浪涌保護器(SPD)的設置及應用現(xiàn)狀

浪涌保護器（SPD）的設置及在福建省的應用現(xiàn)狀作者：福建省建筑設計研究院 林衛(wèi)東杭州鴻雁電器公司 謝文平摘要：為減少雷電電磁脈沖、開關浪涌等對設備所造成的損壞，本文分析了建筑物內(nèi)電氣設備要設置浪涌保護器（SPD）的原因，列出了部分防雷規(guī)范、規(guī)定及標準，介紹了選用設置各種電源浪涌保護器和信號浪涌保護器的方法；同時本文簡述了浪涌保護器在福建省的應用現(xiàn)狀，對常用幾個廠家的產(chǎn)品進行了市場信息比較，指出浪涌保護器在福建省各個地區(qū)必將得到進一步普及。關鍵詞：浪涌保護器（SPD） 應用 選用設置 電壓保護水平 放電電流 雷電電磁脈沖 （轉(zhuǎn)載請保留電氣論壇 版權?。?在地球上，雷電時時刻刻都存在，國際電工委員會（IEC）將雷電稱之為電子化時代的一大公害。據(jù)統(tǒng)計，在任一時刻平均有2000多個雷暴在進行著，火災、爆炸、建筑物破壞、人畜傷亡、設備損壞等無不與之相連，雷暴被聯(lián)合國列為十大自然災害之一，它嚴重影響著人類的各種活動。我國每年因雷害造成的損失達100億元人民幣。當人類社會進入電子信息時代后，雷災出現(xiàn)的特點與以往有極大不同，可概括為：（1）受災面積大大擴大，雷害從電力、建筑這兩個傳統(tǒng)領域擴展到幾乎所有行業(yè)，特別是與高新技術關系最密切的領域，如航天航空、國防、郵電通信、計算機、電子工業(yè)、石油化工、金融證券等。（2）入侵方式從平面入侵變?yōu)榱Ⅲw入侵，從閃電直擊和雷電波沿線傳輸變?yōu)榭臻g閃電的脈沖電磁場從立體空間入侵到任何角落，無孔不入地造成災害，因而防雷工程已從防直擊雷、感應雷進入防雷電電磁脈沖（LEMP）。（3）雷災的經(jīng)濟損失和危害程度大大增加了。有時候雷電襲擊對象本身的直接經(jīng)濟損失并不太大，而由此產(chǎn)生的間接損失和影響卻難以估量。例如，1999年8月27日下午3點，某尋呼臺遭受雷擊，導致該臺中斷數(shù)小時，其直接損失是有限的，但間接損失大大超過直接損失。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的根本原因是雷災的主要對象已集中在微電子設備上，雷電本身并沒有變，而是隨著科學技術的發(fā)展，微電子技術的應用滲透到各種生產(chǎn)和生活領域，微電子器件極端靈敏這一特點很容易受到無孔不入的LEMP的作用，造成微電子設備的失控或者損壞。為此，當今時代的防雷工作的重要性、迫切性、復雜性大大增強了，雷電的防御已從直擊雷防護進入到感應雷、雷電電磁脈沖等的防護。當然，來自電路的開、斷操作，感性和容性負載的開關操作及來自短路電流的阻斷等引起的開關浪涌也是造成微電子設備失控或損壞的原因之一。美國的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，在保修期內(nèi)出現(xiàn)問題的電氣產(chǎn)品中，有63是由于浪涌造成的。一、浪涌保護器的設置原因雷電防護包括針對建筑物的直擊雷防護，以及針對建筑物內(nèi)設備、人員的雷電波侵入防護和雷擊電磁脈沖防護兩大部分。多數(shù)人對直擊雷防護并不陌生，但對雷電電磁脈沖防護的認識仍非常有限。雷擊發(fā)生時，大約50%的雷電流將沿接閃引下線通路直接泄放入地，頻率成分非常復雜的雷電流快速通過引下線時會感應出極強的電磁場，建筑物中的管線相對切割磁力線產(chǎn)生感應電流（即雷擊電磁脈沖），間接導致設備損壞和人員傷亡；另一方面，至少有50%的雷電流將沿著進出建筑物的管線泄放，對人員和設備構成直接威脅。因此，雷電波侵入與雷擊電磁脈沖防護已成為現(xiàn)代防雷設計的重中之重。依據(jù)IEC61024-1的說明，室內(nèi)雷電保護的主要防護措施是：浪涌保護器安裝和等電位連接。等電位連接的目的，在于減小保護區(qū)間內(nèi)，各金屬部件和各系統(tǒng)之間的電位差。對非帶電金屬體（如水管等）需要采用導線進行等電位連接，對于帶電金屬體（如動力電纜等）需要采用浪涌保護器做等電位連接。如圖1所示建筑物的整體防雷措施。建筑物的防雷保護 外部防雷保護 室內(nèi)防雷保護接閃器 非帶電金屬導體的等電位引下線 連接 接地網(wǎng) 帶電金屬導體（如電源線、建筑物外部屏蔽 通信線）通過浪涌保護器 安全距離 的等電位連接建筑物內(nèi)部屏蔽安全距離 圖1 建筑物的防雷保護措施 我們應根據(jù)建筑物及其設備所處的地理位置（環(huán)境）和功能的重要性大小，相對于不同的要求，按照安裝位置、保護級別和沖擊通流容量，有目的地選用相應型號的浪涌保護器。以下的建筑物和設施特別需要設計安裝浪涌保護器來進行防護。高層建筑賓館、會堂、體育館、展覽館、影劇院、學校、大型商場、醫(yī)院、車站等人流密集場所等大型公共建筑物油庫、液化氣儲氣站、加油站、露天化工設施、煙花爆竹等易爆場所以及糧、棉等重要物資倉庫程控系統(tǒng)、衛(wèi)星接收系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡重要的地面導航設施、鐵路通信設施電力、通信、廣播電視設施重點文物保護建筑其它重要建筑物等。二、部分防雷規(guī)范、規(guī)定及標準 國際標準：低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器(SPD) (IEC 61643) 直接雷擊的防護 第一部分: 基本法則 （IEC 61024-1：1990）雷電電磁脈沖的防護 （IEC 61312-1,-2,-3：1994,95,96）電磁兼容性-EMC （IEC 1000：1995）建筑物電氣裝置 第5-53部分:電氣設備的選擇和安裝-隔離、開關和控制設備 第534節(jié)：過電壓保護器（IEC 60364-5-53：2001 A1） 國家法規(guī)：氣象法防雷減災管理辦法 地方法規(guī)和規(guī)范：廣東省防御雷電災害管理規(guī)定、上海市雷電防護管理辦法、山東省防御和減輕雷電災害管理規(guī)定、沈陽市防御雷電災害管理辦法等各省市的規(guī)定；上海市智能化住宅小區(qū)雷電防護技術導則 國家標準：建筑物防雷設計規(guī)范（GB 50057-94）2000年版交流無間隙金屬氧化物避雷器（GB 11032-2000）電子計算機機房設計規(guī)范（GB 50174-93）電子計算機場地通用規(guī)范（GBT 2887-2000）電子設備雷擊保護導則（GB7450-87）爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范 （GB50058-92） 行業(yè)標準：微波站防雷與接地設計規(guī)范（YD 2011-93）移動通信基站防雷與接地設計規(guī)范（YD 5068-98）通信局（站）接地設計暫行技術規(guī)定（YDJ26-89）通信工程電源系統(tǒng)防雷技術規(guī)定（YD 5078-98）通信局（站）雷電過電壓保護工程設計規(guī)范（YD 5098-2001）電力系統(tǒng)通信站防雷運行管理規(guī)程（DL 548-94）裝卸油品碼頭防火設計規(guī)范 （JTJ 237-99）三、浪涌保護器的選用設置1. 浪涌保護器的分類Surge Protection Device 翻譯成浪涌保護器或電涌保護器，簡稱SPD。按照保護對象的不同分類，SPD可分為電源浪涌保護器和信號浪涌保護器。顧名思義，電源浪涌保護器是指防止由電源線侵入的感應雷電或電涌破壞數(shù)據(jù)、信息、控制等系統(tǒng)的浪涌保護器；信號浪涌保護器是指防止由信號傳輸線侵入的感應雷電或浪涌破壞數(shù)據(jù)、信息、控制等系統(tǒng)的浪涌保護器；按照產(chǎn)品設計的特點分類，SPD可分為電壓開關型SPD（限流型），電壓限制型SPD（限壓型）及組合型SPD三類。按照IEC61312-3文件的要求，電壓開關型SPD一般用在LPZ0BLPZ1區(qū)中，用于電源系統(tǒng)的浪涌保護器，可最大限度的消除電網(wǎng)后續(xù)電流；電壓限制型SPD一般用在LPZ1和LPZ2區(qū)中，可較大程度減低電網(wǎng)上的殘壓；組合型SPD由電壓開關型組件和電壓限制型組件組合而成，可以顯示為電壓開關型或限壓型或這兩者都有的特性，這決定于所加電壓的特性。按照沖擊通流容量和保護級別，SPD可分為第一級、第二級、第三級浪涌保護器（共三級）。表1表示220/380V供電系統(tǒng)的分級保護水平。通過第一級浪涌保護器，防止直接的傳導雷進入 LPZ1區(qū)，將上萬至數(shù)十萬伏的浪涌電壓限制到4000伏以下，通過第二級浪涌保護器，進一步將通過第一級SPD的殘余浪涌電壓限制到2500伏以下，對LPZ1 - LPZ2實施等電位連接。通過第三級浪涌保護器，將殘余浪涌電壓的值降低到1500伏以內(nèi)，使浪涌的能量不致?lián)p壞設備。SPD可以連接在相線對相線、相線對地線、相線對中線、中線對地線及其組合，這些連接方式稱作保護模式。其中，相對相和相對中線稱為差模；相對地和中線對地稱為共模。表1 220/380V供電系統(tǒng)SPD分級保護水平相對SPD的等級要求功能符合IEC標準的最大電壓保護水平設備絕緣耐沖擊電壓額定值SPD型號舉例設備絕緣耐沖擊過電壓類別耐沖擊電壓額定值設備位置類6KV電源處的設備第一級用于防護IEC61024所規(guī)定的直擊雷或臨近雷擊的SPD即LPZ014KV類4KV配電線路和最后分支線路的設備FRD-100/4PFRD-80/4PFRD-60/4P第二級用于遠處雷擊或開關操作在供電網(wǎng)絡產(chǎn)生的過電壓的SPD 即LPZ122.5KV類2.5KV 用電設備（如：電器設備）FRD-40/4PFRD-30/4P第三級在插座出口用于不固定的用電設備的SPD即LPZ231.5KV 類 1.5KV 特殊需要保護的設備（如：電子設備）FRD-20/4PFRD-10/4P2. 浪涌保護器主要技術參數(shù)：1) 標稱導通電壓Un浪涌保護器的起始動作電壓，它與被保護系統(tǒng)的額定電壓相符，在信息系統(tǒng)中此參數(shù)表明了該選用的保護器類型，它標出直流電壓或交流電壓有效值。2) 最大持續(xù)運行電壓Uc能長久加在浪涌保護器指定端，而不引起浪涌保護器特性變化和激活保護元件的最大電壓有效值，等于浪涌保護器的額定電壓。3) 標稱放電電流（即額定通流量）In給浪涌保護器施加波形為標準8/20s沖擊10次，保護器的額定參數(shù)值變化不超過規(guī)定值時所能耐受的沖擊電流峰值。4) 最大放電電流（即最大通流量）Imax給浪涌保護器施加波形為標準8/20s沖擊1次時，保護器所能耐受的沖擊電流峰值。5）脈沖沖擊電流Iimp標準的10/350s雷電模擬波，主要參數(shù)：電流峰值、電量、比能。它是模擬直接雷擊的波形。用于電源的第一級保護SPD，反映了SPD的耐直擊雷能力（采用10/350s波形）。包括幅值電流Ipeak和電荷Q，其值可根據(jù)建筑物防雷等級和進入建筑物的各種設施（導電物、電力線、通訊線等）進行分流計算。6）殘壓（限制電壓）Un雷電放電電流通過浪涌保護器時，其端子間呈現(xiàn)出的電壓值。7）電壓保護水平Up浪涌保護器兩端通過標稱放電電流時，在其兩端產(chǎn)生的最高限制電壓（殘壓）。8）數(shù)據(jù)傳輸速率信號浪涌保護器接入計算機等信號傳輸線后，不影響系統(tǒng)傳輸時的上限傳輸速率。9） 插入損耗在規(guī)定頻率的系統(tǒng)中接入浪涌保護器所帶來的信號損耗，用分貝表示。3. 電源浪涌保護器的設計選型在電源線路上安裝浪涌保護器，目的是為了將線路上由于雷擊或其它浪涌產(chǎn)生的電壓限制在一個安全的水平。根據(jù)上述可知，經(jīng)過多級浪涌保護器，可以把過電壓逐級降到無害的量值以下。（1） 考察建筑物所處地理位置及供電進線方式首先要了解建筑物的環(huán)境及供電進線是架空或埋地，目的是選擇浪涌保護器的通流容量。推薦選擇第一級浪涌保護器的最大通流量應大于以下標準值：高山站（架空進線）：100KA（8/20s）或12.5KA（10/350s）郊 區(qū)（架空進線）：60KA（8/20s）或12.5KA（10/350s）城市內(nèi)（埋地進線）：40KA（8/20s）第二級浪涌保護器的最大通流量應選擇大于2040KA（8/20s）；第三級浪涌保護器要求的最大通流容量應大于1020KA（8/20s）。（2）檢查建筑物內(nèi)供電系統(tǒng)的類別單相、三相及直流供電系統(tǒng)在220V單相供電系統(tǒng)中，只需選用兩片保護模塊組合。如FRD-20-2A，F(xiàn)RD-40-2A。在380V三相供電系統(tǒng)中，則需根據(jù)不同的供電接地系統(tǒng)選擇三片或四片保護模塊組合。在直流供電系統(tǒng)中，需要根據(jù)直流電壓值來選擇浪涌保護器，浪涌保護器的最大持續(xù)工作電壓（Uc）值在直流電壓值的1.5倍2.2倍之間選取。一般只需選用兩片保護模塊組合，如FRD-20-2A-DC（48），F(xiàn)RD-40-2A-DC（48）。TN、TT及IT不同配電接地系統(tǒng)在TN-C-S制式配電系統(tǒng)中，N 線和PE線在低壓側(cè)未分開前（合PEN線），浪涌保護器常作進線第一級保護只需選用三片保護模塊組合，如FRD-80-3A-4、FRD-60-3A-4，三根相線（L1，L2，L3）通過浪涌保護器連到PEN線。PEN線分開為N 線和PE線后，浪涌保護器需選用四片保護模塊組合，如FRD-40-3A-5、FRD-20-3A-5，三根相線（L1，L2，L3）和一根中線（N）通過浪涌保護器連到PE線。在TN-S制式的配電系統(tǒng)中，浪涌保護器需要選用四片保護模塊組合，如FRD-60-3A-5、FRD-40-3A-5。三根相線（L1，L2，L3）和一根中線（N）通過浪涌保護器連到PE線。對TN系統(tǒng)的低壓配電線路，入戶為低壓架空線路宜安裝三相電壓開關型SPD作為第一級保護；分配電柜線路及設備電源后的第二、第三級保護宜選用電壓限制型SPD。入戶為低壓埋地線路的SPD保護，其第一、第二、第三級均推薦選用電壓限制型SPD。在TT制式的配電系統(tǒng)中，浪涌保護器需要選用3+1保護模塊組合，如FRD-20-3A-NPE、FRD-40-3A-NPE。三根相線（L1，L2，L3）通過電壓限制型SPD連到中線（差模），中線（N）通過電壓開關型SPD連到PE線（共模）。在IT制式的配電系統(tǒng)中，因線路無中線（N），浪涌保護器只需選用三片保護模塊組合，如FRD-60-3A-4、FRD-40-3A-4。三根相線（L1，L2，L3）通過電壓限制型SPD連到PE線。（3）了解電源電壓是否穩(wěn)定了解電源電壓是否穩(wěn)定，是為了能合理選擇最大持續(xù)工作電壓（Uc）和殘壓（Ur）。最大持續(xù)工作電壓（Uc）是關系到浪涌保護器及被保護設備運行穩(wěn)定的重要參數(shù)。對于電壓限制型SPD，最大持續(xù)工作電壓（Uc）值越低時其殘壓（Ur）值也越低。但是在工作電壓不穩(wěn)定的地方，必須選擇有較高最大持續(xù)工作電壓（Uc）值的浪涌保護器（以防止不穩(wěn)定電源電壓大于浪涌保護器的最大持續(xù)工作電壓），這樣就意味著浪涌保護器殘壓會抬高。因此，要根據(jù)具體情況來確定最大持續(xù)工作電壓（Uc）值。一般電源電壓正常穩(wěn)定情況下，Uc可在被保護設備工作電壓的1.5倍2.2倍之間選取，推薦值為交流440Vrms。（4）了解接地電阻值的大小在高接地電阻環(huán)境下浪涌保護器的選擇應該采用3+1結構的SPD ，該類型SPD由三個電壓限制型保護模塊和一個電壓開關型保護模塊組成。電壓限制型保護模塊安裝在相線與中線之間，電壓開關型保護模塊安裝在中線與地線之間。如：FRD-20-3A-NPE、FRD-40-3A-NPE。電網(wǎng)故障時，在接地電阻高或地線接觸不良的情況下，相線與地線回路阻抗很大，故障電流經(jīng)浪涌保護器流入地線的電流很小，不足以使前級斷路器（空開）跳脫。采用該結構SPD因三個電壓限制型保護模塊安裝在相線與中線之間，相線與中線回路阻抗很小，故障電流流經(jīng)浪涌保護器的電流足夠使前級斷路器（空開）跳脫，從而使浪涌保護器與電網(wǎng)隔離。（5）報警功能的選擇為了監(jiān)測浪涌保護器的運行狀況，當浪涌保護器出現(xiàn)損壞時，用戶應及時知道并及時更換損壞的模塊。為了在不同應用環(huán)境下可以實現(xiàn)即時檢測，需要選擇特定環(huán)境的報警裝置?？梢晥缶?適用有人值守的環(huán)境聲光報警 適用有人值守的環(huán)境遙信報警 適用無人值守的環(huán)境（6） 后備保護空氣開關的選擇基于電氣安全原因，任何并聯(lián)在市電電源系統(tǒng)相對中或相對地的電氣元件，為防止故障短路，必須在該元件前安裝短路保護裝置，如空氣開關或熔斷器。對于浪涌保護器后備保護空氣開關的選擇，根據(jù)經(jīng)驗，推薦第一級浪涌保護器前設50A空氣開關（C脫扣曲線）或熔斷器，第二級前設32A空氣開關（C脫扣曲線）或熔斷器，第三級前設20A空氣開關（C脫扣曲線）或熔斷器，（7） 其它注意事項多級保護的浪涌保護器線路安裝距離須滿足：第一級與第二級之間應大于10m，第二級與第三級之間應大于5m，否則各級之間應加裝去耦電感。為在某些空間有限的場合方便地實施規(guī)范的分級浪涌保護器的安裝，有些廠家設計開發(fā)了串聯(lián)型電源浪涌保護器，根據(jù)具體需要內(nèi)置兩級或三級不同等級的浪涌保護器，并充分考慮到級間耦合和器件保護等因素，施工安裝很方便，但設計時需考慮負載電流，以使串聯(lián)型電源浪涌保護器滿足要求。如FRDS-40-100-2B，該型號串聯(lián)型電源浪涌保護器內(nèi)置兩級不同等級（分別為In=40KA和In=20KA）浪涌保護器，其額定負載電流為100A。另外，在浪涌保護器安裝時，接入浪涌保護器的導線應遵循短、直、粗的原則，一般要求出入浪涌保護器的導線總長度不大于0.5m。4. 信號浪涌保護器的設計選型信號浪涌保護器的選型和安裝是防雷項目中最復雜、最容易出問題的環(huán)節(jié)。它不同于直擊雷防護，即使沒有雷電波侵入，仍可能由于設計失誤或產(chǎn)品選擇不當，導致保護無效、數(shù)據(jù)包丟失甚至通信中斷。因此，必須在詳細了解相關設備的基礎上，根據(jù)通信線路（DDN、ISDN、ADSL以及無線信道等）、通信接口（RS-232等）、供電方式（交、直流）、工作頻率、帶寬等要求，選擇插入損耗小、響應速度快、頻帶寬、通流量大的電涌保護器。（1）了解通信線路是否由架空引入，以確定是否進行兩級防護。如有架空線引入的情況，通常需考慮進行兩級防護。如沒有架空線引入，一般只需考慮進行單級防護。（2）電壓等級的選擇通信線路浪涌保護器的最高工作電壓的選擇，是依據(jù)通信線的工作電壓來確定的。一般情況下，通信浪涌保護器的最高工作電壓必須大于信號線工作電壓的1.2倍。（3）速率匹配的選擇不同的通信系統(tǒng)的傳輸速率有所不同，通信線路浪涌保護器是串聯(lián)安裝在信號線上，其支持的速率應不小于通信系統(tǒng)本身的傳輸速率，否則將導致通信中斷或誤碼率的增加，影響通信系統(tǒng)的正常工作。（4）接口類型的選擇通信線路浪涌保護器是串聯(lián)方式安裝在線路上的，為了匹配阻抗及保持最小的接觸電阻，應該選擇與通信線上同類型的接口，對于RJ，SD類型接口要注意線對配合，對于同軸接口要注意公母配合。四、浪涌保護器（SPD）在福建省的應用現(xiàn)狀近年來，在郵電、通信、金融、證券、鐵路、電力等專業(yè)部門，浪涌保護器已經(jīng)得到廣泛的應用，在國內(nèi)有些城市特別是大城市，如北京、上海、廣州等城市，相繼出臺了地方法規(guī)和規(guī)范，雷電電磁脈沖防護得到了足夠的重視，浪涌保護器在各行各業(yè)特別是新建建筑領域得到廣泛應用，如上海市的智能化住宅小區(qū)雷電防護技術導則明確要求高層、小高層的低壓配電系統(tǒng)必須進行三級保護。福建省地處沿海發(fā)達地區(qū)，同時也是雷電多發(fā)區(qū)（國家氣象局對福建省各地市的年平均雷暴日的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，福建省絕大部分地區(qū)屬多雷區(qū)甚至強雷區(qū)），其部分地區(qū)的年平均雷暴日如下表2。但福建省在雷電電磁脈沖防護方面還未得到人們及政府足夠的重視，目前還未出臺相應的地方法規(guī)。根據(jù)市場調(diào)查，福建省在郵電、