2023低壓配電系統(tǒng)電涌保護(hù)

低壓配電系統(tǒng)電涌保護(hù)

電涌（surge）研究及電涌保護(hù)是近三十來年發(fā)展起來的一個新的技術(shù)領(lǐng)域，是雷擊電磁

脈沖LEMP防護(hù)的組成部分之一，與建筑物上的LEMP防護(hù)共同構(gòu)成SPM。電涌保護(hù)是在傳

統(tǒng)防雷系統(tǒng)LPS對電子信息系統(tǒng)失防的背景下產(chǎn)生的，但其設(shè)防對象已不只局限于雷電，還包

拈操作過電壓等其他來源的能量沖擊，保護(hù)對象也從電子信息系統(tǒng)擴展到低壓配電系統(tǒng)。

從危害來源看，雷電是電涌保護(hù)最主要的設(shè)防對象，因此它屬于防雷技術(shù)體系的一部分：

而從受害對象看，電子信息設(shè)備是電涌保護(hù)的主要保護(hù)對象，目的是防止電磁干擾對電子信息

設(shè)備的破壞，因此它又屬于電磁兼容（EM。技術(shù)體系的一部分；低壓配電系統(tǒng)作為電子信

息系統(tǒng)的電源，也被納入電消保護(hù)的范圍，因此它還屬于電力系統(tǒng)過電壓防護(hù)技術(shù)體系的一部

分。多個工程技術(shù)體系的交叉，導(dǎo)致電涌保護(hù)從概念、術(shù)語到方法都比電力系統(tǒng)傳統(tǒng)瞬態(tài)過電

壓防護(hù)有更寬闊的背景。因此本章的內(nèi)容，既是第五、六章內(nèi)容的延伸，又是電磁兼容技術(shù)體

系的一個應(yīng)用分支。

第一節(jié)電涌

本節(jié)將對電涌的含義、來源及強度計算等問題進(jìn)行介紹。

一、電涌及來源

1.什么是電涌

低壓電氣系統(tǒng)中的電涌是按瞬態(tài)過電壓的一種類別來考慮的，電子信息系統(tǒng)中的電涌屬于

電磁兼容中的電磁干擾和（或）電磁騷擾，關(guān)于電涌與電涌保護(hù)的很多概念、術(shù)語和方法需

要用EMC的觀點才能更好地理解，因此本節(jié)主要用EMC的觀點來介紹電涌。

電磁兼容學(xué)科研究由騷擾源（發(fā)射器）、耦合機制

（路徑）及敏感設(shè)備（感受器）組成的干擾模型，

如圖7-1所示。

就電涌而言，在以上這個模型中，各部分的具體內(nèi)

容如下：

（1）騷擾源主要有以下幾種：雷電（雷擊電磁脈沖LEMP）,電力系統(tǒng)開關(guān)操作

（操作電磁脈沖SEMP）,電力系統(tǒng)的擾動（如短路故障；，，靜電放電，低頻和高頻發(fā)射機,

核爆炸（核爆電磁脈沖NEMP）等。本書只涉及LEMP和SEMP這兩種騷擾源，其中又

以LEMP為重點。

⑵耦合機制主要有導(dǎo)體傳導(dǎo)耦合和空間輻射耦合兩類，輻射耦合又分為電場耦合

和磁場耦合。按電磁兼容等效電路上電路元件與耦合機制的對應(yīng)關(guān)系，將傳導(dǎo)耦合稱為電阻

糖合，電場和磁場輻射耦合分別稱為電容耦合和電感耨合。

⑶敏感設(shè)備指建筑物中或建筑群間的電氣、電子系統(tǒng)。在本書的討論中，感受器

只考慮低壓配電系統(tǒng)。

綜上所述可以定義：電涌是以雷擊電磁W

脈沖和（或）操作電磁脈沖為騷擾源，在電

氣電子系統(tǒng)中耦合的能量脈沖。從該定義理

解，電涌是騷擾源耦合到電氣電子系統(tǒng)中產(chǎn)

生的一種干擾，但一旦系統(tǒng)中產(chǎn)生了電涌，

它對系統(tǒng)設(shè)備或元件而言又是一種騷擾源。

如圖7-2示出了低壓配電線路中工頻電壓疊

加了電涌電壓時的波形，從圖中可見，雷擊

電磁脈沖產(chǎn)生的電涌電壓幅值遠(yuǎn)大于工頻電

壓，但持續(xù)時間很短。操作電磁脈沖產(chǎn)生的

電涌幅值相對較小，持續(xù)時間長一些。

2.電涌的來源

圖7-2電涌電壓波形示例

（1）雷電耦合的電涌下面以幾個實例展示雷電耦合電涌的途徑。

1）傳導(dǎo)（阻性）耦合。除了直擊雷放電到線路上形成的電涌外，阻性耦合還可能有其

他的方式。如圖7-3所示，雷擊建筑1的外部防雷系統(tǒng)時，在接地電阻處上產(chǎn)生了很高的

電壓，而建筑2的接地電阻外仍為參考地電位，由于兩個接地電阻間通過PE線前信號線的

金屬屏蔽層電氣連通，雷電流會流向接地電阻尺2,從而在信號線中形成電涌電流，并以波阻

抗的比例在信號線中產(chǎn)生電涌電壓。

另外，中壓系統(tǒng)通過變配電所共同接地耦合到低壓系統(tǒng)的雷電電涌也是傳導(dǎo)耦合的一種形

式，見本書第六章圖6-12。

2）感性輻射耦合。雷電流產(chǎn)生的磁場會在金屬環(huán)路中感應(yīng)電動勢。若環(huán)路是閉合的，

則在環(huán)路中產(chǎn)生電涌電流；若環(huán)路有開口，則在開口上產(chǎn)生電涌電壓。圖7-4a所示為電源

線和信號線形成開口環(huán)路的例子，當(dāng)有雷電電磁場時，設(shè)備內(nèi)電源線與信號線端頭之間會產(chǎn)生

電涌電壓。圖7-4b為兩芯電纜的例子，雷電電磁場在芯線環(huán)路中感應(yīng)電涌電流，該電流

直接流過負(fù)載阻抗和信號源。

圖7-4感性（電磁場）耦合的電涌

3）容性輻射耦合的電涌，如圖7-5所示，雷擊接閃器時，雷電流在引下線和接地裝置

阻抗上產(chǎn)生壓降，使接閃器處有很高的對地電壓，且迅速積聚大量的雷電荷。接閃器與遠(yuǎn)方

信號線導(dǎo)體間有耦合電容效應(yīng)存在，接閃器上電荷的快速上升，相當(dāng)于電容充電過程，信號

線導(dǎo)體作為電容的另一極也有電荷注入，形成電涌電流。

圖7-5容性（靜電場）耦合的電涌

容性耦合的另一個常見途徑是中、低壓系統(tǒng)間通過變壓器繞組間等效電容耦合電涌，但其

量值通常不大。

一般認(rèn)為，在距雷擊點2km的范圍內(nèi),

電子信息系統(tǒng)都可能被傳導(dǎo)或輻射耦合的電

涌所破壞,因此稱2km為電涌危害的

“危險半徑”。

⑵電力系統(tǒng)操作耦合的電涌電

力系統(tǒng)操作產(chǎn)生的電磁干擾比雷電干擾更

為頻繁，因此對低壓系統(tǒng)和中高壓二次系

統(tǒng)的影響也不能忽視,這種影響主要緣

于操作所引起的能量分布的調(diào)整，如切除

電

容時可能出現(xiàn)的高頻振蕩過電壓，就是一

種電場能量的調(diào)整過程，如圖7-6所示。

-248-電氣安全第3版

NI-TT系統(tǒng)

電力線路

HSPD]-

MEB[HsFiJ]-

金16.6%<

屬

水內(nèi)部環(huán)形接地

管連接帶或環(huán)形

100%/接地極

雷電流

16.7%

防蕾引下線接

鋼筋混凝上墻

或基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋

16.7%

金屬暖氣管

圖7-8雷擊建筑物引入電源系統(tǒng)的雷電流估算示例

荷以雷擊點為中心向線路兩個方向運動，故線路上電涌電流為雷電流/的一半，按傳輸線原理，

產(chǎn)生的電涌電壓為

C/ov=-2z(7-1)

式中Uov——雷擊點兩側(cè)過電壓最大值(kV)；

Z—低壓架空線路特征阻抗，300~500Q；

I一雷電流幅值'kAi,其取值取決于風(fēng)險評估。

線路并聯(lián)導(dǎo)納有泄放雷電流的效應(yīng)，且低壓架空線路絕緣子的沖擊閃絡(luò)電壓為30?40kV.

若按式(7-1)計算出的過電玉大于閃絡(luò)電壓值，在距雷擊點很遠(yuǎn)的地方U”可取值為40kV。

3.雷擊低壓架空線附近大地或大地附著物時引起的電涌過電壓

這是對損害成因S4產(chǎn)生的電涌強度的計算。如圖7-9所示，當(dāng)有雷云存在于導(dǎo)線附近時,

在雷云放電的初始階段，存在著向大地發(fā)展的先導(dǎo)放電過程，線路處于雷云與先導(dǎo)通道的電場

中，因靜電感應(yīng)，在電場強度E的水平分量員的作用下，與雷云所帶電荷異性的電荷會沿導(dǎo)線

向先導(dǎo)通道附近積聚，形成束縛電荷，而與雷云所帶電荷同性的電荷受后排斥，會遠(yuǎn)離先導(dǎo)放

電通道，經(jīng)線路的對地電導(dǎo)和系統(tǒng)中性點等泄入大地，這樣導(dǎo)線上便有凈正電荷存在。由于先

導(dǎo)通道發(fā)展緩慢，導(dǎo)線上的電荷運動也很緩慢，可近似看成是靜電荷.按靜電場的原理，電場

中的導(dǎo)體應(yīng)是等位體，因此這時先導(dǎo)通道附近的導(dǎo)線與其遠(yuǎn)端電壓相同。當(dāng)雷云終于發(fā)展到對附

近大地或建筑物放電時，有兩個途徑會使線路產(chǎn)生對地過電壓，分述如下：

(1)感應(yīng)過電壓的靜電分量由于放電時雷云中的負(fù)電荷向大地泄放，使導(dǎo)線上的正

a)b)

圖7-9線路上雷電感應(yīng)過電壓形成原理示意

a)主放電前b)主放電后

束縛電荷失去束縛，在電場力作用下會向?qū)Ь€兩端運動形成行波電流。根據(jù)傳輸線理論，波阻

抗一定的傳輸線，行波電流會以波阻抗比例產(chǎn)生行波電壓，因此凡有釋放電荷通過的地方，導(dǎo)

線上都會產(chǎn)生對地電壓，該對地電壓與電流大小正相關(guān)。由于釋放電荷產(chǎn)生的電流一般較大且

波頭較陡，因此過電壓幅值也較大，波頭也較陡。這種過電壓是由于雷云中電荷突然消失、進(jìn)

而使靜電場突然消失造成的，故稱之為感應(yīng)過電壓的靜電分量“

⑵感應(yīng)過電壓的電磁分量先導(dǎo)放電發(fā)展成對地主放電后，形成雷云與大地之間的雷

電通道，雷電通道中的雷電流會在通道周圍空間產(chǎn)生急劇變化的磁場。變化的磁場與導(dǎo)線耦

合，會在導(dǎo)線中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由此引起的過電壓稱為感應(yīng)過電壓的電磁分量。

根據(jù)統(tǒng)計和理論分析，感應(yīng)過電壓的最大值可按下式估算：

Uov弋泗X30Q(7-2)

a

式中Uov—感應(yīng)過電壓最大值(kV)：

k一系數(shù)，取決于雷電流反擊的速率，取值范圍1?1.3；

I一雷電流幅值(kA)；

h一導(dǎo)線懸掛平均高度(m)；

d—雷云放電點與導(dǎo)線在地面投影的距離(m：。

感應(yīng)過電壓同時存在于線路各導(dǎo)體，故不存在導(dǎo)體間電位差，過電壓是線路各導(dǎo)體對于大

地而言的。以中等強度雷電流/=30kA,架空線高度5m,雷擊放電點距架空線1000m計算,

電涌電壓幅值在5kV左右；若考慮高強度雷電流7=100kA.則電涌電壓可達(dá)15kV以上。相

應(yīng)的電涌電流可通過低壓線路的波阻抗估算。

4.建筑物內(nèi)線路中預(yù)期感應(yīng)電壓和能量的估算

這是對損害成因S1感性輻射耦合的電涌強度的計算。當(dāng)雷擊建筑物的防雷裝置時，在電

氣電子線路中預(yù)期最大感應(yīng)電壓和能量的近似估算如圖7-10和表7-1所示。

3slm0.1in

b)

圖7-10應(yīng)用于表7-1的環(huán)路布置

a）包圍一大面積并與引下線不絕緣的環(huán)路b）包圍一小面積并與引下線絕緣的環(huán)路

O布置相似于a）但環(huán)路包圍的面積是小的，裝置極靠近引下線并與其接觸d）布置相似于a）但

環(huán)路安裝在封閉型金屬電纜管內(nèi)ei布置相似于a）,線路由屏蔽電纜組成，屏蔽線是引下線的一部分力布置相似于

b）,線路由兩芯線的屏蔽目纜組成，電纜屏蔽層是引下線的一部分，所考慮的環(huán)路與防雷裝苦絕緣，一

流經(jīng)引下線的分雷電流T—作引下線用的金屬結(jié)構(gòu)立柱K—作自然引下線用的金屬電纜管道/一電

氣裝皆平行于引下線的長度

表77閃電擊中安裝在一類防雷建筑上的防雷裝置時所感應(yīng)的電壓和能量的近似計算

鋼構(gòu)架或鋼筋有窗的金屬無窗的鋼筋混凝

外部防雷裝置的形式引下線（至少4

混凝土柱立面土結(jié)構(gòu)

根）間距10?20m

U\1m

圖

7-10a1(kV/m)100?40a10乙h

hhh

50.4丁0.1\m

07-10b。

1(kV/m)22ahh

hh

開路環(huán)中5

圖7-10c((kV/m)4〃4a0.40.1

感應(yīng)的峰h

hhn

值電壓

W

圖7-10d1(kV/m)-0~0*0-0

1m1m

圖」(kVi,Qi10

7-10e100a100ahch

RMhh

%(kV/m)

圖7-10f=0*0?0*0

/

30心.1m

圖7-10a型(J/m)「c

2000-503-h5-1

/hh

圖7-10b短路環(huán)中「(J/m)aa0.030.002

感應(yīng)的最/hh

大能量

07-10c馴(J/m)1吟1%0.10.005

/hh

圖7-10d衛(wèi)(J/m)-0=0=0=0

/

注：1.表中各參量含義如下：

口一采用首次以后的雷擊電流參量?見表5-6I時，預(yù)期的最大感應(yīng)電壓：kV）：

以一采用首次雷擊電流參量（見表5-5）時,在電纜內(nèi)導(dǎo)體與屏蔽層之間的預(yù)期最大感應(yīng)電壓（kV：>,其值

與RM有關(guān),一般取RM//<0.1Q/m；

Uq—屏蔽電纜內(nèi)導(dǎo)體之間的最大差模電壓（kVl：

W一當(dāng)采用首次雷擊電流參量［見表5-5；及環(huán)路由于產(chǎn)生電火花放電而成閉合環(huán)路時,預(yù)期產(chǎn)生于環(huán)路內(nèi)的

最大能量（JH

I-與引下線平行的電氣裝置的長度（mi：

RN一電纜總長的電纜屏蔽層電阻（。）；〃一

一引下線之間的平均間距im）：

h一防雷裝置接閃器的高度im）6

2.該表適用于第一類防雷建筑物的雷電流參量。對第二類防雷建筑物，表中的感應(yīng)電壓計算式應(yīng)乘以0.75,能量

計算式應(yīng)乘以0.56（即0.752）°對第三類防雷建筑物，表中的感應(yīng)電壓計算式應(yīng)乘以0.5,能量計算式應(yīng)乘

以0.25（即0.52）.

第二節(jié)電涌保護(hù)器

電涌保護(hù)器（SurgePro忸ctiveDevice,SPD）是一種用于帶電系統(tǒng)中限制瞬態(tài)過電壓并耗

散電涌能量的含非線性元件的保護(hù)器件，用以保護(hù)電氣電子系統(tǒng)免遭雷電或操作過電壓及涌流

的損害。

電涌保護(hù)器分為低壓配電系統(tǒng)用和電子信息系統(tǒng)用兩大類，相關(guān)的要求由IEC/TC37技

術(shù)委員會SC37A低壓電涌保護(hù)器分委會的系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，而當(dāng)初成立的TC37則負(fù)責(zé)傳統(tǒng)的

用于中高壓系統(tǒng)和低壓室外架空線路的避雷器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定。我國關(guān)于電涌保護(hù)器的主要

國家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T18802《低壓電涌保護(hù)器（SPD）》，該標(biāo)準(zhǔn)為一套系列標(biāo)準(zhǔn)，等同

采用SC37A的IEC61643系列標(biāo)準(zhǔn)，其中GB/T18802.1—2011《低壓電涌保護(hù)器（SPD）

第1部分：低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器性能要求和試驗方法》是本節(jié)介紹低壓配電系統(tǒng)

用電涌保護(hù)器的主要依據(jù)。

一、電涌保護(hù)器的原理與類別

1.電涌保護(hù)器工作原理、基本功能和失效模式

電涌保護(hù)器工作原理與避雷器類似，所不同的是電涌保護(hù)器主要用于建筑物內(nèi)低壓配電系

統(tǒng)和電子信息系統(tǒng)，而避雷器主要用于中、高壓系統(tǒng)和室外低壓架空線路。低壓系統(tǒng)電涌保

護(hù)器應(yīng)具有以下基本功能：

1）系統(tǒng)無電涌時，SPD不應(yīng)對系統(tǒng)正常，作特性產(chǎn)生影響。

2）系統(tǒng)出現(xiàn)電涌時，SPD呈低阻抗，一則限制電涌電壓達(dá)至保護(hù)要求，二則通過泄放

電涌電流耗散電涌能量。

3）SPD泄放電涌電流后可能繼發(fā)工頻續(xù)流，SPD應(yīng)能熄滅任何可能的工頻續(xù)流。

4）在泄放電涌電流和熄滅工頻續(xù)流后，SPD應(yīng)能在系統(tǒng)正常電應(yīng)力下恢復(fù)到高阻抗

狀態(tài)。

當(dāng)耗散的電涌能量大于SPD所設(shè)計的最大吸收能量時，SPD可能因熱損壞失效，制造

或材料缺陷也可能導(dǎo)致SPD在正常工作條件下失效。運行統(tǒng)計證實，低壓電涌保護(hù)器動作

頻度和失效概率都遠(yuǎn)大于中、高壓系統(tǒng)避雷器，因此對于SPD失效應(yīng)予以特別的重視。

SPD失效模式分為開路模式和短路模式兩種。

在開路失效模式下，失效的SPD呈恒高阻抗，不再具有保護(hù)作用，但其對系統(tǒng)正常工作

無任何影響，也因此難以被發(fā)現(xiàn)，通常需要在SPD上附加失效指示功能，以起到告知作用。

在短路失效模式下，失效的SPD呈恒低阻抗，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常工作，影響方式和程

度與保護(hù)模式有關(guān)，需要在系統(tǒng)上設(shè)置后備保護(hù)將失效SPD從系統(tǒng)中脫離，或選擇配置了短路

失效脫離器的SPD。

脫離器有多種類型，除了用于短路失效模式SPD外，還有用于從系統(tǒng)中將其他非正常狀

態(tài)的SPD脫離出來的脫離器，如過熱、泄漏電流過大等。

2.電涌保護(hù)器的結(jié)構(gòu)和類型

SPD結(jié)構(gòu)中至少有一個非線性保護(hù)元件，非線性元件主要有兩種類型：①限壓型元件，

如壓敏非線性電阻、雪崩二極管或抑制二極管（一般選用雙向擊穿型）等；②開關(guān)型元件，

如空氣間隙、氣體放電管、晶閘管、三端雙向晶閘管等。

SPD可以僅由限壓型或開關(guān)型元件構(gòu)成，也可以由限壓

型和開關(guān)型元件串、并聯(lián)構(gòu)成。如圖7-11所示。

根據(jù)所用非線性元件性質(zhì)及其組合方式，SPD按保ZnO壓敏電阻空氣間隙氣體放電管

護(hù)特性可以分為以下幾種類別。

（1）電壓開關(guān)型SPD簡稱開關(guān)型SPDo無電涌

時呈高阻抗?fàn)顟B(tài)，當(dāng)電涌電壓達(dá)到一定值時突變?yōu)榈?/p>

阻抗，因此又曾稱為“短珞開關(guān)型”，其動作電壓

波形示例如圖7-12a所示。這類SPD具有通流容量

大的特點，適用于LPZ0區(qū)與LPZ1區(qū)界面的雷電電

涌保護(hù)，主要作用是泄放雷電能量，但特性陡峭、I

殘壓較高，不適合作設(shè)備的保護(hù)。限批型與開關(guān)型限壓劑與開關(guān)型

元件串聯(lián)元件并聯(lián)

圖7-11SPD元件及構(gòu)成

⑵電壓限制型SPD筒稱限壓型SPD。無電涌時呈高阻抗?fàn)顟B(tài)，但隨著電涌電壓和

電流的上升，其阻抗持續(xù)下降，因此又曾稱為“鉗位型”SPD,其動作電壓波形示例

如圖7-12b所示。電壓限制型SPD特性較電壓開關(guān)型SPD平緩，但通流容量小，一般用于

LPZOB及以后防雷區(qū)，主要用作設(shè)備保護(hù)。

⑶混合型SPD是將開關(guān)型和限壓型元件組合在一起的一種SPD,隨其承受的沖擊電

壓不同而分別呈現(xiàn)開關(guān)型特性、限壓型特性，或同時呈現(xiàn)兩種特性，其動作電壓波形示例如

圖7-12c所示，該示例是先呈現(xiàn)電壓開關(guān)型、后呈現(xiàn)電壓限制型特性的混合型SPD,也有

呈現(xiàn)特性順序相反的混合型SPDo

圖7?12各類型電涌保護(hù)器的保滬特性示例

a）電壓開關(guān)型b）電壓限制型c）混合型

根據(jù)端口數(shù)，SPD又分為一端口和二端口兩種類型，如圖7-13所示。二端口SPD在輸

入端口端子與輸出端口端子之間有特殊的串聯(lián)阻抗，輸入端口保護(hù)特性可能不同于輸出端口。

一端口SPD一般只有兩個接線端子，但有一種特殊類型叫做輸入/輸出分開的一端口SPD,它

形式上有兩個輸入端子和兩個輸出端子，但輸入輸出對應(yīng)端子間阻抗為零，相當(dāng)于

將一端口SPD每一個端子都引出了兩個接頭。

圖7-13一端口與二端口SPD示例

a）一端口b）輸入/輸出分開的一端口c）二端口

二、電涌保護(hù)器的沖擊分類試驗

SPD產(chǎn)品的參數(shù)標(biāo)定、形式試驗和合格性檢驗等都依賴于一系列配套的標(biāo)準(zhǔn)化試驗，此處

介紹主要的三種沖擊試驗，分別叫作I類、H類和HI類沖擊試驗，它們是三種獨立的試驗。針

對電涌保護(hù)器的不同應(yīng)用條件，生產(chǎn)廠家可以選擇其中一種或幾種進(jìn)行試驗。

所謂電涌保護(hù)器的應(yīng)用條件，主要指其安裝位置和保護(hù)任務(wù)。在建筑物中，可能遭受直接

雷擊的區(qū)域（如LPZOA區(qū)）或雷電能量幾乎未衰減的區(qū)域（如LPZOB區(qū)）稱為自然暴露或高

暴露區(qū)，裝置于該區(qū)域分界面的SPD可能經(jīng)受較大的能量沖擊，因此其主要任務(wù)是泄放雷電能

量，因其特性很難與被保護(hù)設(shè)備相配合，一般不能直接保護(hù)設(shè)備；在遠(yuǎn)離高暴露區(qū)的區(qū)域，系

統(tǒng)中的雷電能量已經(jīng)衰減，波形也發(fā)生了變化，裝置于這些區(qū)域的SPD主要任務(wù)是進(jìn)一步泄放

能量，并以合適的特性可靠地保護(hù)被保護(hù)設(shè)備。

因此，應(yīng)用于高暴露區(qū)和低暴露區(qū)的SPD,其工作條件、保護(hù)要求都有所不同，相應(yīng)地

對其特性參數(shù)的要求就會有所差異。設(shè)立三種沖擊試驗，正是為了體現(xiàn)這種差異。

1.試驗用電壓電流波形與參數(shù)

SPD的沖擊試驗是在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓和標(biāo)準(zhǔn)電流下進(jìn)行的，這些標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流大體上符

合特定防雷區(qū)的實際雷電能量和波形。

（1）電涌保護(hù)器的試驗電壓一般采用1.2/50US的沖擊電壓作為試驗電壓，這是指視

在波前時間為1.2ns,半峰時間為50Hs的沖擊電壓波。波形圖見表6-1中的快前波。

該波形的視在波前時間n是將波前30%和90%峰值點連線得到的，按比例為1.67

（/90-/30）；所謂半峰時間乃,指視在原點與波尾50%峰值對應(yīng)時間點間的時長。

⑵電涌保護(hù)器的試驗電流

1）8/20us波形的試驗電流

/sno這種電流波形的視在波前

時間刀為8口S，半峰時間72

為20PSo該波形的視在波前

是將波前10%和90%峰值點

連線得到的，按比例為1二25

（/so-%。），如圖7-14所示。

該試驗電流波形主要模擬系統(tǒng)中依泰?露區(qū)域的電準(zhǔn)電流，運里地點發(fā)直投留電放電電流沖

擊的概率低，更多承受的是已經(jīng)被大幅衰減的雷電放電電流，以及雷電感應(yīng)電涌電流或操

作電涌電流，因此工程中也將其稱為電涌沖擊電流，且由于其持續(xù)時間短，有時又稱其為短持

續(xù)電流波。

2）沖擊電流試驗電流iimp。沖擊電流（記作/imp）是一個要測試的參數(shù)，試驗電流iimp

則是測試這個參數(shù)所用的電流。而p是一種由三個參量定義的電流，主要模擬高暴露區(qū)域受

直接雷擊形成的電涌電流。這三個定義參量分別是電流幅值/peak、電荷量Q和比能量W/Ro

它們的含義如下：

電流幅值/peak是試驗電流iimp的最大瞬時值。電荷量Q等1試驗電流-時間波形下的面

積，表明試驗電流能向被試SPD轉(zhuǎn)移的電荷量。比能量W/RJ片mpM是試驗電流的熱脈

沖，表明試驗電流在1Q電阻上產(chǎn)生的熱量。這三個參數(shù)量值間應(yīng)滿足一些條件（這只是試驗

的規(guī)定），推薦值如表7-2所示。

表7-2電涌保護(hù)器試驗電流im，的參數(shù)

/peak『kA—/(kJQi

(A-s)R

2010100

12.56.2539

10525

52.56.25

211

10.50.25

具有表7-2量值關(guān)系的試驗電流iimp,其波形并無統(tǒng)一規(guī)定，但有三個對波形的約束條件

必須遵守：①電流峰值/peak應(yīng)在50Hs內(nèi)達(dá)到；②電荷量。應(yīng)在10ms內(nèi)轉(zhuǎn)移到被試SPD;

③比能量應(yīng)在10ms內(nèi)釋放。滿足定義參量和三個約束條件的波形不具有唯一性，各國及各行

業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不盡相同，學(xué)界對此有不同的觀點。就我國工程現(xiàn)狀來看，用于低壓配電系統(tǒng)的

SPD主要采用10/350口5沖擊電流波形1.加進(jìn)行試驗，該波形模擬的是直接雷擊引入的電涌電

流。由于分流作用，進(jìn)入低壓系統(tǒng)的直接雷擊電流量值遠(yuǎn)小于雷擊建筑物的雷電流量值,因此

表7-2試驗電流只規(guī)定到201＜人，該量值遠(yuǎn)小于建筑物防雷參數(shù)（見表5-5）中的雷電流值。

當(dāng)然，如果需要，廠家可以取更大的試驗電流值。

因為試驗電流imp模擬的是直接雷擊情況，因此工程中也將其稱為雷電沖擊電流，且由于

其持續(xù)時間顯著長于/sn,有時又稱其為長持續(xù)電流波。

⑶復(fù)合波復(fù)合波由復(fù)合波沖擊發(fā)生器產(chǎn)生，這種發(fā)生器輸出端開路時輸出50

12〃迎擊電壓短路時輸出8/2011s沖擊電流，且輸出開路電壓和短路電流幅值之比為稱

2.'其為發(fā)生器的虛擬輸出阻抗。發(fā)生器接到SPD時，SPD中實際的電流不是發(fā)生器的

是路電流，而是取決試驗電壓和SPD非線性阻抗特性。

2.三類沖擊試驗及動作負(fù)載試驗

以下三類沖擊試驗，所測試的主要是表征SPD能量耐受性的參數(shù)，即SPD在耗散電涌能

量時自身不被損壞的能力。在此基礎(chǔ)上還可以測量一些保護(hù)特性參數(shù)，如電壓保護(hù)水平等。

I類試驗：用1.2/50US沖擊電壓、8/20US電涌沖擊電流isn和雷電沖擊電流iimp作的

試

驗，用以確定SPD的標(biāo)稱放電電流/n（8/20us試驗電流下）和最大沖擊電流和）（沖擊電

流試驗電流下，如10/350us試驗電流）。I類試驗?zāi)M了部分導(dǎo)入直接雷擊沖擊電流的情況,

通過I類試驗的SPD通常推薦用于高暴露區(qū)域，如安裝在LPZ0與LPZ1區(qū)界面的電壓開關(guān)型

SPD就應(yīng)進(jìn)行該項試驗。

II類試驗：用1.2/50us沖擊電壓和8/20ns沖擊電流isn作的試驗，用以確定SPD的

標(biāo)稱放電電流/n（8120和最大放電電流/max18120口s）。通過H類試驗的SPD用于較

少暴露地點，對電壓限制型SPD應(yīng)進(jìn)行該項試驗。

川類試驗：用開路時輸出1.2/50US的沖擊電壓、短路時輸出8/20us沖擊電流的復(fù)合

波發(fā)生器作的試驗，依次按預(yù)定開路電壓Uoc的10%、25%、50%、75%和100%U8電

壓沖擊受試SPD,如果SPD滿足熱穩(wěn)定性要求，則可以確認(rèn)該SPD的開路電壓為Ug。與

前面的/imp、/max類似，Uoc也是表征SPD能量耐受性的參數(shù)。HI類試驗?zāi)M了末端用電設(shè)備

處電涌保護(hù)器工作情況，常用于相導(dǎo)體與中性導(dǎo)體間作差模保護(hù)的SPD,因為這種情況下用電

設(shè)備阻抗會分走部分電涌電流，沖擊發(fā)生器2Q虛擬阻抗正是模擬了用電設(shè)備阻抗的分流情況。

I?HI類沖擊試驗的相關(guān)信息如表7-3所示。

表7-3I?HI類沖擊試驗的用關(guān)信息

試驗類別試驗波形所測參數(shù)適用保護(hù)模式主要用途

高暴露區(qū)域SPD,如LPZ0/1區(qū)分

1.2/50ps電壓沖擊電流/imp,標(biāo)稱放電電流

I共模，差共模界面等電位聯(lián)結(jié)處，建筑物架空線進(jìn)線

波,imp、/sn電流波/n,電壓保護(hù)水平Up

處

1.2/50ps電壓段大放電電流/max?標(biāo)稱放低暴露區(qū)域SPD，如分配電箱處，

n共模，差共模

波，isn電流波電電流/…電壓保護(hù)水平UP建筑物電纜進(jìn)線處

配電系統(tǒng)末端SPD,如終端配電箱

in復(fù)合波開路電壓Uoc差模

處，電源插座處

動作負(fù)載試驗：在施加最大持續(xù)工作電壓a條件下，SPD應(yīng)能承受規(guī)定的的放電電流

或沖擊電壓而不使其特性發(fā)生不可接受的劣化。規(guī)定的放電電流即I、I【類試驗的/imp或

/max,規(guī)定的沖擊電壓即m類試驗的Uoc。之所以稱為動作負(fù)載試驗，是因為SPD動作后,

一部分電涌能量通過SPD向大地泄放，另一部分則直接消耗在SPD中，因此SPD相當(dāng)于一

個消耗電涌能量的負(fù)載，其負(fù)載能力并不是無限大，過大的能量會將其損壞，主要表現(xiàn)形式

為熱崩潰。表征SPD負(fù)載能力的參量需要從技術(shù)原理和工作狀態(tài)入手分析得出，有時還需

要輔以實驗驗證，而參量的量值則必須通過試驗確定。動作負(fù)載試驗是I、H、III類沖擊

試驗的組成部分之一。

以上試驗電流/imp和/sn,其所攜帶的能量有較大區(qū)別，同一電流峰值下jimp所攜帶的能

量遠(yuǎn)大于/sn，因此在/imp沖擊下動作負(fù)載更重，這也就是高暴露地點SPD需要進(jìn)行I類試驗

的原因之。

三、電涌保護(hù)器的主要參數(shù)

（1）最大持續(xù)工作電壓Uc指允許持續(xù)施加在SPD保護(hù)模式上的最大工頻電壓有效

值。Uc與SPD的長期工作可靠性、泄漏電流、發(fā)熱與老化等密切相關(guān)。仇不應(yīng)低于線路中

可能出現(xiàn)的最大持續(xù)運行電壓，否則可能出現(xiàn)壽命縮短、特性劣化、不能吸收規(guī)定電涌能量等

后果。系統(tǒng)中持續(xù)時間5s以上的工頻電壓即需要考慮與Uc的配合，但5s內(nèi)的暫時過電壓不

考慮與仇的配合。

較高的Uc值對SPD的可靠性和壽命都是有利的，但Uc與電壓保護(hù)水平UP有正相關(guān)性，

其最大取值受電壓保護(hù)水平的約束。

⑵暫時過電壓試驗值UT指SPD能夠承受的暫時過電壓（TOV）最大值。電涌保

護(hù)中，TOV指持續(xù)時間200ms?5s的工頻過電壓，如本書第六章中高壓系統(tǒng)故障在低壓系

統(tǒng)中引起的暫時過電壓，或低壓系統(tǒng)故障引起的暫時過電壓等。

⑶電壓保護(hù)水平UP這是表示SPD將電涌過電壓限制到何種程度的參量，該值越

小，對過電壓的限制效果越好。它的定義基于SPD殘壓和限制電壓的概念。

SPD的殘壓指放電電流通過SPDB寸，其端子間產(chǎn)生的電壓峰值，該值隨放電電流波形和

量值而異。SPD的限制電壓指施加規(guī)定波形和幅值的沖擊時，其端子間的電壓峰值，即規(guī)定條

件下的殘壓。==

從原理上看，對電壓開關(guān)型SPD,電壓保護(hù)水平加等于規(guī)定陡度電壓波形下最大放電電

壓，在波前放電情況下，通過SPD的過電壓不會高于該值；對電壓限制型SPD,UP則等于

規(guī)定電流波形和幅值下的最大殘壓。按前面定義，規(guī)定條件下的放電電壓和最大殘壓可統(tǒng)稱為

SPD的限制電壓。即原理上SPD電壓保護(hù)水平等于其限制電壓。

但就SPD產(chǎn)品標(biāo)定參數(shù)而言，由于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中有UP的系列推薦值，基于標(biāo)準(zhǔn)化的要求，

產(chǎn)品給出的UP參數(shù)通常取最接近但不小于SPD限制電壓的標(biāo)準(zhǔn)推薦值。

UP與SPD放電電流有關(guān)。規(guī)定對于I類試驗，用不同幅值的8/20Hs波形的沖擊電流測

得SPD的電流一殘壓特性曲線，曲線上量值為/n和/imp的電流所對應(yīng)的殘壓中較大者為限制電

壓；對H類試驗，以8/20US波形、幅值為/n的電流對應(yīng)的殘壓為限制電壓。確定限制電壓

后，再選擇產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中最接近但不小于限制電壓的UP系列推薦值標(biāo)定UP。

電壓保護(hù)水平應(yīng)低于設(shè)備的沖擊耐壓，這是保護(hù)的必要條件，因此保護(hù)水平低對設(shè)備是有

利的。但保護(hù)水平UP與最大持續(xù)工作電壓Uc呈正相關(guān)性，例如，當(dāng)標(biāo)稱放電電流/n在1

20kA之間時，氧化鋅壓敏電阻UP與仇的比值在3.3?4.6之間。UP量值小導(dǎo)致Uc過低，

容易在正常工作時產(chǎn)生過大的泄漏電流，影響使用壽命。

（4）標(biāo)稱放電電流心這是表征SPD多次通過儲（8/20MS）能力的參數(shù)，也是確

SP定電壓保護(hù)水平UP時所對應(yīng)的電流。要求SPD通過幅值為/n的電流波溫規(guī)定次數(shù)

D后，

其特性變化不得超過規(guī)定的允許范圍。/n應(yīng)接近于安裝位置處預(yù)期頻繁出現(xiàn)的電涌電流，

它是表征I、II類SPD常規(guī)通流容量并規(guī)定電壓保護(hù)水平Up參量條件的參數(shù)，可由I類或

II類試驗測出。

（5）最大放電電流/max指SPD能通過的最大漏（8：20口S）電流幅值。SPD在運行

中已經(jīng)多次動作并泄放不大于In的電涌電流、已經(jīng)到達(dá)動作次數(shù)壽命末期的條件下，再通

過幅值為/max的電流波isn,SPD應(yīng)仍能在Uc電壓作用下熄滅續(xù)流，且能在Uc電壓作用下冷

卻至正常狀態(tài)，不會發(fā)生熱崩潰或閃絡(luò)等實質(zhì)性損壞。它是表征H類SPD極限通流容量的

參數(shù)，由n類試驗測定。

同一SPD的/max一般為，n的2?2.5倍。

⑹沖擊電流篇p指SPD能通過的最大iimp（如：10/350US波形）電流幅值。SPD

在運行中已經(jīng)多次動作并泄放不大于/n的電涌電流、已經(jīng)到達(dá)動作次數(shù)壽命末期的條件下,

再通過幅值為/imp的電流波imp,SPD仍能在Uc電壓作用下熄滅續(xù)流，且能在Uc電壓作用

下冷卻至正常狀態(tài)，不會發(fā)生熱崩潰或閃絡(luò)等實質(zhì)性損壞。它是表征I類SPD極限通流容

量的參數(shù)，由I類試驗測定。

⑺開路電壓U℃指SPD在復(fù)合波作用下，承受多次規(guī)定的不高于的1.2/50US電

壓沖擊.已經(jīng)到達(dá)動作次數(shù)壽命末期的條件下，再承受電壓Uoc（1.2/50us）沖擊后，

SPD仍能在“電壓作用下冷卻至正常狀態(tài)，不會發(fā)生熱崩潰或閃絡(luò)等實質(zhì)性損壞?？煽?/p>

成是SPD在滿足熱穩(wěn)定條件下能夠承受的最高沖擊電壓，主要用于末端差模保護(hù)的SPDo

末端電涌保護(hù)由于負(fù)載阻抗分流作用，實際流過SPD的電涌電流不好確定，如果用電流表

征SPD通流容量，難以與實際電涌電流進(jìn)行比對，因此用電壓值來表征，負(fù)載阻抗的分流效

應(yīng)由試驗波發(fā)生器的內(nèi)阻抗：即波形定義中的2。虛擬阻抗）模擬，但在SPD上產(chǎn)生熱效

應(yīng)的仍然是電流。

⑻額定開斷續(xù)流/n指SPD本身能斷開的預(yù)期工頻短路電流，主要用于有間隙元件

的SPDo

⑼殘流/PE指SPD按廠家說明連接，施加最大持續(xù)工作電壓仇時，流過PE接線端

子的電流。該電流與SPD的泄漏電流有關(guān)，從系統(tǒng)角度看其性質(zhì)為剩余電流。

（10）響應(yīng)時間指從暫態(tài)過電壓開始作用于SPD的時刻，到SPD實際導(dǎo)通放電時刻

之間的時長，一般小于25ns。

作為示例，某系列通過【類和II類試驗的SPD主要參數(shù)如表7-4所示，其中a、b型和

c、型分別是同系列的不同型號，a、b型是電壓開關(guān)型SPD,c、d型是電壓限制型SPD。

d表某系列通過類和類試驗的主要參數(shù)

--------------------------------------------------1------H---------m-

I類試驗n類試驗

SPD通過的試臉

a型匕型C型d型

額定電壓UJV230230

最大持續(xù)工作電壓Uc/v260440275440

電壓保護(hù)水平Up/kv0.91.51.52.0

標(biāo)稱放電電流⑻20Psi/n/kA35/50/1005/10/20/30

最大放電電流'820|JSl/maxkA—10/20/40/65

沖擊電流（：10350psi/inp.kA35/50/100—

額定開斷續(xù)流九，kA3260V電壓下）—

適用接地系統(tǒng)TT.TNITTT-TNIT

一現(xiàn)狀丁程應(yīng)用中符號Lnn有兩種含義：一種含義是電流波形名稱，如本書中稱之為猛。的試驗電流波.是由人ak、Q

和卬/R及相關(guān)約束條件定義的一種電流波，是一個時間函數(shù)；另一種含義處由隔P試驗得出的一個SPD參數(shù)量值，即SPD所

允許的最大小的幅值W0讀者如其在一些資料中看到類似“用沖擊電流/imp試驗得出SPD沖擊電流/imp，其量值等于

/imp的幅值/peak”這樣很難理解的敘述，原因就源于此。

第三節(jié)低壓系統(tǒng)電涌保護(hù)配置

在電涌保護(hù)技術(shù)出現(xiàn)之前，低壓系統(tǒng)有傳統(tǒng)的避雷器保護(hù)，其原理、方法與中、高壓系統(tǒng)

相同，主要在架空線上實施C但傳統(tǒng)避雷器保護(hù)措施不僅不能阻止過大的雷電能量通過低壓系

統(tǒng)進(jìn)入電子信息設(shè)備，而且對低壓系統(tǒng)本身的設(shè)備也存在失防之處。就建筑物內(nèi)的低壓系統(tǒng)而

言，電涌保護(hù)不僅將低壓系統(tǒng)傳統(tǒng)防雷措施納入其體系，還彌補了傳統(tǒng)防雷措施的不足。因此,

對于建筑物內(nèi)的低壓系統(tǒng)，電涌保護(hù)已完全涵蓋了傳統(tǒng)雷電過電壓保護(hù)的功能。

一、電涌保護(hù)對象分級

電涌防護(hù)等級是以建筑物中電子信息系統(tǒng)為對象劃分的，將低壓配電系統(tǒng)看作電子信息系

統(tǒng)電源時，低壓配電系統(tǒng)的防護(hù)級別與電子信息系統(tǒng)的防護(hù)級別等同，因此有時也可統(tǒng)稱為建

筑物的電涌防護(hù)等級。應(yīng)注意不要將其與建筑物的防雷類別混淆，盡管它們都是基于雷電風(fēng)險

評估的劃分。