低壓配電系統(tǒng)電涌保護

電涌（surge）研究及電涌保護是近三十來年發(fā)展起來的一個新的技術領域，是雷擊電磁

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

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，雷電是電涌保護最主要的設防對象，因此它屬于防雷技術體系的一部分：

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

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

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

分。多個工程技術體系的交叉，導致電涌保護從概念、術語到方法都比電力系統(tǒng)傳統(tǒng)瞬態(tài)過電

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

系的一個應用分支。

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，關于電涌與電涌保護的很多概念、術語和方法需

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。

電磁兼容學科研究由騷擾源（發(fā)射器）、耦合機制

（路徑）及敏感設備（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耦合機制主要有導體傳導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關系，將傳導耦合稱為電阻

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（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，當有雷電電磁場時，設備內(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)路中感應電涌電流，該電流

直接流過負載阻抗和信號源。

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。接閃器與遠方

信號線導體間有耦合電容效應存在，接閃器上電荷的快速上升，相當于電容充電過程，信號

線導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,其取值取決于風險評估。

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

若按式(7-1)計算出的過電玉大于閃絡電壓值，在距雷擊點很遠的地方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，當有雷云存在于導線附近時,

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

中，因靜電感應，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線

向先導通道附近積聚，形成束縛電荷，而與雷云所帶電荷同性的電荷受后排斥，會遠離先導放

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

導通道發(fā)展緩慢，導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

中的導體應是等位體，因此這時先導通道附近的導線與其遠端電壓相同。當雷云終于發(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)感應過電壓的靜電分量由于放電時雷云中的負電荷向大地泄放，使導線上的正

a)b)

圖7-9線路上雷電感應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

線上都會產(chǎn)生對地電壓，該對地電壓與電流大小正相關。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

而使靜電場突然消失造成的，故稱之為感應過電壓的靜電分量“

⑵感應過電壓的電磁分量先導放電發(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。變化的磁場與導線耦

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

根據(jù)統(tǒng)計和理論分析，感應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一導線懸掛平均高度(m)；

d—雷云放電點與導線在地面投影的距離(m：。

感應過電壓同時存在于線路各導體，故不存在導體間電位差，過電壓是線路各導體對于大

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15kV以上。相

應的電涌電流可通過低壓線路的波阻抗估算。

4.建筑物內(nèi)線路中預期感應電壓和能量的估算

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

氣電子線路中預期最大感應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，預期的最大感應電壓：kV）：

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

與RM有關,一般取RM//<0.1Q/m；

Uq—屏蔽電纜內(nèi)導體之間的最大差模電壓（kVl：

W一當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，表中的感應電壓計算式應乘以0.75,能量

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

以0.25（即0.52）.

第二節(jié)電涌保護器

電涌保護器（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器件，用以保護電氣電子系統(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，相關的要求由IEC/TC37技

術委員會SC37A低壓電涌保護器分委會的系列標準規(guī)定，而當初成立的TC37則負責傳統(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標準制定。我國關于電涌保護器的主要

國家標準是GB/T18802《低壓電涌保護器（SPD）》，該標準為一套系列標準，等同

采用SC37A的IEC61643系列標準，其中GB/T18802.1—2011《低壓電涌保護器（SPD）

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

用電涌保護器的主要依據(jù)。

一、電涌保護器的原理與類別

1.電涌保護器工作原理、基本功能和失效模式

電涌保護器工作原理與避雷器類似，所不同的是電涌保護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

護器應具有以下基本功能：

1）系統(tǒng)無電涌時，SPD不應對系統(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至保護要求，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應能在系統(tǒng)正常電應力下恢復到高阻抗

狀態(tài)。

當耗散的電涌能量大于SPD所設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，低壓電涌保護器動作

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

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，嚴重影響系統(tǒng)的正常工作，影響方式和程

度與保護模式有關，需要在系統(tǒng)上設置后備保護將失效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型元件構(gòu)成，也可以由限壓

型和開關型元件串、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

護特性可以分為以下幾種類別。

（1）電壓開關型SPD簡稱開關型SPDo無電涌

時呈高阻抗狀態(tài)，當電涌電壓達到一定值時突變?yōu)榈?/p>

阻抗，因此又曾稱為“短珞開關型”，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，主要作用是泄放雷電能量，但特性陡峭、I

殘壓較高，不適合作設備的保護。限批型與開關型限壓劑與開關型

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。無電涌時呈高阻抗狀態(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)，主要用作設備保護。

⑶混合型SPD是將開關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各類型電涌保護器的保滬特性示例

a）電壓開關型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，但輸入輸出對應端子間阻抗為零，相當于

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、電涌保護器的沖擊分類試驗

SPD產(chǎn)品的參數(shù)標定、形式試驗和合格性檢驗等都依賴于一系列配套的標準化試驗，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

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

所謂電涌保護器的應用條件，主要指其安裝位置和保護任務。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，因此其主要任務是泄放雷電能

量，因其特性很難與被保護設備相配合，一般不能直接保護設備；在遠離高暴露區(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主要任務是進一步泄放

能量，并以合適的特性可靠地保護被保護設備。

因此，應用于高暴露區(qū)和低暴露區(qū)的SPD,其工作條件、保護要求都有所不同，相應地

對其特性參數(shù)的要求就會有所差異。設立三種沖擊試驗，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)定的標準電壓和標準電流下進行的，這些標準電壓、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%峰值對應時間點間的時長。

⑵電涌保護器的試驗電流

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應在50Hs內(nèi)達到；②電荷量。應在10ms內(nèi)轉(zhuǎn)移到被試SPD;

③比能量應在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)標準規(guī)定不盡相同，學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，進入低壓系統(tǒng)的直接雷擊電流量值遠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，該量值遠小于建筑物防雷參數(shù)（見表5-5）中的雷電流值。

當然，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復合波復合波由復合波沖擊發(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。在此基礎上還可以測量一些保護特性參數(shù)，如電壓保護水平等。

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類試驗模擬了部分導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)界面的電壓開關型

SPD就應進行該項試驗。

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應進行該項試驗。

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沖擊電流的復合

波發(fā)生器作的試驗，依次按預定開路電壓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類試驗模擬了末端用電設備

處電涌保護器工作情況，常用于相導體與中性導體間作差模保護的SPD,因為這種情況下用電

設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備阻抗的分流情況。

I?HI類沖擊試驗的相關信息如表7-3所示。

表7-3I?HI類沖擊試驗的用關信息

試驗類別試驗波形所測參數(shù)適用保護模式主要用途

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，建筑物架空線進線

波,imp、/sn電流波/n,電壓保護水平Up

處

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

n共模，差共模

波，isn電流波電電流/…電壓保護水平UP建筑物電纜進線處

配電系統(tǒng)末端SPD,如終端配電箱

in復合波開路電壓Uoc差模

處，電源插座處

動作負載試驗：在施加最大持續(xù)工作電壓a條件下，SPD應能承受規(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相當于一

個消耗電涌能量的負載，其負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負載能力的參量需要從技術原理和工作狀態(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

量遠大于/sn，因此在/imp沖擊下動作負載更重，這也就是高暴露地點SPD需要進行I類試驗

的原因之。

三、電涌保護器的主要參數(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。仇不應低于線路中

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與電壓保護水平UP有正相關性，

其最大取值受電壓保護水平的約束。

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，對電壓開關型SPD,電壓保護水平加等于規(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電壓保護水平等于其限制電壓。

但就SPD產(chǎn)品標定參數(shù)而言，由于產(chǎn)品標準中有UP的系列推薦值，基于標準化的要求，

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

UP與SPD放電電流有關。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的電流對應的殘壓為限制電壓。確定限制電壓

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

電壓保護水平應低于設備的沖擊耐壓，這是保護的必要條件，因此保護水平低對設備是有

利的。但保護水平UP與最大持續(xù)工作電壓Uc呈正相關性，例如，當標稱放電電流/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定電壓保護水平UP時所對應的電流。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應接近于安裝位置處預期頻繁出現(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的SPDo

末端電涌保護由于負載阻抗分流作用，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行比對，因此用電壓值來表征，負載阻抗的分流效

應由試驗波發(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

應的仍然是電流。

⑻額定開斷續(xù)流/n指SPD本身能斷開的預期工頻短路電流，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，從系統(tǒng)角度看其性質(zhì)為剩余電流。

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

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

電壓保護水平Up/kv0.91.51.52.0

標稱放電電流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)電涌保護配置

在電涌保護技術出現(xiàn)之前，低壓系統(tǒng)有傳統(tǒng)的避雷器保護，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)避雷器保護措施不僅不能阻止過大的雷電能量通過低壓系

統(tǒng)進入電子信息設備，而且對低壓系統(tǒng)本身的設備也存在失防之處。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)，電涌保護已完全涵蓋了傳統(tǒng)雷電過電壓保護的功能。

一、電涌保護對象分級

電涌防護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)的防護級別與電子信息系統(tǒng)的防護級別等同，因此有時也可統(tǒng)稱為建

筑物的電涌防護等級。應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險

評估的劃分。