[分享]SPD设计使用中若干问题的探讨—与林维勇教授的请教

风火雷神

SPD设计使用中若干问题的探讨

 

 

关鍵词／Keywords：

雷击电磁脉冲防护；电涌保护器SPD；波形选择；设置配合；后备保护

最近我刊进行的SPD产品应用调查结果显示，业内专家特别关注在实际的工程中，SPD应用中存在着的如被保护的系统屏蔽差、没有采取等电位连接措施、接地不规范、安装SPD不符合相关规范要求等诸多的问题，这些问题的存在一定程度上使雷电感应高电压以及雷击电磁脉冲入侵概率大大提高，从而造成相应的电子、电气设备的损失。

为此，我们结合调查中广大读者所普遍关注的问题，专程请教了我国著名防雷专家、《建筑物防雷设计规范》GB50057—1994（2000年版）的主要起草人林维勇教授级高工。现将有关情况总结如下，供广大技术人员参考。

目前我国关于雷电防护的标准主要有《建筑物防雷设计规范》GB50057—1994，以及其他行业例如电力、石油、铁道、邮电通信、气象等的行业规范中的有关条款。其中涉及SPD产品使用的条款很多，但也多有矛盾之处。

虽然国家规范《建筑物防雷设计规范》GB50057—1994（2000年版）第六章防雷击电磁脉冲对SPD的设计有一定的规定，对SPD的选用也提出了相关的设计要求。但还是有电气设计人员提出其可操作性和实践性不强，比如第六章第6．1．2条“一个信息系统是否需要防雷击电磁脉冲，应在完成直接、间接损失评估和建设、维护投资预测后认真分析综合考虑，做到安全、适用、经济。”的可操作的问题。

作为国家规范《建筑物防雷设计规范》GB50057—1994（2000年版）的主要起草人，请您介绍一下对于《建筑物防雷设计规范》GB50057—1994（2000年版）未来的修订方向？
您提到了GB 50057—1994（2000年版）第六章6．1．2条的可操作性问题，是的，它的确是很难定出一个具体且简单的计算方法的，其最关键之处是如何估算出间接损失，这是很难的。因此，只能定出一个模糊的逻辑概念。

综观国际电工委员会TC8l编制的标准，已公布出版的IEC TR 61662：1995《雷击损害风险的评估》（Assessment of the risk of damage due to lightning）及其修改1（Amendment l：1996）均是技术报告（TR），而非标准，仅供各国制定标准参考。其计算方法过于繁杂，难于在实际设计工作中应用。

近一段时期以来，TC81正全面修订其以前的所有出版物，包括上述的IEC TR 61662，其标准号定为IEC 62305—2《防雷，第2部分：风险管理》（Risk management），其81／241A／CDV草案经投票，已通过。但投反对票者占24％，略少于25％的界限值，如果反对者＞25％将通不过。因此，负责编制这部分标准的第9工作组（WG9）在其活动报告中指出，工作组讨论了这24％的反对票，一些代表表示了意见，即如果IEC 62305—2改为技术规定（TS），则其最后草案（FDIS）的投票将会得到更多投赞成票的结果。讨论的结论是，仅在对最后草案（FDIS）的投票没有通过后TC81可考虑将其改为技术规定（TS）。此外，与81／241A／CDV文件配套另编了一个软件（输入一些特定数值，很快就得出结果）征求意见，以供实际应用。活动报告对该软件的意见是：讨论证实了，并不想将软件与所编标准分开销售。其重要原因是：不能将该软件视为使用整本标准的替代物。

从以上的介绍可看出，风险评估不是从计算几个简单算式就可得出结果的。

我建议在即将进行修订的防雷规范中应尽可能将此问题反映在建筑物防雷分类和防雷措施上，以便于实际的应用。

在有关低压电源系统SPD的选用标准中，对电源线路进户处所安装的第一级SPD要求采用GB 18802.1—2002／IEC 61643—1：1998标准规定的I级试验，而雷电流的分流基准采取建筑物防雷分类的第一、二、三类防雷建筑物遭雷击时的雷击总电流。

争论的焦点在于I级试验的电流波形（10／350μs）的波尾长度较传统的试验电流波形（8／20μs）长得多，而且对SPD的放电电流要求比现在的高低压避雷器标称电流（标称放电电流通常为5、10kA，8／20μs）大得多，因此SPD的标称放电电流没有必要定到40～100kA或更高，最多用20～30kA也就足够了。争论的另一种意见从我国通信基站SPD雷击损坏的比例高达5％～7％这一事实出发，提出60kA不行就上80kA，80kA不行就100kA。

这样使得是否应该采用10／350μs电流波存在着明显的两极分化，一种是没有严格区分不同工程的具体条件滥用了10／350μs波形，并且对这种波形下SPD的Iimp。电流也扩大到几十千安甚至100kA：另一种意见是拒绝采用10／350μs波形，只认可8／20μs。

您对这些争论有何看法？您的意见是什么？

[此贴子已经被通天雷神于2007-11-2 12:57:42编辑过]

ghbit

学习学习~~

通天雷神

这篇文章满好的。但是看明白的人不多。

通天雷神

有关SPD产品质量的问题

 

张丰收：对于产品质量，目前市场上的SPD产品良莠不齐，用户与设计工程师对此类产品的质量保证存在一定的疑问。可见，对此类产品的可靠性、产品检验规范性的期待，是SPD的应用水平亟需提高的重要因素。因为SPD本身的产品质量因素同SPD的安装设计因素一样是防雷工程是否起作用的两大因素之一，产品质量保证不了防雷工程就是一条腿走路，防雷工程可靠性更无从谈起。

 

关于SPD多片并联及使用可靠性的问题您有何意见？

 

林维勇：SPD多片并联在技术上对并联各片的特性的一致性要求高。通常这类产品的体积较大，不好安装在配电箱内。其价格一般较高。每片的保护是采用熔断器，并应按SPD每片能承受的雷电流来确定熔片的熔断电流值，而不是按50Hz的短路电流确定。

 

结束语

 

张丰收：谢谢林教授根据国际国内有关标准和规范，结合工程实际，就SPD在设计使用中，我们所普遍关注的上述问题作了详尽的讲解。在此，我代表广大从事雷电防护工作的工程技术人员，再一次向您表示衷心的感谢。

 

林维勇：谢谢。

 

通天雷神

RCD与SPD的关系问题

 

张丰收：您刚才谈到了RCD的问题，那么关于RCD跳闸还是报警的问题，以及从人身安全的角度的问题，您有何看法？其中的接地和等电位连接应注意些什么？

 

林维勇：安装在SPD支路上的RCD宜动作于报警以便于维护。人身安全、接地和等电位连接与通常的要求和做法是一样的。

 

关于Ⅲ级分类试验的Uoc／Isc的问题

 

张丰收：设计院颇为棘手的是绝大部分SPD供应商没有提供相应的技术参数，对此，有关的SPD供应商尤其是国内的SPD生产厂家应引起足够的重视，国标《低压配电系统的电涌保护器（SPD）第1部分：性能要求和试验方法》GBl8802.1—2002对Ⅲ级复合波形试验（主要针对终端设备的电涌保护）已有专门的试验要求，像德国的菲尼克斯（PHOENIX CONTACT）就在技术样本上标出了终端设备SPD的Uoc值，电气设计人员选用时就极具针对性。

 

您对Ⅲ级分类试验中Uoc／Isc的问题有何看法？

 

林维勇：做Ⅲ级试验的发生器，其虚拟阻抗标称值为2 ，虚拟阻抗定义为开路电压Uoc的峰值与短路电流Isc的峰值之比。您提及的国标GBl8802.1中就规定“开路电压的峰值和短路电流的峰值的最大值分别为20kV和10kA。在这些值（20kV／10kA）以上，应进行Ⅱ级试验。”这就是说Ⅲ级试验的SPD，其8／20μs的最大电流只做到10kA，若需要更大的电流就采用Ⅱ级试验的SPD。此外，还规定，“SPD的Ⅲ级试验，采用复合波发生器，开路电压等于制造厂规定的Uoc。……进行预处理时，标称放电电流用Uoc代入。”进行动作负载试验时，用0.1、0.25、0.50、0.75、1.0Uoc，即用Uoc代替Imax。

通天雷神

关于SPD的后备保护的问题

 

 

张丰收：SPD是保护电气、电子设备的器件，其本身的安全性和可靠性是非常重要的。SPD都应在SPD劣化时有热脱扣装置，在升温到120℃时应脱扣从并联线路中断开，保证不发生火灾、爆炸等事故。

 

 

在线路配合实际中，SPD的后备保护型式有熔断器、断路器和剩余电流保护器（RCD）三种。在国内外公司SPD的样本中，对SPD后备保护的推荐方案比较乱，通过配套验证的恐更少，一般熔断器作后备保护是最常用的方案。您对熔断器、断路器和剩余电流保护器三者的后备保护使用问题有何看法？选用中应注意什么？

 

 

林维勇：熔断器和断路器统称为过电流保护器，是用来防止电涌保护器（SPD）短路的保护，应当根据SPD产品说明书推荐的过电流保护器的最大额定值选择（不要大于该值）。如果保护电气线路的过电流保护器的额定值小于上述的最大额定值，也可省去SPD支路上的过电流保护器。如果为了方便维护，这两个过电流保护器都可以设置，但应将它们的额定值调整到至少相差两级以保证它们具有选择性。

 

 

究竟是选熔断器还是选断路器？都可以，要从安装处的短路电流值和维护方便上综合考虑。断路器的脱扣线圈具有若干电感值，在通过雷电流时会产生一个Ldi／dt的电压加到SPD的Up上，见前述的式（1）和式（2），但国内有人做过试验这个值是比较小的，一般情况可不考虑，因前述的式（1）和式（2）中引入有0.8的安全系数。

 

 

下面介绍国外经计算和试验的一些数据（见表2、表3、表4）供选择时参考。国内也有人在做这种试验。

 

 

RCD适用于限压型SPD，不适用于电压开关型SPD，因后者产生的漏电电流值很小。

[此贴子已经被作者于2007-11-2 13:06:32编辑过]

通天雷神

有关SPD配合的问题

 

张丰收：在电涌作用时，要求在不同位置上安装的各SPD，能承担应该从其位置通过的电流和相应消耗的能量而不损坏或劣化。而同时还能满足各位置上的电压保护水平要求（第一级应释放绝大部分电流和能量，第二级次之，第三级更少）但由于一条线路上装的几个SPD动作是互相影响的，几个SPD都连上以后，各个SPD的通流并不一定像设想的那样依次降低，如果配合得不好，就会有问题发生。您对目前SPD配合设计中的问题有何意见和看法？

 

林维勇：需要在一条线路上安装多组SPD，他们之间的配合应依据厂方捉供的相关资料，因为各个厂家所生产的SPD的特性是不同的。2004年4月我到欧洲参观一个展览会，问及一个厂家SPD之间的配合。该厂有一种安装在电源进户处的产品是用Ⅰ级试验和Ⅱ级试验的SPD组合在一起，我问，若需要在这种产品之后安装Ⅱ级试验或Ⅲ级试验的SPD时，它们之间的距离要求多少，其回答是无要求，甚至放在旁边也可以。

 

前面提到的GB 16895.22—2004／IEC 60364—5—53：2001 A1：2002标准的534．2．3．6电涌保护器（SPD）之间的配合指出，“根据IEC 61312—3和61643一12，应当考虑电气装置中电涌保护器（SPD）之间必需的配合。电涌保护器（SPD）的制造厂应在其文件中提供充分的关于电涌保护器（SPD）之间配合的资料。”

通天雷神

有关SPD设置的问题

 

张丰收：那么，谈到了SPD的使用问题，就不能不谈系统中是否需要以及如何正确地设置SPD的问题，这在工程设计中是应认真考虑的。但也有设计人员提出，有些设备对电涌不敏感，价钱也不贵，在系统中的位置也不是很重要，就没有必要设置SPD。您对此怎么看？是不是在电源为主的电气系统和以信息通信设备为主的电子系统中的设置要求不一样？实际设计中应如何考虑这些问题？

 

林维勇：有几个情况和条件需要考虑。下面只谈建筑物上安装有防直击雷的防雷装置的情况，由于必须做防雷等电位连接，必须在低压电源进户处安装SPD，当供电变压器的一次侧系统是不接地系统时，其Up值可选用较低者（例如，0.9kV），这时，除表1中的Ⅰ类设备外，按刚才所述的问题中所说的方法进行校验，通常可能不需再安装SPD。当供电变压器的一次侧系统是小电阻接地系统，并且发生一次侧的高压对外壳短路时上述安装SPD处的相线和中性线与PE线之间不会出现（1200＋Uo）V和1200V电压的情况下，其Up值也可选用较低者（例如，0.9kV）；当会出现（1200+ Uo）V和1200V电压的情况，其Up值最好选用1.5kV。

 

按这样选取Up后，当线路是敷设在两端做了等电位连接的封闭式线槽或钢管内的情况下，通常分配电箱处可不装SPD，因为分配电箱内一般是没有表1中的Ⅱ类和Ⅰ类设备而是Ⅲ类设备，其Uw是4 kV而且其总开关总是处于闭合状态，不需考虑式（3）或式（4）的问题，只要满足式（1）或式（2）就可以了。

 

关于“也有设计人员提出，有些设备对电涌不敏感，价钱也不贵，在系统中的位置也不是很重要，就没有必要设置SPD”的看法，是可采纳的。

 

通天雷神

有关防大气和操作过电压以及防雷击电磁脉冲的区分问题

张丰收：那么，就像您刚才关于电涌保护器和避雷器在使用时所讲的，防大气和操作过电压、雷击电磁脉冲三者是需要区分的。进口处的Up≤2．5kV，不过是哪个能量更大的问题；后面的设备怎么防环路磁场感应电压和振荡的问题。这和被保护设备的耐压水平，两端的引线和压降水平有关。那么，三者的主要区别是什么？设计过程中该如何考虑这三者的影响因素？

林维勇：前述IEC 60364—4—44第443节所涉及的就是建筑物电气装置防由配电系统传导来的大气瞬态过电压以及防操作过电压。传导来的大气瞬态过电压是指配电系统在远处遭直接雷击以及雷击感应而产生的。

通常，操作过电压低于大气过电压，所以，对防大气过电压的要求正常时都覆盖了防操作过电压。

测量统计评价得出，操作过电压高于表l中Ⅱ类耐冲击电压值的风险是低的。

防雷击电磁脉冲的保护系统是对建筑物内部系统（即电气系统和电子系统）防LEMP的整体保护措施系统。一个完整的这种保护系统应包括防经导体传来的电涌和防辐射磁场的效应。
关于防辐射磁场的效应按规范的规定，并参考内部刊物《中国雷电与防护》2003年第2期5～8页《防雷击电磁脉冲中磁场强度的近似计算》一文处理。下面重点谈与防经电气系统导体传来的电涌有关的问题。

（1）选择SPD的电压保护水平 有时仅在电源进户处安装一套SPD就可保护到需要保护的设备，这是最经济的。防雷规范第6．4．8条有如下的规定，“当被保护设备沿线路距电源进户处要求安装的SPD不大于10m时，若该SPD的电压保护水平加上其两端引线的感应电压小于被保护设备耐压水平的80％，一般情况下在被保护设备处可不装SPD”。SPD的电压保护水平加上其两端引线的感应电压降，按现正在修订的IEC防雷草案，对电压开关型和限压型是不同的，因此，当满足以下条件时，距电源进户处所安装的SPD 10m内的设备处可不装SPD，即：

对限压型SPD：（Up＋△U）≤0.8Uw (1)

对电压开关型SPD：Up或△U之一的大者≤0.8Uw (2)

式中，Up——SPD的电压保护水平（kV）

△U——SPD两端引线的感应电压降，即LX（di／dt)，可按1 kV／m计算

Uw——被保护设备的耐压水平（kV），按表l选取。

式（2）是由于在SPD击穿导通之前无电流，△ U＝0；而击穿导通之后，其残压很小，仅数十伏。

在一些特殊场合，例如，有很敏感的设备（电子设备、计算机），电源进户处安装的SPD与需要保护的设备之间的距离太长（产生振荡），在建筑物内有雷击磁场感应的电压和内部干扰源危及设备时，则还需要在靠近被保护设备处增设附加的SPD。

 

 

注：Ⅰ类—适用于建筑物的那些固定装置，它们需要将瞬态电压限制到特定水平且需要将保护器件设在设备的外面；

Ⅱ类—如家用电器及类似负荷；

Ⅲ类—Ⅳ类设备下方的固定装置（包括总配电盘），如配电盘、断路器以及包括电缆、母线、分线盒、开关、插座等的布线系统，还有应用于工业的设备和一些其他设备（例如，永久接至固定装置的固定安装的电动机）；

Ⅳ类—如总配电盘前方的设备，例如电气计量仪表，一次线过流保护设备，波纹控制设备。

 

 

（2）由于振荡需要考虑的保护距离 若SPD与被保护设备之间沿线路的距离太长，电涌的传播会产生振荡现象。在设备接线端是开路的情况，这种振荡现象可能使设备开路端的过电压增加到式（1）或式（2）左侧值的2倍，因此，即使满足式（1）或式（2），设备还是可能出故障。这一保护距离是指SPD与被保护设备之间沿线路的最大距离，在此距离内SPD对设备的保护是有效的（计及振荡现象和容性负荷）。它取决于SPD的工艺技术、安装规则以及负荷容量。当满足以下条件时可不顾及这一保护距离，即：

对限压型SPD：2（Up＋△U)≤Uw。 （3）

对电压开关型SPD：2（Up或△U之一的大者）≤Uw。（4）

 

 

（3）由于感应现象需要考虑的问题 雷击建筑物或其附近地面将会在SPD与被保护设备之间的环路感应出一电压值，该电压将加到式（1）或式（2）左侧的值上，因此，会减小SPD的有效性。

 

 

随着上述环路尺寸的加大（线路加长、相线与PE线或接地导体之间的距离加大）所感应的电压也加大，而随着磁场强度的减小（增加大空间屏蔽和线路屏蔽的效率）则所感应的电压就减小。通常，可以采用将相线和PE线敷设在封闭的钢质管道内并将管道两端做等电位连接，有的标准推荐利用钢管作PE线。在这种情况下所感应的电压会是很小的，感应现象可略去不计。

[此贴子已经被作者于2007-11-2 13:05:56编辑过]

通天雷神

 

关于电涌保护器和避雷器的区别问题

张丰收：Ⅰ级试验的SPD，其能承受的单位能量通常比电力避雷器的大，也就是说Ⅰ级试验的SPD遭受的冲击电流比电力避雷器要严酷得多，所以这类SPD的通流量指标理应高于电力避雷器的指标。那么，作为电源防雷的两种主要产品，电涌保护器和避雷器在使用范围和功能上有何区别？实际选用中应该注意什么？

林维勇：关于高低压避雷器我国和IEC标准（IEC 60099系列）通常是采用8／20μs波形的。严格地说，高低压避雷器是不能承受直击雷的直接或附近的分流。所以，国家电力行业标准DL／T620：1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中的许多规定都是为了限制过大的雷电流流过高压避雷器，如变电所高压架空线的进线段要设架空避雷线；避雷针与主接地网的地下连接点至35kV及以下设备与接地网的地下连接点之间，沿接地体的长度不得小于15m；等等。经常有报道低压避雷器发生爆炸，也时有报道10kV变电所的10kV避雷器发生爆炸，其主要原因之一就是避雷器附近遭雷击而使流过避雷器的电流（能量）过大。

IEC 60099系列标准中的低压避雷器，其性能相当于前述标准的Ⅱ级试验的SPD，按选用这类产品的要求选低压避雷器就可以。

2002年10月IEC—TC37A（负责编订IEC 61643系列标准的技术委员会）在北京开过会，在其会议纪要（1EC 37A／136A／RM文件：2003—01—24，Unconfirmed minutes of meetingμsC37A held in Beijing，China，28th and 29th October 2002）中有以下的决议：“Decision：Request TC37 to avoid overlapping between 99—1 and 61643—1，by taking appropriate action tO clarify that the 99μseries of publications does not appty to arrestors andμsPDs for LV（1000V）applications。”（决议：为避免IEC 60099—1与IEC61643—1之间的部分重叠，要求TC37采取适宜的行动，阐明IEC 60099系列出版物不适用于低压 1000V应用的避雷器和电涌保护器）。从这一决议可预测到，IEC 60099系列标准中有关低压避雷器的规定可能会转移到IEC 61643—1等标准中，以避免规定重叠

关于电涌保护器和避雷器的区别问题

张丰收：Ⅰ级试验的SPD，其能承受的单位能量通常比电力避雷器的大，也就是说Ⅰ级试验的SPD遭受的冲击电流比电力避雷器要严酷得多，所以这类SPD的通流量指标理应高于电力避雷器的指标。那么，作为电源防雷的两种主要产品，电涌保护器和避雷器在使用范围和功能上有何区别？实际选用中应该注意什么？

林维勇：关于高低压避雷器我国和IEC标准（IEC 60099系列）通常是采用8／20μs波形的。严格地说，高低压避雷器是不能承受直击雷的直接或附近的分流。所以，国家电力行业标准DL／T620：1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中的许多规定都是为了限制过大的雷电流流过高压避雷器，如变电所高压架空线的进线段要设架空避雷线；避雷针与主接地网的地下连接点至35kV及以下设备与接地网的地下连接点之间，沿接地体的长度不得小于15m；等等。经常有报道低压避雷器发生爆炸，也时有报道10kV变电所的10kV避雷器发生爆炸，其主要原因之一就是避雷器附近遭雷击而使流过避雷器的电流（能量）过大。

IEC 60099系列标准中的低压避雷器，其性能相当于前述标准的Ⅱ级试验的SPD，按选用这类产品的要求选低压避雷器就可以。

2002年10月IEC—TC37A（负责编订IEC 61643系列标准的技术委员会）在北京开过会，在其会议纪要（1EC 37A／136A／RM文件：2003—01—24，Unconfirmed minutes of meetingμsC37A held in Beijing，China，28th and 29th October 2002）中有以下的决议：“Decision：Request TC37 to avoid overlapping between 99—1 and 61643—1，by taking appropriate action tO clarify that the 99μseries of publications does not appty to arrestors andμsPDs for LV（1000V）applications。”（决议：为避免IEC 60099—1与IEC61643—1之间的部分重叠，要求TC37采取适宜的行动，阐明IEC 60099系列出版物不适用于低压 1000V应用的避雷器和电涌保护器）。从这一决议可预测到，IEC 60099系列标准中有关低压避雷器的规定可能会转移到IEC 61643—1等标准中，以避免规定重叠