王江

【摘 要】低压配电系统中，常采用多级SPD释放电涌能量，以保护用电设

备因雷电过电压、操作过电压及暂态过电压而绝缘损坏。本文基于行波理论分析各级SPD的关系，对各种能量配合方案进行分析，对工程实际具有重要指导意义。

【关键词】浪涌保护器；能量配合；行波理论；退耦器

Discussion on Energy Coordination of Multilevel SPD in Low Voltage Power Distribution System

WANG Jiang

（Guiyang Architectural Design Institute Co.， Ltd.， Guiyang 550081， China）

【Abstract】In low-voltage power distribution system， often adopts multi-stage SPD release surge energy， to protect the Insulation of equipment damage from lightning， switching over-voltage and temporary over-voltage. Based on traveling wave theory， the paper analyzes the relationship between multi-stage SPD， and the analysis of various kinds of energy cooperation schemes， which has important guiding significance for engineering practice.

【Key words】Surge Protective Device；Energy cooperation；Traveling wave theory；Decoupling device

0 引言

在建筑物的防雷系统中，防雷电电涌入侵是整个防雷工程的重要组成部分，GB50057-2010对各类防雷建筑物的低压配电线路装设电涌保护器（SPD）进行规定，并给出各级SPD之间的安装要求[1]，GB/T18802.12-2006规定多级SPD之间的配合原则[2]，然而，规范中未给出多级SPD级间配合可操作的方法。本文通各种配合方案进行分析，提出对多级SPD的选型与安装优选方案。

1 电涌保护器的配合目的

配电线路SPD能量配合的目的，是利用SPD的泄流和限压作用，把出現在配电线路上的任何地点的任何波形和幅度的过电流安全引入大地，把电压限制在绝缘所能承受的范围内[3]，对所有的浪涌过电压、过电流，多级SPD保护系统中任何一个SPD所耗散的能量不超出其耐受能力，就实现了级间能量的配合。

2 多级电涌保护器的级间配合

2.1 基于静态伏安特性的配合

根据行波理论，电流波或电压波在线路中传播速度为：

式中：L0表示导线以大地为回路的每米电感值

C0表示导线每米对地的电容值

在低压配电系统的多级防护中，第一级采用电压开关型SPD（如放电间隙）泄放大的雷电流，第二级采用限压型SPD（如金属氧化物非线性电阻器MOV，以下用MOV表示压敏电阻），将电压限制在较低的范围之内，这是一种较常用的多级保护模式，如图1所示。

由于MOV的响应时间较快，一般为25ns左右[4]，而放电间隙的响应时间约为100ns[4]，为了保证第一级保护比第二级保护先动作，以泄放大的电涌电流，应该保证的是在电涌到达MOV之前让放电间隙动作。如雷电波沿着电力电缆侵入，首先到达放电间隙，由于放电间隙有响应时延，雷电波继续向前行进，以交联聚乙烯电力电缆为例，雷电波传播速度为v=1.75×108m/s，那么，在上下级SPD响应的时间差T=（100-25）ns内向前行进的距离S可以计算出来。s=vt=1.75×108×75=13.13m

即上下级保护器件之间的距离大于13.13m，就能够保证前级先动作，考虑器件实际响应误差，取15m，从而达到SPD之间的配合。如果前后两级保护均为MOV，响应时间均为25ns，但考虑到前后级MOV的引线长度的不同，启动电压的不同以及响应时间上的分散性等情况，响应时间的差值假定为30ns，那么，为了保证前级先动作，则两级保护间的距离应为：

s=vt=1.75×108×30=5.25m

由上计算可知，电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不小于13.13m，限压型之间的线路长度不小于5.25m，达到SPD之间的配合。

3.2 利用线路分布阻抗或退耦元件的配合

当SPD间没有足够距离时，如为电缆线路，可采用增加电缆长度实现配合，也可以利用退耦器来达到级间配合的目的，退耦元件一般采用有足够耐电涌能力的电感或电阻元件，电阻元件常用于信息系统（不作讨论）。

电感作为退耦元件，须考虑电流波形，即di/dt。

图2是两级SPD利用退耦器相配合的例子。图中SPD1和SPD2都是限压型电涌保护器，也可以是SPD1采用电压开关型，SPD2采用限压型。若SPD1、SPD2的导通电压分别是Un1和Un2，则所选用的元件应当满足Un2

（1）入侵冲击波的波形，主要是电流波前的升速——di/dt；

（2）非线性元件SPD1和SPD2的导通电压Un1和Un2的相对大小；

（3）隔离阻抗Zn的性质是电阻Rs还是电感Ls，以及它们的大小。

由于通常情况下，入侵电流一开始的上升速度相当快，条件

Ls（di/dt）+Uu2≥Un1（2）

常常是能够满足的，于是第一级先导通。若第一级导通时的限制电压为Ures，则以后随着入侵冲击电流的升速的下降，当条件

Ures≥Ls（di/dt）+Un2（3）

得到满足时，第二级才导通。第二级导通后，将输出端的电压，抑制在一个较低的水平上。

当第一级为电压开关型SPD、第二级为限压型SPD时，退耦器电感值可用下式校验：

Ls≥（4）

其中：Uf—气体间隙的陡波最大击穿电压，kV；

U2—取限压型SPD残压或电网额定相电压峰值，kV；

di/dt—雷电流陡度，一般可取0.1kA/μs；

Ls—退耦器电感值，μH。

由式（8）可见，电感与雷电流陡度有关，电流陡度越小电感值越大。实际线路上电流陡度变化很大，所以退耦器电感不是一个确定的值。

3.3 采用触发型SPD

触发型SPD的采用电子触发电路实现后续SPD通过电涌电流不超过其耐受能力，无须验证级间能量配合。

4 电涌保护器之间的配合方案

4.1 配合方案Ⅰ

所有的SPD均采用相同的残压Ures，并都具有连续不断的伏安特性。各级SPD和被保护设备的配合正常时由它们的线路阻抗来完成，如图3所示。

4.2 配合方案Ⅱ

各级SPD的残压是递增的，从第一级SPD到最后一级SPD逐级升高，且各级都有连续不断的伏安特性的元件（限压型SPD），残压逐级上高可以更好的保证上一级SPD先于后级动作[5]，但是最后一级残压不应大于设备绝缘耐受电压，如图4所示：

4.3 配合方案Ⅲ

第一级SPD为电压开关型（如放电间隙，气体放电管），其后的SPD为限压型（如压敏电阻），此方案中，第一级SPD主要泄防电涌电流，后续SPD为限电涌电压，具备理想的保护效果，应用较普遍[6]示：

4.4 配合方案Ⅳ

将两级SPD组合在一个装置内形成一个四端SPD，在装置内部两级SPD之间用串接阻抗或滤波器进行配合，如图6所示。

该配合起到了向下级传递最小能量的作用，使输出到下一级SPD或设备的剩余威胁最小。

另外，SPD与被保护设备间的配合，主要是与被保护设备的特性和抗冲击性进行配合。

5 结束语

（1）能量配合的目的是使SPD电压保护水平小于被保护设备绝缘耐冲击电压要求，满足低压设备绝缘配合要求。

（2）通长情况下，电压开关型SPD与限压型SPD之间距离大于15m时，限压型SPD之间距离大于6m时，可实现上下级能量配合。

（3）上下级SPD之间距离不满足距离要求时，可采用增设退藕电感实现配合，其电感量由第一级SPD击穿电压、后一级SPD残压与电涌电流波决定。

（4）给出低压配电系统中常见的几种SPD能量配合方案，方案Ⅲ保护效果更为理想，对于（下转第9页）（上接第6页）采用何种方案，根据工程实际及仿真试验加以验证。

【参考文献】

[1]《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010.北京.中国计划出版社，2010.

[2]《低壓配电系统的电涌保护器（SPD）第12部分：选择和使用导则》GB/T18802.12-2006，北京.中国标准出版社，2006.

[3]姜辉，刘全桢，刘宝全，高鑫，毕晓蕾，高剑.低压配电系统电涌保护器能量配合研究.电磁避雷器[J].2013（3）：137-143.

[4]林世祺，郑键雄，罗志勇，谢宝永.建筑物低压配电系统电涌保护器能量配合分析.价值工程[J].2015（21）：144-146.

[5]吴劲夫.电涌保护器几件能量配合设计，煤炭技术[J].2012，31（9）：41-43.

[6]梅卫群，江燕如.《建筑防雷工程与设计》北京.气象出版社.2008.endprint