低壓配電系統浪涌保護器（SPD）設計現狀及方法

曾峰

摘 要：防雷設計的強制性條文規定，建筑物應設置防直擊雷的外部防雷裝置，并采取一定的防閃電電涌侵入措施。而安裝浪涌保護器（Surge Protection Device，簡稱SPD）是防止閃電電涌侵入的主要措施之一。結合浪涌保護器的設計現狀及存在問題，提出了較為完善的低壓配電系統浪涌保護器的設計方法，以期為相關單位提供參考。

關鍵詞：防雷裝置；浪涌保護器；電磁干擾；電子信息系統

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.111

隨著信息技術的發展，電子信息系統被廣泛應用于建筑物內部。但是這些系統普遍具有絕緣強度低、過電壓和電流耐受能力差、對雷擊所引發的電磁干擾敏感等特點。某些電子設備一旦遭受閃電電涌的侵害，則會失去效用，嚴重時將永久損壞，進而導致電子信息系統癱瘓。浪涌保護器是電子設備雷電防護中不可缺少的裝置之一，能保護相關設備或系統不被破壞，應用領域十分廣泛。但因我國防雷工程的設計和施工水平參差不齊，導致一些不規范的浪涌保護器被安裝于建筑中。因此，本文對現行模式化的浪涌保護器設計存在的問題進行了分析和研究，并提出了較為完善的低壓配電系統浪涌保護器的設計方法，以期進一步保障建筑物電子信息系統的安全。

1 浪涌保護器的設計現狀

1.1 設計依據

目前，浪涌保護器設計的主要依據為《建筑物電子信息系統防雷技術規范》（GB 50343—1994）。該標準適用于電子信息系統防雷的設計、施工、驗收和管理，明確規定了電子信息系統雷電防護等級的分級標準和浪涌保護器的設置位置、型號。

1.2 設計參數

建筑物防雷裝置的設計應與建筑物主體設計同步，且浪涌保護器應作為安全電器安裝于電氣系統中。在設計時，設計人員應根據GB 50343—1994確定建筑物電子信息系統的防雷等級。

本文以某民用建筑為例，該建筑物電子信息系統的雷電防護等級為D級。表1為該建筑中浪涌保護器的安裝位置及其標準放電電流。

1.3 存在問題

雖然上述模板化的浪涌保護器的設計方法簡單易行，但卻未考慮到建筑物的特點、所處雷電環境、浪涌保護器的能量配合及其參數，難以真正實現科學、合理的設計目標。因此，最終生成的施工圖存在以下問題：①確定沖擊電流（放電電流）的方法僅考慮了建筑物的特性，未有效分析雷電環境。②浪涌保護器的設計僅注重了沖擊電流的選取，忽略了最大持續工作

電壓、電壓保護值等重要參數。③在浪涌保護器的設計中，雖然設定了第I級和第Ⅱ級浪涌保護器的放電電流均≥50 kA，但未考慮兩級間的距離和配合方法。④未考慮浪涌保護器的有效保護距離。如果浪涌保護器與設備的距離過遠，則雷擊電流可能通過回路產生振蕩，形成反射雷擊電流，進而導致浪涌保護器兩端的過電壓超過電壓保護范圍。

2 浪涌保護器的優化設計方法

2.1 參考依據

在設計工作中，設計人員應根據《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—2010）、《雷電防護》（IEC62305）和《低壓配電系統的電涌保護器（SPD）第12部分：選擇和使用導則》（GB/T 18802.12—2006）等相關標準，綜合考慮浪涌保護器的設計要求，并運用最先進的技術完善現有浪涌保護器的設計方法。

2.2 設計步驟

浪涌保護器的設計要點包括浪涌保護器配電箱的位置、浪涌保護器的主要參數。

2.2.1 雷電環境分析

設計人員應分析建筑物所在位置的閃電定位資料，計算該區域的年平均落雷密度和雷電流峰值。在上述所舉的例子中，2000—2010年建筑物附近3 km×3 km范圍內的年平均落雷密度為1.06次/km2，雷電流峰值為267.2 kA。

2.2.2 建筑特性分析

浪涌保護器的設計必須在全面了解建筑物特性的基礎上，與建筑物的整體設計同步進行。建筑物的特性包括建筑規模（長、寬、高），供電制式，入戶線路的敷設方式、規格、型號，配電箱的位置，重要設備的位置、數量，配電系統中設備絕緣的耐沖擊電壓。

2.2.3 第I級浪涌保護器的基本參數

在本文所舉的例子中，應安裝開關型浪涌保護器，其沖擊電流Iimp由雷電流峰值和入戶線路的情況決定，最大持續運行電壓UC由配電系統的供電制式決定，電壓保護水平Up由被保護設備的最大耐受電壓決定。

沖擊電流Iimp為浪涌保護器能承受的最大電流。如果入戶的線纜為無屏蔽線纜，則：

Iimp=0.5I/nm. （1）

式（1）中：I為雷電流幅值，為保障浪涌保護器能泄放項目所在位置所有可能通過的雷電流，此處應選取年雷電流峰值；n為入戶線纜數；m為芯線數量。

屏蔽電纜可通過以下公式計算：

Iimp=0.5IRs/n（mRs+Rc）. （2）

式（2）中：Rs為屏蔽層單位長度的電阻；Rc為芯線單位長度電阻。

最大持續運行電壓UC為可能持續施加于浪涌保護器的最大均方根電壓或直流電壓，且等于浪涌保護器的額定電壓。在計算UC時，要保證其能滿足回路中電源電壓不平衡和不穩定的實際需求。在TN系統中，UC應大于1.1倍的系統供電相電壓，即>242 V。

電壓保護水平Up為后續保護的限制電壓。因此，應考慮有效的電壓保護水平，即在保證浪涌保護器連接線長度<0.5 m的前提下，留有20%的余量，其計算公式為：

Up/f=1.2Up. （3）

因此，設計人員在設計中應保證：

Up/f

2.2.4 浪涌保護器配電箱的位置

從原則上講，浪涌保護器的配電箱應設置于兩防雷分區的交界處，且對于所有由外引入的電氣線路，均應在低壓總配電箱處安裝第I級浪涌保護器。

2.2.5 有效保護距離

有效保護距離是浪涌保護器與設備間線路的最長距離，在此段距離內，浪涌保護器能有效保護設備。因此，保護距離應取因震蕩現象而形成的保護距離或因感應現象而形成的保護距離中的較小值。

對于因振蕩現象而形成的保護距離Lpo，當線路長度>10 m或UP>UW/2時：

LPO=[UW-UP]/K（m）. （5）

式（5）中：K=25（V/m）。

因感應現象而形成的保護距離Lpi的計算公式為：

LPi=[UW-UP]/H. （6）

式（6）中：H=30 000×KS1×KS2×KS3；KS1為與建筑物內的屏蔽在LPS或LPZ0/1臨界處產生的屏蔽效應有關的因子，KS1=0.12ω（ω為柵格空間屏蔽的尺寸）；KS2為與建筑物內的屏蔽在LPZ1/2臨界處產生的屏蔽效應有關的因子，計算方法同KS1；KS3為隨內部線路而變化的系數。

如果被保護設備在第I級浪涌保護器的保護范圍內，則第I級浪涌保護器可起到保護設備的作用；如果被保護設備在第I級浪涌保護器的保護范圍外，則應考慮安裝第II級和第III級浪涌保護器。在上述所舉的例子中，可安裝限壓型浪涌保護器，雖然其對雷電流的泄放能力低于第I級浪涌保護器，但可持續工作電壓和電壓保護水平的確定方法可參照按第I級浪涌保護器的基本參數。

2.2.6 能量配合

為了保證多級浪涌保護器間的有效配合，實現逐級泄放雷電流的目標，開關型浪涌保護器與限壓型浪涌保護器的距離應>15 m，限壓級浪涌保護器之間的距離應>5 m。如果無法滿足上述要求，則應增設集中電感作為等效電阻。

此外，在確定了浪涌保護器配電箱的安裝位置、電壓保護水平滿足系統要求的情況下，如果沒有其他特殊規定，則要從浪涌保護器的正常狀態、故障狀態兩方面考慮其是否會對其他設備造成影響。在浪涌保護器正常運行的情況下，應確保最大持續工作電流IC不會引發任何設備故障，即IC應小于與之配合的剩余電流保護器額定剩余動作電流的1/3；在浪涌保護器故障的情況下，為了不影響其他設備的運行，應加設必要的脫離裝置。

設計好的浪涌保護器的各項指標均滿足系統的要求后，則可出圖、制作。雖然浪涌保護器可加入電氣系統的圖紙中，但應明確其參數要求，并附上建筑物供電系統下的浪涌保護器安裝示意圖。

3 結束語

綜上所述，配電系統中的設備常遭到雷電過電壓和雷擊電磁脈沖的破壞，因此，盡快解決建筑物電子信息系統的雷電災害防護問題十分重要。隨著相關法律法規、技術標準的不斷完善，浪涌保護器的設計、安裝日漸規范化，已成為建筑物防雷工程中不可或缺的重要組成部分之一。本文分析了浪涌保護器的設計現狀、存在問題，并在此基礎上，綜合考慮了浪涌保護器的設計要求，完善了設計方法，以期提升建筑物電子信息系統的防雷減災效果。

參考文獻

[1]高春宇.電涌保護器SPD在低壓配電系統中的應用[J].工程建設與設計，2008（01）.

[2]巫觀發，朱奪標.低壓配電系統浪涌保護器（SPD）設置的級間配合問題[J].江西建材，2014（09）.

〔編輯：張思楠〕