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摘要：50/60HZ交流220V/380V的电路系统，在雷雨天气中，雷电脉冲会产生持续瞬间可达到 5000 或 10000V 的电压波动，也就是浪涌或者瞬态过电压，瞬态过电压对电子设备会受到浪涌电压的损害。我国的雷电区较多，而雷电又作为在线路中产生浪涌电压的一个重要因素，因此加强在低压配电系统中的防雷电保护就显得十分必要。
关键词：低压配电设计；浪涌保护器；选择
一、引言
当前随着社会发展，科学进步，电子产品的种类越来越多，应用领域也越来越广泛。但是这些电子产品耐冲击电压水平一般都低于低压配电装置，因此他们很容易受到电压波动-既浪涌电压-的损害。浪涌又称瞬间过电压，是在电路中出现的一种瞬间过电压， 在电路中通常可以持续约几百万分之一秒，比如在雷电天气中，雷电脉冲可能会在电路中产生电压波动，产生浪涌现象。
二、浪涌保护器概述
1、浪涌保护器的工作原理
浪涌保护器的基本原理是在瞬态过压（雷电波）发生的瞬间（微秒或纳秒级），将被保护区域内的所有被保护对象（设备、线路等）接入等电位系统中，从而将回路中的瞬态过电压幅值限制在设备能够承受的范围内。SPD元件分电压开关型和限压型，电压开关型SPD，如气体放电管、闸流晶体管等，这种SPD在没有浪涌时为高阻值，但在响应电压浪涌时其阻抗突变为低值；限压型 SPD，如压敏电阻、抑制二极管等，这种SPD在没有浪涌时为高阻抗，随浪涌电流和电压的增加其阻抗会连续变小；混合型SPD利用两种元件的特性，组装成具有电压开关、限压两种特性兼有的产品
2、设备的分类
按工作原理可将SPD分成开关型、限压型和分流型（或扼流型）三种类型。
（1）电压开关型电涌保护器：无电涌出现时为高阻抗，当出现电压电涌时突变为低阻抗。指瞬时过电压时电压的表现力对电流的阻碍作用小，可是当雷电瞬时过电压需要得到响应时，SPD对电流的阻碍作用就立刻变为低数值，允许雷电流通过。放电间隙（Discharge Gap）、气体放电管（Gas Discharge Tube）、闸流晶体管（Thyristor）等可以被用作此类装置。
（2）电压限压型电涌保护器：无电涌出现时为高阻抗，随着电涌电流和电压的增加，阻抗连续变小。指瞬时过电压时电压的表现力对电流的阻碍作用小，可是随电涌电流和电压的增加其对电流的阻碍作用会逐渐减小，SPD电流电压特性为强烈非线性。氧化锌（Zinc Oxide）、压敏电阻（Varistor）、抑制二极管（Transient Voltage Suppressors）、雪崩二极管（Avalanche diode）等可以被用作此类装置。
（3）分流型或扼流型电涌保护器
分流型：SPD与被保护设备的所有电阻的输入（出）端分别被连接到一起，对电流脉冲表现为对电流的阻碍作用小，但对正常工作频率表现为对电流的阻碍作用大。
扼流型：SPD与被保护设备的各个元件被导线挨个连接起来，对电流脉冲表现为对电流的阻碍作用大，但对正常的工作频率表现为对电流的阻碍作用小。扼流线圈（Choke Coil）、高通滤波器（High-Pass Filter）、低通滤波器（Low-Pass Filter）等可以被用作此类装置。
按用途可将SPD分成电源保护器和信号保护器两种类型。
1）第一种类型（电源保护器）：交流、直流、开关电源保护器等。
2）第二种类型（信号保护器）：低频、高频、天馈信号保护器等。
3、浪涌保护器的主要性能和指标
（1）最大持续运行电压（Uc）：可能持续加于SPD 两端的最大交流电压有效值和直流电压之和。超过此值运行时，SPD 将遭受热致损坏。
（2）电压保护水平（Up）
该参数是电涌保护器的主要特征，表现为电涌保护器对端子间电压的限制水平。此参数是从标准参数中选取的最佳值，该值大于在电压限制水平测量（在I级和II级测试时采用额定放电电流）时获取的最大值。
（3）标称放电电流（In）
流过浪涌保护器的峰值电流，具有8/20μs（15次）波形的电流峰值，用于浪涌保护器的Ⅱ类试验以及Ⅰ类、Ⅱ类试验的预处理实验，计算浪涌保护器的Up值。
（4）最大放电电流（Imax）
流经电涌保护器的峰值电流，波形为8/20，波幅符合II级测试的操作次序。Imax 值大于 In。
（5）冲击电流（Iimp ）
冲击电流Iimp 由峰值电流Ipeak和电荷Q决定，按照操作测试程序测试。它用于在I级测试中为电涌保护器分级（该定义对应于10/350波形）。
三、浪涌保护器（SPD）的选择与配置
1、选择原则
我们在选择SPD进行安装时，不但要考虑其安装位置还要考虑其位置与其他设备的间距是否合适，而且要首先将电网的设计考虑在内（如：TN-S、TT、IT系统等）。SPD放的太近或太远都会对设备的保护产生不利的影响（太近会使设备和SPD会产生振荡波，太远则会起不到效果）。
除此之外，选择SPD也应该将安装处的电流量考虑在内，要确保选择的SPD元器件容量大，根据从生产商那里取得的数据对SPD进行评估并将SPD的使用寿命考虑在内，选择不易老化的。
选择SPD时还应注意，SPD的最大持续工作电压（Uc）要大于设备工作电压，然后要将可能会有暂态过电压（Ut）的这一情况产生考虑在内，一旦有这方面的可能那么SPD的电压就应该比Uc低。在三相电力系统（220 /380 V）中只对一些特殊设备采取防操作过电压的措施（如需要保护的特殊设备或用电设备）。
2、防雷防护等级及防雷防护区
SPD 选型的实质是正确确定电压保护水平（残压） Up、最大放电电流，保证Up小于被保护设备的耐压等级，从而保护设备。按IEC 60364 - 4 - 44、IEC 60664 - 1和IEC60730 - 1标准，设计时，根据相关规范给出的雷电流分配图、雷电流分流估算式、雷电流参量表，作为选择SPD 的重要依据。首先确定建筑物电子信息系统的雷电防护等级。
从《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2012确定建筑物防雷等级及首次雷击及首次雷击以后的雷电流参量；也可以从实测的雷电流幅值的雷击概率曲线上由年均雷暴日T 来查取雷电流幅值的雷击概率。具体由E=1-Nc/N来计算。（E表示防护装置拦截效率，NC表示因直击雷和雷电电磁脉冲引起信息系统设备损坏的可接受的最大年平均雷击次数，N表示建筑物年预计雷击次数）然后由不同的概率可以得出需要安装SPD不同的级数：
（1）当E大于0.98时，定为A级；（2）当E大于0.90小于或等于0.98时，定为B级；（3）当E大于0.80小于或等于0.90时，定为C级；（4）当E小于或等于0.80时，定为D级；
雷电防护区（LPZ）应划分为：直击雷非防护区、直击雷防护区、第一防护区、第二防护区、后续防护区。（图3.2.2），应符合下列规定：
（1）直击雷非防护区（LPZOA）：电磁场没有衰减，各类物体都可能遭到直接雷击，属完全暴露的不设防区。（2）直击雷防护区（LPZOB）：电磁场没有衰减，各类物体很少遭受直接雷击，属充分暴露的直击雷防护区。（3）第一防护区（LPZ1）：由于建筑物的屏蔽措施，流经各类导体的雷电流比直击雷防护区（LPZOB）区进一步减小，电磁场得到了初步的衰减，各类物体不可能遭受直接雷击。（4） 第二防护区（LPZ2）：进一步减小所导引的雷电流或电磁场而引入的后续防护区。（5） 后续防护区（LPZn）：需要进一步减小雷电电磁脉冲，以保护敏感度水平高的设备的后续防护区。
4、浪涌保护器的后备保护
为防止SPD因老化或其他故障而出现短路，在SPD前应设置保护措施。目前常用的有两种方式，一种是熔断器保护，一种是断路器保护。经过对50多位设计人员的调查发现，有80%以上的设计者选用了断路器，这实在令人费解。笔者认为装设断路器保护是一种误区，应该装设熔断器保护。
（1）SPD的保护是短路保护，不存在过负荷的情况，用断路器也只能用到其三段保护（或两段保护）中的瞬断功能。 （2）SPD的保护装置的选择应该以SPD安装处的短路容量来设置。SPD的安装处的短路电流一般都比较大，如果用断路器，则需要高分段能力的断路器。 （3）用断路器时需对连接SPD的导线进行动热稳定计算，根据该点的短路容量，所选用的导线截面会很大，接线不便。 （4）从经济角度而言，熔断器的价格要比断路器低得多，综合熔断器在对SPD保护的安全、方便、经济的优点，显然认为使用熔断器更好。
四、SPD的应用
SPD不是一个简单的装备，需要正确地进行选择、配置、安装才能事半功倍。 根据感应原理得知（V=L*di/dt）电感量越大瞬间电流在电路中产生的电压越高，并且电感量主要与导线长度有关（L），所以导线应尽可能短才能使SPD发挥正常的作用（当然一切以设备装置妥善安装完毕为前提）。
SPD的应用环境，差别很大：如果是如变压器露天放置这样高度暴露的环境，，受到直击雷的威胁中，空间的电磁场强度很大，因此选用Type1 电涌保护器（10/350us）进行防护。如供电系统包括变压器等设施在建筑物内，由于已采取了放直击雷的措施，所以空间的电磁场强度已经大大降低了，浪涌保护器选用Type2 电涌保护器（8/20us）进行保护，浪涌可能出现的值为20-40KA，甚至更低，而对于非常重要的设备可以采取三级浪涌保护。
五、总结
浪涌电压是广泛存在的。据统计，在国家电网中每8分钟便有一个浪涌过电压产生，而且20%～30%的电脑故障由浪涌电压造成。因此浪涌保护设计非常必要。浪涌保护设计是预防性设计，只有这样才能保护我们的设备尽可能少地受到过电压的损害。浪涌保护器的设计应该要综合地考虑各种影响因素，只有这样才能让浪涌保护器起到最大的保护作用，更有效地保护电子设备不受过电压的损害。
参考文献
[1]杨守胜.低压配电设计中浪涌保护器的选择[J]. 现代建筑电气，2012（11）：34-38.
[2]《建筑物电子信息系统防雷技术规范》G B50343-2012.
论文作者:刘涛
论文发表刊物:《电力设备》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/19
标签：浪涌论文; 电压论文; 过电压论文; 电流论文; 雷电论文; 防护论文; 保护器论文; 《电力设备》2017年第13期论文;