低压配电房电源用SPD选型原则与方法

　　摘要：本文根据低压配电房电源系统所遭受雷电应力侵害的情况，详细分析了影响雷电应力波形的因素，提出了低压配电房电源用SPD的选型必须坚持全面适用原则，综合防雷原则和科学合理的原则，并为SPD选型提供切实可行的方法，以指导工程实践。

　　关键词：低压配电房;SPD;选型;原则;方法

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　　0 引言

　　低压配电房电源用SPD的选型主要根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010的有关规定来进行的，其核心思想是依据被保护对象遭受雷电应力的具體情况，检测、分析、归纳出雷电应力的主要技术参数，然后按照被保护对象的耐受能力，选择适用的SPD对其所遭受的雷电应力进行限制，使被保护对象得以保护，减少不必要的损失。然而，从目前的实际应用情况来看，设计、施工、检测单位通常为了省事，并没有对被保护对象所遭受的雷电应力状况进行调查、监测和分析，而是按照国家标准的通用原则外的标准来选择SPD的参数，这种方法往往会造成被保护对象得不到有效的保护，出现保护功能先天不足的状况，雷击事故时有发生。为了解决这些存在的先天不足问题，作者认为，在进行SPD的参数选择时，应该坚持全面适用、综合防雷、科学合理的选型原则。

　　1 在进行SPD参数选型前，应坚持全面适用的原则

　　全面分析被保护对象所遭受雷电应力的性能参数，在进行SPD参数选择前，必须弄清楚两个问题：一是被保护对象的性能;二是被保护对象所处的雷电电磁环境。进而分析出被保护对象遭受雷击的通道和雷电应力的波形。侵入低压配电房的雷电应力波形的不同决定了SPD选型时其性能参数选择的差异，也决定了被保护对象保护的连续性，因此，应坚持全面适用的原则，具体分析侵入低压配电房的雷电应力波形，那么，影响雷电应力波形的因素有哪些呢？

　　在进行SPD选型时，主要考虑的性能参数有通流容量、电压保护水平、最大可持续运行电压等等。这些参数与雷电应力的波形有极大关系，而入侵的雷电应力波形的波头时间、波尾时间、幅值等决定了雷电应力波形的特征和属性。因此，我们必须搞清楚不同的因素对雷电应力波形特征和属性的影响，进而弄清楚反映雷电入侵波形所反映出来的主要性能参数，从而决定SPD的选型参数，以达到对被保护对象的连续保护的目的。

　　1.1 雷击类型对侵入低压配电房雷电应力波形的影响

　　雷电可以有多种方式在进入低压配电房的电源线路上产生过电压行波（雷电应力波形）。过电压行波的波头时间主要与雷电流波形和过电压行波的传播距离相关，而其波尾时间主要与过电压行波的传播距离、雷击类型和避雷器的配置相关。不同的雷击类型对侵入低压配电房雷电应力波形的主要影响如下：

　　①当雷击位置距离低压配电房较近，线路发生绕击闪络时，输电线路高压侧避雷器作用时间较短，入侵波过电压幅值较小，形成的雷电应力波的类型是短波头短波尾入侵波。

　　②当雷击位置距离低压配电房较近，发生绕击未闪络时，输电线路高压侧避雷器作用时间较长，入侵波过电压幅值较大，形成的雷电应力波的类型是短波头长波尾入侵波。

　　③当雷击点距离低压配电房较远，输电线路发生绕击未闪络时，输电线路高压侧避雷器作用时间长，过电压波形幅值相对较大，容易形成的雷电应力波形为长波头长波尾入侵波。

　　④当雷击点距离低压配电房较远，输电线路发生绕击闪络时，输电线路高压侧避雷器作用时间短，过电压波形幅值相对较小，易形成的雷电应力波形为长波头短波尾入侵波。

　　显然，不同的雷击类型形成不同波形的雷电入侵波，波形不同所反映的雷电应力的性能参数是不同的，这对SPD参数的选择影响是很大的。

　　1.2 架空线路对进入低压配电房的雷电过电压波的影响

　　雷电流在理想线路上传播时，其能量不会发生损耗，波形不会发生畸变。但在现实中，雷电流并非在理想线路上传播。在现实中，雷电流在线路上传播时，会发生能量损耗，波形亦会发生变化。如图1所示，当雷电流波在现实线路上传播时，R和G的存在使得部分能量转化为热量而消耗掉，导致雷电流衰减;L、C的存在使得部分能量用于建立电磁场，而存储于电磁场中，这不但导致雷电流波衰减，而且由于电磁场的建立与频率有关，故而容易造成雷电流波形的畸变。一般情况下，雷电流高频分量损耗较快，而低频分量损失较慢，故波形有逐渐变缓的趋势。

　　根据对图1的分析，我们可知，架空电力线路的分布参数对雷电波的传输具有很大的影响：一是雷电波在电力线路传播的过程中，由于电场能量和磁场能量的存储和耗散必将导致雷电波的衰减;二是对于一般的电力线路，磁场能量耗散快于电场能量的耗散，导致电场能量不断向磁场能量转换，造成雷电波在传输过程中不断发生负反射，其波头不断被削平，波尾逐渐被拉长;三是由于集肤效应，导线电阻随着频率的增加而增加，雷电波头较陡的行波沿线传播时衰减较显著。因此，我们在确定进入低压配电房的雷电波参数时，应当充分考虑电力线路分布参数的影响。

　　1.3 低压变配电房内设备对雷电过电压行波传播的影响

　　低压配电房内有许多设备，对雷电过压行波会产生不同的影响，其中变压器出线端布置的电压互感器和变压器保护用的避雷器对雷电过电压行波的传播造成影响，但两者的影响程度是不同的。对于电压互感器，可以将其等效为电容，其容抗的计算公式为：

　　由于雷电过压行波和高频成分较为丰富，其电压互感器的等效阻抗达到几十千欧，远大于母线和电力线路的波阻抗，因此，可以认为电压互感器对雷电过电压的传播有一定影响，但效果不显著。

　　避雷器是变配电房内雷电过电压保护的主要设备，现今最常用的ZnO避雷器具有较好的非线性伏-安特性。低压变配电房内的避雷器对雷电过压行波过电压具有显著的抑制作用，是良好的雷电流的能量释放通道;同时，避雷器还通过“闸顶”的方式抑制雷电过压，其不改变波头上升斜率，但改变波头和波尾的时间。通过这种方式，雷电过压的波峰被削平，形成一个变化缓慢的电压波形。

　　2 在进行SPD参数选型时，应坚持综合防雷的原则

　　SPD的安装和使用是对被保护对象实施综合防雷防护的关键措施之一。

　　如图2所示，综合防雷措施的主要内容包括：外部防雷措施（接闪器、引下线、接地装置）和内部防雷措施（屏蔽、接地、等电位连接和SPD使用）。为了确保SPD的保护性能得到最佳发挥，在进行SPD参数选型时，必须按照综合防雷的原则，做好如下几个方面的技术工作：

　　①为了确保SPD的安全使用，发挥其最佳保护效能，必须做好外部防雷措施和内部防雷的其他措施。具体来讲，就是要做好接闪器、引下线、接地装置、屏蔽、等电位连接等防雷措施以后，再考虑如何安装SPD，才能确保被保护对象得到了综合防雷保护。

　　②为了有效保护被保护设施、设备免遭雷电应力的侵害，必须按照综合防雷的原则，慎重选择设计、安装SPD的位置和SPD的類型。SPD安装位置的选择必须一方面完全堵塞雷电应力侵入设施/设备的通道，另一方面应根据侵入雷电应力的强度的衰减程度划分不同的防雷区确定SPD的安装位置。而SPD的类型的选择应依照侵入电应力不同，来选取符合Ⅰ类、Ⅱ类或Ⅲ类试验要求的SPD;考虑包含于雷电电涌中的电应力因素是正确选择SPD的关键;Ⅱ类或Ⅲ类试验的SPD也适用于靠近被保护设备安装。

　　③正确选择各级电力线路上所安装的SPD的级数。确保SPD的安装级数的根本目的就是确保雷电应力经过SPD的损耗和衰减后，传送至被保护设备的残压小于设备的绝缘耐受电压。确定SPD安装级数的方法有很多，主要包括：1）根据防雷区的划分来确定SPD的安装级数和安装位置。2）采用风险分析的方法来确定SPD的安装级数。风险分析分两种类型：基本分析是用来确定安装SPD的必要性;第二种类型的分析用来确定设备入口处或紧靠设备处SPD的能量耐受值。是否使用SPD的决定取决于很大范围的参数，例如，环境、设备和设施、经济和服务中断、安全、保护成本等参数，这些参数应由用户确定;如果已确定使用SPD，则应根据被保护对象的暴露水平来确定SPD的安装位置和级数。3）通过分析SPD之间、SPD与被保护设备之间的能量配合状况来确定SPD设计安装级数。4）SPD安装级数的选择还应充分考虑经济合理性，如果SPD安装后的保护成本小于因电涌造成设备损坏的成本，则应该从综合防雷的角度，建议使用多级SPD进行保护。

　　3 在进行SPD参数选型时，应坚持科学有效的原则

　　SPD参数的选择，应充分考虑其保护性能的科学有效性。SPD安装在被保护线路上时，要达到其保护效果，应对SPD性能参数的选择、SPD的安装方式和辅助器件的特性等高度重视，保证SPD的实际运行是科学有效的。

　　3.1 正确选择SPD的关键性能参数：Uc、UT、In、Iimp、Imax、Up

　　①SPD的最大持续运行电压Uc值应满足以下要求：Uc应该比系统中可能产生的最大持续工作电压Ucs要高，即Uc>Ucs;对于IT系统，Uc应该足够高使其能耐受首次故障状态。

　　②SPD的暂时过电压的UT值应该高于由于低电压系统出现故障在被保护装置上预期出现的暂时过电压（TOV），即UT>UTov（Lv）。

　　③正确选取In、Iimp、Imax值。

　　In与保护水平Up有关，Imax和Iimp则由安装点需要耐受的能量来决定;选择SPD的能量耐受（根据试验类别选择，Iimp、Imax）必须基于风险分析，它比较了雷电电涌发生的概率、被保护设备的价格和可接受的事故率;当使用多个SPD时，还需完成配合分析。

　　当采用SPD来限制雷电电涌时，在被保护设施起点处每种所需保护模式的In应满足：In≥5KA（8/20μS）。

　　当按照“3+NPE”方式安装SPD时，在被保护设施起始点处连接在N-PE之间的SPD的In值应满足：在三相系统中，In≥20kA（8/20μS）;在单相系统中，In≥10kA（8/20μS）。

　　在有可能发生直击雷的雷电保护系统中安装SPD时，应评估雷电冲击电流。对于这个评估，应该考虑安装在SPD上游的部件，例如：熔断器、电线截面等。在没办法进行评估的场合，每种保护模式的Iimp值不得小于12.5kA。

　　当SPD按照“3+NPE”方式安装时，连接在N-PE之间的SPD的Iimp计算应该与GB50057一致。如果不能估计电流值时，Iimp应满足：在三相系统中不小于50kA，在单相系统中不小于25kA。

　　④正确选择SPD的Up值。在进行SPD的电压保护水平值选择时，应充分考虑被保护设备的电涌耐受（或关键设备的冲击抗扰度）和系统的标称电压。电压保护水平值越低，其保护性能就越好。然而，Up值的选择还受到Uc、UT值选取的限制，还受SPD的劣化和与其他SPD之间配合的制约，同时也和SPD的放电电压有关。为了实现SPD的最佳过压保护，SPD的连接导线应尽可能短;为了减少振荡现象对SPD保护距离的影响，当SPD被用来保护特定设备或当SPD装在主配电盘上而不能为某些设备提供足够保护时，SPD应尽可能地靠近被保护设备。

　　⑤在选择SPD的性能参数时，还要充分考虑SPD之间以及SPD与被保护设备之间的能量配合问题。

　　3.2 正确选择SPD的安装方式

　　要达到正确选择SPD安装方式，必须充分考虑以下问题：

　　①低压配电线路的接地形式的不同决定了SPD的不同安装模式（保护模式）。根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010附录J的规定。SPD在TT系统、TN系统和IT系统中的安装存在差别。但从其保护模式来看，不外乎分为如下两种：一是在每条相线和总接地端子之间或保护导线之间，在中性线和总接地端子之間或保护导线之间，以连接线较短为优先原则的保护模式;二是在每条相线和中性线之间，在中性线和总接地端子或保护导线之间，以连接线较短为优先原则的保护模式。

　　②必须充分考虑振荡现象对SPD保护距离的影响。振荡现象会引起被保护设备失效，当SPD和被保护设备之间的距离太长，设备端产生的振荡电压值普遍高至两倍的Up，在某些情况下，甚至超过这个水平。因此，当SPD被用来保护特定设备或当SPD装在主配电盘上而不能为某些设备提供足够的保护时，SPD应尽可能地靠近被保护设备。

　　③应认真分析SPD两端连接导线长度的影响，选择正确的SPD安装方式。当SPD两端的连接导线较长时，将使SPD的保护性能下降。传递至设备的残压为SPD残压和沿导线感应电压降之和，因此，若SPD两端连线过长，可能需要选择一个有更低电压保护水平的SPD来提供有效的保护，所以，在选择SPD的安装方式时，SPD的两端连接导线应尽可能短，以实现最佳的过压保护。

　　④设备所处在的防雷区保护区域的不同，SPD的安装方式也是不同的。这是要充分分析SPD的安装位置及SPD的试验类型。防雷区的划分是根据各区雷击电磁场强度衰减的程度来进行分区的，一般来说，在LPZO与LPZ1分界处应选择I级试验的SPD进行安装，后续防雷区之间可选择Ⅱ级试验或Ⅲ级试验的SPD进行安装，Ⅱ级、Ⅲ级试验的SPD也适用于靠近被保护设备安装。

　　⑤附加保护的必要。在一些特殊情况下，可能需要在尽可能靠近被保护的设备处增加附加的保护器件：一是存在很敏感的设备（电子设备，计算机）;二是位于入口处的SPD和被保护设备之间的距离过长;三是由雷电冲击和内部干扰源引起的建筑物内部的电磁场。

　　3.3 密切关注SPD的辅助器件的特性要求

　　①后备保护装置设置应科学有效。后备保护装置应具有热保护、短路保护和间接接触保护功能。后备保护装置设置的位置应充分考虑两个方面的因素：后备保护装置装在SPD回路中还是主要线路上，一是取决于其与主线路过电流保护器的配合;二是取决于是否需要持续保护还是持续供电两者之间的平衡。

　　②雷击事件计数器的功能应尽量齐全。该计数器应能检测出电涌次数，并给出电涌的幅值和波形信息，用于判断SPD安装位置的严酷程度或是否需要更换;同时，一些较为复杂的计数器应能给出一些统计数据，例如雷电电涌发生的频率、时间和日期及所含的能量等。

　　③SPD状态指示器应科学有效，能够判断出SPD是在工作状态还是已经失效。当SPD失效时，状态指示器还可提供电的、可视的或听得见的报警。

　　综上所述，在进行低压配电房电源用SPD选型时，首先必须坚持全面适用的原则，弄清被保护设备的性能及其所处的电磁环境状况;其次必须坚持综合防雷原则，全面堵塞危害被保护设备的雷电应力通道，确保被保护设备的通道安全;再次必须坚持科学有效的原则，就是对所采用的SPD的性能参数、安装方式等进行合理选择，在兼顾效益的前提下，确保其对被保护设备的科学有效的保护。

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