的电压浪涌和电流浪涌等）。包括电源系统的切换瞬变和各种系统的故障过程中所造成干扰。浪涌的特点是上升沿的变化速度快（前沿时间为µs级），瞬态功率大，峰值高，所以

最大。23两种不同的浪涌，应有两种不同的试验波形。因为：浪涌峰值的大小不一样；浪涌出现的概率大小不一样。一般，雷电浪涌的严酷度等级要高，但是开关浪涌出现的频度要高。所以，在富士公司的企业标准里采用了两种不同的试验方法（ON时间/OFF时间各10s，来回100次）。451.2问题的提出[IEC61000-4-5]对控制系统的浪涌抗扰度做了如下规定：浪涌试验波形应包括1.2/50电压波形和8/20电流波形。但标准仅对电压波形做了试验等级的规定。没有对电流波形的试验等级作出规定。试验等级开路试验电压，kV10.521.032.044.0X特定本研讨会将

如下的两个问题：在工程上是如何考虑SPD的标称放电电流等浪涌保护参数的选择；能否将SPD和DCS合二为一,制造成防雷型DCS。672

对SPD的基本要求SPD是一种限制瞬态过电压和分走浪涌电流的器件。其基本原理是，它并接在被保护设备的附近，在无浪涌出现时为高阻抗（即开路状态），当出现浪涌时就在最短的时间内（纳秒级）内迅速将雷电流泄放到地使SPD变为低阻抗，从而保护了被保护设备。受保护设备SPD892.1作为SPD的几个基本条件：能承受预期通过的电流；通过电流时的最大箝压（电压保护水平或残压)应小于设备的耐压（即

的伏秒特性）；103） SPD应具有较强的绝缘强度自恢复能力由于雷电过电压持续的时间很短，当SPD两端过电压

后，系统正常运行电压继续作用在SPD的两端，在这一正常运行电压的作用下，处于导通状态下SPD中继续流过工频接地电流，该电流称为工频续流。SPD必须在雷电过电压

后工频续流的第一次过零时自行切断。否则SPD继续维持导通状态，系统无法恢复正常运行。4）对系统的正常运行的影响应很小（即SPD的寄生电容应很小，泄漏电流应非常小）。11122.2

理想的伏秒特性电气设备的冲击绝缘强度是以伏秒特性来表示的。纵坐标u：击穿电压值；横坐标t：击穿放电时的延时时间。要求：当受到雷电过电压时，SPD应率先动作限压，保护设备的安全。1）被保护设备的伏秒特性和SPD的伏秒特性有交叉点当u≥u1时，被保护设备得不到保护。这使得当雷电过电压的波头时间小于t1时，被保护设备首先被击坏。utt1SPD被保护设备u113u22）SPD的伏秒特性和设备的最高运行电压有交叉点这样，在系统正常运行时，就会发生误动作，影响系统的正常运行。SPD被保护设备最高运行电压utu1t2143）理想的伏秒特性A.SPD的伏秒特性应平坦，保证放电电压稳定；B.SPD的伏秒特性整体地低于被保护设备的伏秒特性；C.SPD的伏秒特性高于系统最高的运行电压。SPD被保护设备最高运行电压u15tu1t1t24）实际的伏秒特性由于击穿过程的随机性，击穿电压具有明显的分散性，实测的伏秒特性是一条曲线带。为了实现理想的配合，SPD伏秒特性的上限边界应低于被保护设备伏秒特性的下限边界；SPD的伏秒特性的下限边界应高于被保护设备的最高运行电压。ut被保护设备SPD最高运行电压162.3

SPD的分类电压开关型SPD通常由放电间隙、充气放电管、闸流管和三端双向可控硅元件组成。该类SPD在无浪涌出现时呈高阻抗，出现电压浪涌时突变为低阻抗。限压型SPD通常用压敏电阻、二极管（TVS）、雪崩二极管组成。该类SPD在无电涌出现时为高阻抗，随着浪涌电压和电流的升高，其阻抗持续下降呈低阻导通状态。组合型SPD该浪涌吸收器由电压开关型SPD和限压型SPD组合而成。17气体放电管、压敏电阻与二极管之间的比较气体放电管压敏电阻钳位二极管漏电流无小小寄生电容小大大续流有无无老化现象有有几乎没有响应时间慢(1us)较快(1ns)快(几十ps)损坏形式短路或开路短路或开路短路或开路通流容量大(1kA-100kA)大(0.1kA-100kA)较小(0.1kA-1kA)绝缘电阻10G20M20M能力较强强弱箝位电压水平放电电压高中等低2.4 SPD的主要参数最大持续运行电压UC允许持续施加于SPD端子间的最大电压有效值，它等于SPD的额定电压。例如，DCS的220V交流电源，可取UC大于1.55UO（UO=220V），即340V。变

送器的电源电压如为24V，则模拟量I/O端口的SPD可取UC

=27V。标称放电电流In流过SPD的相应波形的放电电流峰值（kA)。其值要按地区的雷暴日多少、地理位置、行业特点、单级或多级、价格等因素而定。例如，信号通信系统不小于3

kA

（如双层不小于0.5

kA）

。19电压保护水平Up冲击放电电流通过电压开关型SPD的最大放电电压，或通过电压限制型SPD时，在其端子上所呈现的最大电压峰值（残压）。SPD的电压保护水平加上其两端引线的感应电压应与所属系统的基本绝缘水平和设备允许的最大电涌电压协调一致，一般不大于设备耐压水平的

0.8。响应时间从暂态过电压开始作用于SPD的时间到SPD实际导通放电时刻之间的延迟时间。它决定了SPD能否在浪涌一出现，就快速启动将浪涌的能量掉。其值愈小愈好，一般要求小于5ns，对电源系统可放宽到小于25ns。当SPD用于本安回路时，还必须使用经过本安或隔爆认证过的SPD。20212.5

SPD的分类试验等级对控制系统，所选用的SPD，除直击雷严重的地点采用适当容量的I级分类试验（10/350µs）的SPD，其冲击试验分类均相对于Ⅱ级分类试验（8/20µs的电流波形和1.2/50µs的电压波形）或Ⅲ级分类试验（8/20µs的短路电流波形和1.2/50µs的开路电压波形的混合波）。下面图中：Q——电荷量（[电流A][时间S]），Q=（1/0.7）IT2

（C）；W/R——比能量，雷电流在一个单位电阻中所耗散的能量。它是雷电流的平方在雷击闪络持续时间内对时间的积分，W/R=（1/2）（1/0.7）I2T2

（J/Ω）。90%

I

流峰值T2测试雷电电流的比较i200

µs350

µs600

µs800

µs1000

µst(µs)180

µs40

kA60

kA80

kA(kA)100

kA50

kA220

kA3123波形（µs）10/3508/808/20i

max.

kA1001005Q

As50100.1W/RJ/

2.5·1065·1050,4·103标准IEC

61024-1-1DINVDE0675

T.6,

EDIN

VDE0432

T.2232.6

SPD的设置应考虑的基本因素由于过程控制系统有数量庞大的I/O点，考虑到用户的经济承受能力，不可能也没有必要在所有的I/O点上装设SPD。所以一般考虑的基本因素是：雷电电磁脉冲的防护等级；被保护设备/系统的重要性、雷击可能造成的经济损失和电涌保护投资的比较；电缆在室外的敷设长度。对扩建和改建装置，如果接地系统、电缆类型和不同线路的安装条件已被确定，使用SPD是保护设备的唯一可行的方法。（引自

“IEC

62305”）3交流低压电源系统SPD的应用3.1交流电源回路的应用环境根据交流电源回路的应用环境，存在着很大的差别：对于那些高度

的环境（如变压器露天放置、从变压器到配电室的室外距离又较长），由于处在直击雷的

下，空间的电磁场强度很大，电源回

可能出现的浪涌高达80kA以上；而包括变压器等设施在建筑物内的的供电系统，由于周围已采取了防直击雷措施，因而空间的电磁场强度已经大大降低，供电回路上可能出现的浪涌为20-40kA，甚至更低。对于非常重要的用户可以在总配电柜、分配电柜、控制系统供电箱实施三级浪涌保护（还可以在每个机柜前再加一级）。24分配电柜被雷击的3.2用电设备的浪涌抗扰度控制系统的用电设备包括：UPS；稳压器；变压器；直流电源装置等。其浪涌抗扰度（以绝缘冲击耐受电压或耐冲击过电压水平表示）应由制造商提供。当制造商没有提供数据时，根据GB

50057，对220/380V三相系统各设备冲击耐受电压额定值规定如下表所示。2627控制系统的用电设备相当于表中的控制室供电箱，所以浪涌抗扰度规定为2.5kV

（1.2/50µs），但UPS可按1.5kV考虑。设备位置总配电柜分配电柜控制室供电箱特殊需要保护的设备耐冲击过电压类别ⅣⅢⅡⅠ耐冲击电压额定值（kV)642.51.53.3

TN-S制配电系统中的SPD的安装方式单级的SPD防护有两大缺点：过大的雷电流而出现的损害概率高；残压正比于雷电流，所以单级SPD会产生高残压。所以在配电系统中，在同一条线 往往配置多级SPD。但此时应检查级间的能量配合和动作时间的配合。28SPD在TN-S系统中的应用实例WhLEBBlsPENTN-S制三相电路的某一级SPD的设置3031进控制室配电箱的交流电源为TN-S制三相220/380V系统时，供电系统中的SPD宜装在主电路空气开关和熔断器的负荷侧。SPD采用共模接法，即在三根相线和PE线之间，各自安装一个过电流保护器和一个SPD，另在中性线和PE线之间安装一个SPD（见上图）。进控制室配电柜的交流电源为TN-S制的单相220V系统时，SPD采用全保护模式，即在相线和PE线、相线和N线之间，各自安装一个过电流保护器和一个SPD，另在中性线和PE线之间安装一个SPD（见下图）。TN-S制单相电路的SPD设置323.4过电流保护器的功能在SPD支

安装过电流保护器以防止SPD在承受长时间的过电压后因过热而引起SPD的损坏，从而导致SPD支路的短路起火。在SPD支

安装的过电流保护器不应在SPD允许通过的最大雷电流下断开，但应能断开该点的工频短路电流。一般供应的熔断器没有冲击电流下的动作特性数据，这给匹配带来了

。因此 采用空气开关。空气开关如选延迟型C型脱扣曲线即有足够的延时躲开冲击电流的作用而保证在雷电流下不断开。过电流保护器应与主电路的过电流保护器满足级间配合要求。333.5控制室供电箱SPD的参数选择控制总配电柜和分配电柜的SPD属电气专业设计。这里仅室供电箱的SPD。A.最大持续运行电压UC的选择Uc值与产品的使用

、电压保护水平有关。Uc选高了，长了，但电压保护水平，即SPD的残压也相应提高，故要综合考虑。对TN-S系统，Uc>1.55U0（U0——最大工作电压）SPD的事故许多是由于Uc数值选得不够高。因此建议取为1.55。可能，在不影响电压保护水平要求的条件下，甚至可以取1.73-2。3435B.标称放电电流In的计算1）雷电流的分配根据IEC

61312-1：1995有关条文的规定，全部的雷电流I（10/350µs）的50%流入外部防雷装置的接地装置，还有50%分配流入各种外来导电物，电力线、信号线、通信线等。如果只考虑TN-S三相五线制供电线路，即还有50%分配流入三相五线制的五根线中。分雷电流的形成分雷电流（系统电流）建筑物100%雷电流接地系统50

%雷电流导体电流3.1%分雷电流12.5%引外系统分雷电流12.5%分雷电流12.5%分雷电流12.5%雷电流分配实例100

kA100

kA200

kA75

kA25

kA建筑物外部LPS系统25

kA/每相25

kA/每相100

kA变压器直击雷保护系统下的分雷电流气水PSC通信MCR100

kA100

kA20

kA20

kA20

kA20

kA20kA200

kA雷击电流的参数首次雷击防护等级雷电流参数符号单位ABCD峰值电流IkA200150100电荷量QshortC1007550单位能量W/RkJ/W10.0005.6252.500时间参数T1/T2µs/µs10/350后续短时雷击防护等级雷电流参数符号单位ABCD峰值电流IkA5037,525平均陡度di/dtkA/µs200150100时间参数T1/T2µs/µs0,25/100长时间雷击防护等级雷电流参数符号单位ABCD电荷量QlangC200150100时间参数Tlangs0,5放电量防护等级雷电流参数符号单位ABCD电荷量QBlitzC300225150保护等级峰值电流（

kA）A200B150C、D100Lit.:

IEC

61024-1-1RstûE

=

î·

Rsttiî算例:ûE

=

100

kA

·

1

=

100

kV10/350

µs波形冲击接地电阻上的电压降如果防护等级为A级，相对于10/350µs波形供电线路中每线荷载的雷电流为Im=200×50%/5=20

kA将20kA,10/350µs波形化为8/20µs波形根据IEC61312，计算单位能量W/R的公式为：W/R=（1/2）×（1/0.7）×I2×T2（J/Ω）式中

：I---雷电

值，kA；T2

---雷电波的半值时间，µs。在单位能量W/R相同的情况下，由上式可得I（20）=I（350）×[T2（350）/T2（20）]1/2则 I（20）=20×[350/20]

1/2=83.7(kA)41控制室电源回路SPD的标称放电电流参考值考虑到在总配电柜后设有多个分配电柜，分配电柜后再供电给包括仪表系统在内的多个负荷，总的83.7kA大的雷电流最后分流到控制系统交流电源系统时已减少到很小。经，按上表选择SPD的标称放电电流值是可以满足要求的。如控制系统交流电源系统的前级没有设置SPD或本级与前级的参数没有协调的话，则标称放电电流宜按括号内的数值选择。C.电压保护水平Up不大于用电设备的耐冲击过电压水平的0.8。防护等级ABCD标称放电电流kA≥20(80)≥15(80)≥10(80)≥5(80)423.6

多级SPD之间的能量配合和动作配合能量配合从前级到后级，标称放电电流逐级减小。。动作配合同一条线

配置多级SPD时，应检查级间的能量配合和动作时间的配合。当不能进行专门的校验时，可选用制造商建议的多级系列SPD产品和级间配合措施。当制造商未提供SPD级间配合措施也未提出级间距离要求且各级SPD的电压保护水平相差不大时，限压型SPD与限压型SPD之间的电气距离不宜小于5m,限压型SPD与电压开关型SPD之间的电气距离不宜小于15m。4344对于电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不宜小于15m,限压型SPD之间的线路长度不宜小于5m的规定，其目的主要是在低压配电线路中安装了多级SPD，由于各级SPD的响应时间的不一,有可能在设计和安装时因能量配合不当，将会出现某级SPD不动作，产生泄流盲点。为了保证前级保护SPD比后级保护SPD先动作,所以两级SPD间必须有一定的线距长度（即一定的感抗或加装退耦元件）来满足避免盲点的要求。现假设电压开关型SPD的响应时间为100ns,限压型SPD的响应时间为25ns,由于电缆中存在着分布电容和分布电感,根据行波理论,雷电流在电缆中的

速度为1.5×108m/s,那么雷电流在这个时间差(100-25)

ns内向前行进的距离为S:S=1.5×108×75×10-9=11.25(m)即电压开关型SPD和限压型SPD之间的距离大于11.25m时,就可以保证前级SPD先动作,从而达到将大的雷电流先泄放掉的目的。由于SPD实际响应时间有一定的误差，所以取15m。如果两级保护的SPD均为限压型，响应时间均为25ns，如果两级SPD动作的时间差也为25ns，那么两级间应相距：S=1.5×108×25×10-9=3.75(m)为保险起见，故取5

m。45如在实际情况中，难以满足上述的距离要求，而参数上也难以配合时，可以在两SPD之间加装退耦装置（即一定的电感量L）来实现。各级电源SPD能量配合的最终目的是将总的

设备安全的电压电流浪涌值减低到被保护设备能耐受的安全范围内，而各级电源SPD泄放的浪涌电流不超过自身的标称放电电流。根据IEC61312-3的规

定，末级电源SPD的保护水平还必须低于被保护设备的冲击耐受电压。46另外：限压型SPD或浪涌保护箱应选具有运行状态指示器和SPD故障脱离器的产品。限压型SPD或浪涌保护箱宜选用具有

指示或

触点的产品。电压开关型SPD可选用具有运行状态指示器的产品。SPD或浪涌保护箱可选用具有雷击计数器或雷电流记录器的产品。在易燃易爆的场所,SPD应安装在介质的所在区域之外。安装于介质或烟尘所在区域的SPD必须通过本安论证，或密封于防爆体内。47DEHN（德国深恩）（D级）浪涌保护器D类SPDE

DIN

VDE

0675-6和-6/A1在L／L与L／G之间有合适的电压保护级别较高的通流容量宽的类型范围标称电压UN

从

24-230

V标称电流IN

16

ADIN-Rail安装方式多种 方式可视操作-/故障指示常闭型

遥信触点4信号、通信线路的SPD的SPD应不会造成现场信号的明显衰减和基本原则：1）信号、通信线加大误码率。2）其紧靠被保护端口的保护元件不得采用气体放电管而应采用高响应速度（有试验报告证实整体SPD响应时间不超过10ns）的精密保护器件。494.1

SPD的配置原则（）凡经室外引入控制系统的信号和通信电缆，如同时满足下列条件时，宜

路两侧装设电涌保护器：重要的控制参数、安全系统参数或通信电缆；雷电防护等级为A级；电缆在室外的敷设长度大于50m。50凡经室外引入仪表系统的信号和通信电缆，如同时满足下列条件时，宜 路靠近控制侧装设电涌保护器：重要的控制参数、安全系统参数或通信电缆；雷电防护等级为B级；电缆在室外的敷设长度大于50m。51凡符合下列情况之一者，可以不考虑装设电涌保护器：室内敷设（符合规范规定的电缆

和敷设要求）的I/O信号和通信电缆；现场端侧的热电偶或热电阻；由配电间、电气控制室以及大功率开关现场端来的强电开关量信号；室外埋地的双层

电缆且两端出地面后在室内，或室外长度小于30m时。52534.2

I/O信号SPD的参数值供电电源为24Vdc信号，电流为（4-20）mA的控制系统I/O信号的SPD参数宜符合下表的规定。防护等级最大持续运行电压Uc标称放电电流In(kA)响应时间ns电压保护水平Up测试波形A级≥30V≥10<5<60V（8/20µs、

1.2/50µs）混合波B级≥10C级≥5D级≥554现场仪表用SPD应安装在与被保护仪表相同的防护、防爆等级的保护箱内。如现场仪表无保护箱，宜用直接拧在变送器备用螺纹电缆接口上的SPD。三线制防爆型SPDRDBKGNYE4.3通信端口上的SPD的主要参数凡通信端口若符合上述配置条件时,应根据线路的：工作频率；传输介质；传输速率；传输带宽；工作电压；接口形式；特性阻抗等参数。选用电压驻波比和 损耗小的适配的SPD。也就是说所选择的浪涌保护器也要具备和通信线路相同的性能。通信端口上的SPD的主要参数宜符合下表的规定。56防护等级标准导通电压标称放电电流In(kA)响应时间

ns电压驻波比dB损耗dB测试波形非双绞线双绞线同轴电缆A级≥1.2Un(Un---最大工作电压)≥10≥10≥20≤10≤0.1≤0.20（8/20µs、

1.2/50µs）混合波B级≥10≥5≥15C级≥5≥3≥10D级≥3≥1≥557以太网SPD10

BASE

2以太网ÜGKF/B-L10

BASE

5以太网系统ÜGKF/N-L视頻现场防雷案例接线盒系统线通信线头头云台分配箱监视器控制台接线盒同轴或双绞线通信线230

V电源线电源系统保护器信息系统保护器云台保护现场设备V2A

外壳IP

67

防腐，防水通过现场设备的接地放