关于电涌保护器选择的探讨

技术与应用　关于电涌保护器选择的探讨　梅东亮　（中油辽河工程有限公司，辽宁盘锦　１２４０１０）　摘要本文介绍各级电涌保护器电压保护水平和最大持续运行电压这两个重要参数的选择依　据，分别列举建筑物内第一级电涌保护器和第二级电涌保护器的冲击（放电）电流的３种计算方　法并做比较，给出结论。　关键词：电涌保护器；冲击电流；放电电流；电压保护水平；最大持续运行电压　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｕｒｇｅ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ　Ｄｅｖｉｃｅ（ＳＰＤ）　Ｍｅｉ　Ｄｏｎｇｌｉａｎｇ　（Ｃｈｉｎａ　Ｌｉａｏｈｅ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｐａｎｊｉｎ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　１２４０１０）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａｔ　ａｌｌ　ｌｅｖｅｌｓ　ｓｕｒｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｌｅｖｅ１　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ｂａｓｉｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｃｉｔｅｄ　ｔｈｒｅｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｆｉｒｓｔ　ｃｌａｓｓ　ｓｕｒｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ　ｄｅｖｉｃｅｓ，ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｓｕｒｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｄｏ　ａ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｒｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ（ＳＰＤ）；ｉｍｐｕｌｓｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ（Ｉｉｍｐ）；ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ（／．）；ｖｏｌｔａｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｌｅｖｅｌ（　）；ｍａｘｉｍｕｍ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｖｏｌｔａｇｅ（　）　电涌保护器在防雷击损害的过程中承担着至关　三层弱电机房的动力配电箱内设第二级电涌保护　重要的角色，低压配电系统的雷电过电压防护中，　器；机房的ＵＰＳ电源引自机房动力配电箱，ＵＰＳ配　根据防雷区分类和设备耐压水平的不同划分了多个　出柜内设第三极电涌保护器。本文以为此综合办公　保护等级。为保证各保护等级内电气设各安全，需　楼为例介绍各级电涌保护器选择依据。　设置多级电涌保护器以实现对不同设备进行分级保　护。笔者曾参与北方地区一栋六层综合办公楼（第　１　电涌保护器的主要参数　二类防雷建筑物）的电气设计，该综合办公楼一层　１．１设备耐冲击电压额定值　设配电室一间，两路电源进线，电源进线处分别设　设备制造商给与的设备耐冲击电压额定值，表　第一级电涌保护器。低压配电系统采用放射式，配　征其绝缘防过电压得耐受能力。ＧＢ　５００５７－－２０１０￣建　电室引出电力电缆沿电缆桥架敷设至各楼层配电箱。　筑物防雷设计规范》【　第６．４．４条规定见表１。　表１　建筑物内２２０／３８０Ｖ配电系统中设备绝缘耐冲击电压额定值　设备位置　电源处的设备　配电线路和最后分支线路的设备　用电设备　特殊需要保护的设备　耐冲击电压类别　Ⅳ类　Ⅲ类　ＩＩ类　Ｉ类　耐冲击电压额定值ＵｊｋＶ　６　４　２．５　１．５　１．２　电压保护水平　１．３最大持续运行电压　表征电涌保护器限制接线端子间电压的性能参　可持续加于电气系统电涌保护器模式的最大方　数，其值应大于所测量的限制电压的最高值。对电　均根电压或直流电压；可持续加于电子系统电涌保　压开关型电涌保护器指规定陡度下最大放电电压，　护器端子上，且不致引起电涌保护器传输特性减低　对电压限制型电涌保护器指规定电流波形下的最大　的最大方均根电压或直流电压，其值等于电涌保护　残压。　器的额定电压。　２０１７年第５期电曩｜ｌ藏，ｌｃ　ｌ１１３　技术与应用　１．４冲击流通能量　电涌保护器不发生实质性破坏，每模块能通过　规定次数、规定波形模拟雷电波的最大冲击电流峰　值。对Ｉ级分类试验的电涌保护器以冲击电流厶ｍｐ来　表征；对ＩＩ、ＩＩＩ级分类试验的电涌保护器以最大放　电电流　来表征，一般约为标称放电电流　的２～　２．５倍。用于配电线路电涌保护器放电电流参数，ＪＧＪ　１６—２００８《民用建筑电气设计规范》［　的规定见表２。　表２　配电线路电涌保护器最大放电电流参数　ＬＰＺ０与ＬＰＺ１交界处　防护等级　第一级最大放电电流／ｋＡ　１　０／３５０￣ｔｓ　８／２０Ｖ．ｓ　后续防雷区交界处　第二级最大放电电流／ｋＡ　８／２０￣ｔｓ　第三级最大放电电流／ｋＡ　８／２０￣ｓ　第四级最大放电电流／ｋＡ　８／２０ｔａｓ　Ａ级　Ｂ级　Ｃ级　Ｄ级　≥２０　≥ｌ５　≥１２．５　≥１２．５　≥８０　≥６Ｏ　≥５０　≥５Ｏ　≥４０　≥４０　≥２０　≥１０　≥２０　≥２０　≥１Ｏ　２　第一级电涌保护器的选择　２．１选型依据　第二类防雷建筑物，参照ＧＢ　５００５７—２０１０《建　筑物防雷设计规范》第４．３．８条：在电气接地装置与　防雷接地装置共用或相连的情况下，应在低压电源　线路引入的总配电箱、配电柜处装设Ｉ级试验的电　涌保护器。　式中，，为雷电流（ｋＡ）；　为地下和架空引入的外　来金属管道和线路的总数；　为每一线路内导体芯　线的总根数；Ｒ　为屏蔽层每公里的电阻（￣／ｋｍ），　ＹＪＶ２２—１．０ｋＶ　４芯电缆屏蔽层每公里电阻见表３［４１；　为芯线每公里的电阻（￣／ｋｍ），铜导体芯线每公　里电阻见表４ｃ　。　表３屏蔽层每公里电阻（Ｑ／ｋｍ）　标称　电缆型号及　电压等级　截Ｎ／　ｍｍ一　４Ｘ１６　４×２５　４×３５　铠装前　铠装铡　屏蔽层　电阻／　（Ｑ／ｋｍ）　９．５５　７．８３　６．８９　参照ＧＢ　５０３４３－－２０１２《建筑物电子信息系统防　雷技术规范》［　］第５．４．３条：进入建筑物的交流供电　线路，在线路的总配电箱等ＬＰＺＯＡ或ＬＰＺＯＢ与　假设直径／　带标称厚度／　ｍｍ　１６．１　１９．７　２２．４　ｍｍ　０．２　０＿２　Ｏ．２　ＬＰＺ１区交界处，应设置Ｉ类试验的浪涌保护器或ＩＩ　类试验的浪涌保护器作为第一级保护。雷电防护区　（ＬＰＺ）是用来划分雷击电磁环境的区域，其中　ＬＰＺＯＡ区是指建筑外部受直接雷击威胁的区域；　ＬＰＺＯＢ区是指建筑外部在直接雷击的防护区域内，　但仍然受到全部雷电电磁场威胁的区域；ＬＰＺ１区是　指建筑内部由于边界处分流和电涌保护器的作用使　电涌电流受到限制的区域。　ＹＪＶ２２—１．ＯｋＶ　４×５０　４×７０　４×９５　２６　２９．９　３４．４　Ｏ＿２　Ｏ．２　Ｏ　５　５．９４　５．１　７　１．７８　４×１２Ｏ　４×１５Ｏ　４×１８５　４ｘ２４０　３８．２　４３　４７．６　５３．４　Ｏ．５　Ｏ．５　Ｏ．５　０　５　１．６ｌ　１．４３　１．３０　１．１６　综合以上两本规范的规定并结合本例，笔者认　为在建筑物周边没有贴临建筑的情况下，低压电源　线路引入的总配电箱、配电柜处应装设Ｉ级试验的　电涌保护器更为稳妥。　２．２确定第一级电涌保护器冲击电流　１）方法～：参照ＧＢ　５００５７－－２０１０《建筑物防　雷设计规范》第４．２．４条计算公式，民用建筑低压配　电系统电源进线采用铠装电缆埋地入户，可按照有　本例中综合办公楼为第二类防雷建筑物，埋地　引入的外来金属管道包括：２条ＤＮ１５Ｏ采暖管线，　２条ＤＮ１５０消火栓管线，１条ＤＮ１００消防喷淋管线，　２条ＹＪｖ，２．１．０ｋＶ　４ｘ１８５ｍｍ　电力电缆。　各参数取值：雷电流／＝１５０ｋＡ，地下和架空引　入的外来金属管道和线路的总数ｎ＝７，每一线路内　导体芯线的总根数ｍ＝４，屏蔽层每公里的电阻　屏蔽层计算，即　０．５／Ｒｓ　ｒ一ｒ　ｆ　足＋Ｒ　１　“　１、　Ｒ　＝１．３０￣／ｋｍ，芯线每公里的尺。＝０．１１８ＥＵｋｍ，计算　本例第一级电涌保护器的冲击电流为　１１４Ｉ电囊｜ｌ技术２０１７－￣５期　￣ｉ，：　ｍ　ｐ　７×ｆ４×１．：　！　兰　：３０＋０．　１１８１一　：２．６２ｋＡ（２）…　２）方法二：参照ＧＢ　５０３４３－－２０１２《建筑物电　子信息系统防雷技术规范》第５．４－３条计算公式，即　ｘ　，ｉｍｐ：　：　ｆ　（　１－ｂ／＇／２）（ｍＲｓ＋Ｒ）　式中，ｎ　为埋地金属管、电源及信号线缆的总数目；　ｎ　为架空金属管、电源及信号线缆的总数目。　本例中无架空金属管、电源及信号线，故得出　冲击电流值与方法一相同。　３）方法三：参照表２，根据不同防护等级，选　择第一级冲击电流，本例中综合办公楼并未在Ａ、Ｂ、　Ｃ三类适用建筑物范围内，因此按Ｄ类防护等级选　择，第一级冲击电流等于或大于１２．５ｋＡ。　对比方法一、方法二和方法三，可以看出在有　多芯埋地电缆和多条埋地管道的情况下，冲击电流　值要明显小于规范的要求，因此确定第一级电涌保　护器的冲击电流参数可直接按照规范要求选取，为　≥１２．５ｋＡ即可满足设计要求。　表４铜导体芯线每公里电阻　芯线截面／ｍｍ　电阻／（ｆＵｋｍ）　芯线截面／ｍｍ。　电阻／（Ｏ／ｋｍ）　４　５－３３２　７０　０．３１Ｏ　６　３．５５４　９５　０．２２９　ｌ０　２．１７５　ｌ２Ｏ　Ｏ．１８ｌ　ｌ６　１．３５９　１５Ｏ　０．１４５　２５　０．８７０　１８５　Ｏ．１１８　３５　０．６２２　２４０　Ｏ．０９ｌ　５０　０．４３５　２．３确定第一级电涌保护器电压保护水平　第二类防雷建筑物，参照ＧＢ　５００５７—２０１０《建　筑物防雷设计规范》第４．３．８条第４款强制条文：在　低压电源线路引入的总配电箱、配电柜处安装设Ｉ　级试验的电涌保护器。电涌保护器的电压保护水平　值应小于或等于２．５ｋＶ。　２．４确定第一级电涌保护器最大持续运行电压　本例综合办公楼，建筑物的接地形式为ＴＮ—Ｃ．Ｓ　系统，参照ＧＢ　５００５７－－２０１０《建筑物防雷设计规范》　附录Ｊ，最大持续运行电压的最小值（／ｃ≥１．１５Ｕｏ　２５３Ｖ，笔者查阅了几家电涌保护器生产厂家的样　本，最大持续运行电压为２５５Ｖ或者２７５Ｖ，均满足　设计要求。　技术与应用　３　第二级电涌保护器的选择　３．１　第二级电涌保护器的安装条件校验　表１中特殊需要保护的设备（Ｉ类耐冲击电压　类别）指含有电子电路的设备，如计算机等设备，　此类设备的耐冲击电压额定值为１．５ｋＶ。因此需要　校验第一级电涌保护器的有效电压保护水平　根据ＧＢ　５００５７－－２０１０《建筑物防雷设计规范》第　６．４．６条公式，对于电压开关型电涌保护器，应取　／ｆ＝（／ｐ或　／ｆ＝ＡＵ中的最大值；对于限压型电涌保　护器　／ｆ＝Ｕｐ＋ＡＵ。从以上公式可以看出，第一级电　涌保护器的有效电压保护水平的数值至少要大于或　等于其电压保护水平值，而第～级电涌保护器的电　压保护水平值一般小于或等于２．５ｋＶ，无法有效保　护特殊需要保护的设备（耐冲击电压额定值１．５ｋｖ）。　因此对于有计算机等弱电设备设备的建筑物，应设　置第二级电涌保护器。　３．２选型依据　参照ＧＢ　５００５７－－２０１０《建筑物防雷设计规范》　第６．４．５条：靠近需要保护的设备处，即ＬＰＺ２区和　更高区的界面处，当需要安装电涌保护器时，对电　气系统宜选用ＩＩ级或ＩＩＩ级试验的电涌保护器。　３．３确定第二级电涌保护器放电电流　方法一：参照ＧＢ　５００５７－－２０１０《建筑物防雷设　计规范》第６．４．５条：电涌保护器应与同～线路上游　的电涌保护器在能量上配合，电涌保护器在能量上　配合的资料应由制造商提供。若无此资料，ＩＩ级试　验的电涌保护器，其标称放电电流不应小于５ｋＡ；　ＩＩＩ级试验的电涌保护器，其标称放电电流不应小于　３ｋＡ。　方法二：参照表２，根据Ｄ类防护等级，选择　第二级电涌保护器放电电流，表２中参数是最大放　电电流，ｍ　≥１０ｋＡ。　方法三：根据制造商提供的电涌保护器的能量　配合资料，笔者查阅某品牌的产品样本中电涌保护　器冲击电流参数推荐值，Ｄ类防护等级建筑物，位　于ＬＰＺ１与ＬＰＺ２边界的分配电箱标称放电电流　厶≥２０ｋＡ，ＬＰＺ２与ＬＰＺ３及后续防护区边界的设备　机房配电箱处标称放电电流　≥１０ｋＡ。　对比以上３种方法，电涌保护器放电电流参数　取值越大，说明电涌保护器能承受预期通过它的雷　电流能量越大，电涌保护器的可靠性越高，但有效　的电压保护水平也越高，对要保护的电气设备不利。　设计人员需要在电涌保护器的可靠性和对电气设备　２０１７年第５期电囊｜暑技戒Ｉ１１５　技术与应用　的可靠保护之间权衡，笔者认为需要保护的设备在　做好等电位连结的情况下，可适当放大电涌保护器　放电电流参数取值以增加电涌保护器的可靠性。本　例综合办公楼的三层设有弱电机房，机房动力配电　管道数量和电力电缆的型号计算电涌保护器冲击流　通能量，以此作为依据并结合规范的要求进行更有　针对性的选择，使电涌保护器对建筑内被保护设备　具有更有效的保护。　箱电源直接引白一层配电间，可按照方法二取第二　级电涌保护器标称放电电流厶≥１０ｋＡ。　３．４确定第二级电涌保护器最大持续运行电压的最　小值　参考文献　［１］ＧＢ　５００５７－－２０１０．建筑物防雷设计规范［Ｓ］．２００８．　【２］ＧＪｌ６—２００８．民用建筑电气设计规范ｉｓ］．２００８．　［３］　ＧＢ　５０３４３－－２０１２．建筑物电子信息系统防雷技术规　范ＩＳ］．２００４．　［４］ＧＢ／Ｔ　１２７０６．１—２００８．额定电压ｌｋＶ（　＝１．２ｋＶ）到　选择方法同２．４节，按照电涌保护器接于ＴＮ．Ｓ　系统进行选择。　４　第三级及后续等级的电涌保护器的选择　选择的方法同第３节，仍需要校验安装条件、　３５ｋＶ（Ｕｍ＝４０．５ｋＶ）挤包绝缘电力电缆及附件　第１　部分：额定电压ｌｋＶ（Ｕｍ＝１．２ｋＶ）和３ｋＶ（Ｕｍ＝３．６ｋＶ）　电缆［Ｓ］．　确定电涌保护器放电电流和最大持续运行电压。需　要考虑限压型ＳＰＤ之间的安装距离要求，参见ＪＧＪ　１６—２００８《民用建筑电气设计规范》第１１．９．４条。　［５】　中国航空工业规划设计‘研究院．工业与民用配电手　册［Ｍ］．３版．北京：中国电力出版社，２００５．　５　结论　对于电涌保护器的选择，未必是将参数选越大　越好，而应根据各建筑的防雷等级、进入建筑物的　（上接第１１２页）　作者简介　梅东亮（１９８３一），男，辽宁省盘锦市人，硕士研究生，工程师，主　要从事民１ｆ｛ｊ建筑电气设计工作。　与控制研究［Ｊ］．哈尔滨：ｌ：业大学学报，２０１６，２（１０）：　２３．２５，　【７】杨靖．微分电容法研究电极／离子液体一锂盐混合体　系的电化学界面双电层结构［Ｊ］．上海大学学报，　２０１４，ｌ０（２）：３０—３２．　［１０］路丹花，周雪松，杜颖颖，等．超级电容寿命影响因　素的实验研究［Ｊ】．客车技术与研究，２０１６（１）：５１－５３．　作者简介　王　野（１９８０　），男，吉林省吉林市人，博士研究生，主要从事电　力系统继电保护的开发与设计方面的研究工作。　［８】刘迎，陈燎，盘朝奉，等．充放电效率的超级电容组　容量配置［Ｊ］．河南科技大学学报（自然科学版），　２０１５（１）：２３—２７，３３．　［９］　于宇．超级电容与蓄电池混合储能系统的能量管理　高压输电线路电能无线监测装置及监测方法　近日，国家知识产权局公布专利“高压输电线路电能　无线监测装置及监测方法”，申请人为河海大学。　本发明高压输电线路电能无线监测装置及监测方法，　包括３个电能测量装置、电能计量装置和配电主站；３个　电能测量装置分别用绝缘杆固定在Ａ、Ｂ、Ｃ相杆塔的Ｆ　方，其电极分别与Ａ、Ｂ、Ｃ相高压输电线路接触。　电能计量装置安装在配电变压器附近，从配电变　器　获得低电压信号；３个电能测量装置与电能计量装置之　通过无线方式发送数据，解决了高低压物理隔离问题：电　能计量装置和配电主站之间采用无线ＧＰＲＳ传递数据信息。　１１６Ｉ电｜皇｛技７ｆｃ　２０１７年第５期