（免费下载）GB/T 19271.3-2005 雷电电磁脉冲的防护 第3部分：对浪涌保护器的要求
1 范 围
1 范 围
本部分对已由GB 18802.1作了标准化的浪涌保护器提出技术要求。这些SPD是按照GB／T 19271.1阐述的防雷区概念进行安装的。
首先，从相关的初始威胁值出发，本部分给出了如何确定各个SPD所承载浪涌的指南。
对于安装有SPD的复杂系统，遵循本部分所描述的方法，可将系统划分成若干个简单的基本结构。知道了系统中各处局部雷电流的大小及方向，就可选择合适的SPD。
本部分还涉及SPD相互之间以及SPD与被保护设备之间能量配合的一些基本问题。为了实现有效配合，需要考虑各个SPD的特性以及相应安装地点的浪涌状况。本部分还简要说明验证系统中安装的SPD是否配合的方法。
2 规范性引用文件
2 规范性引用文件
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GB／T 16935.1-1997 低压系统内设备的绝缘配合 第一部分：原理、要求和试验(idt IEC 60664-1：1992)
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IEC 61024-1 建筑物防雷 第1部分：通则
IEC 61643-2 低压配电系统的浪涌保护器 第2部分：选择和应用指南
ITU-T K系列 抗干扰防护
ITU-T K.20 电信交换设备抗过电压及过电流能力
ITU-T K.21 用户终端设备抗过电压及过电流能力
3 定义、缩略语和符号
3.1
浪涌保护器 surge protective device(SPD)
用以限制瞬态过电压以及分流浪涌电流的装置，至少包含一个非线性元件。
[GB 18802．1-2002，3．1定义]
3.1.1
电压开关型SPD voltage switching type SPD
无浪涌时呈高阻状态，但一旦响应电压浪涌时，其阻抗就突变为低阻抗的SPD。用作电压开关的一些常见组件有：放电间隙、气体放电管、晶闸管(硅可控整流器)、双向三端晶闸管。这些SPD有时称为“短路开关型(crowbar)SPD”。
[GB 18802．1-2002，3．4定义]
3.1.2
限压型SPD voltage limiting type SPD
无浪涌时呈高阻状态，但随浪涌电流和浪涌电压的增加，其阻抗会不断减小的SPD。常见的非线性器件有：压敏电阻和抑制二级管。这些SPD有时称为“箝位型SPD”。
[GB 18802．1-2002，3．5定义]
3.1.3
组合型SPD combination type SPD
这种浪涌保护器，将电压开关组件和限压组件组装在一起，根据它们的“组合参数”和外施电压的特性，SPD显示出电压开关特性或限压特性，或者既有电压开关特性又有限压特性。
[GB 18802．1-2002，3．6定义]
3.2
SPD Ⅰ类测试 Class Ⅰ test
GB 18802．1中所规定、对安装于LPZ0A与LPZ1界面上的电流型避雷器的测试程序。其他SPD顺序安装。
Ⅰ类测试的SPD应做冲击电流为Iimp的工作状态试验。
3.3
SPDⅡ类测试 Class Ⅱ test
GB 18802．1中所规定、对过电压型避雷器的测试程序。
Ⅱ类测试的SPD应做冲击电流为Imax的工作状态试验。
3.4
SPDⅢ类测试 Class Ⅲ test
GB 18802．1中所规定、对过电压型避雷器的测试程序。
Ⅲ类测试的SPD应做组合波的工作状态试验。
3.5
最大持续工作电压 maximum continuous operating voltage
Uc
可以持续施加于SPD保护模式上的最大交流电压有效值或直流电压值。最大持续工作电压等同于额定电压。
[GB 18802．1-2002，3．11定义]
3.6
残压 residual voltage
Ures
放电电流流过SPD时在其端子间呈现的最大电压。
[GB 18802．1-2002，3．17定义]
3.7
冲击电流 impulse current
Iimp
由电流峰值及电荷量所确定并按工作状态试验测出的电流。用该参数对Ⅰ类测试的SPD分等级。
[GB 18802．1-2002，3．9定义]
3.8
最大放电电流 maximum discharge current
Imax
通过SPD的最大电流值。该电流具有Ⅱ类工作状态测试所规定的波形(8／20μs)及幅值。Imax大于标称放电电流In。
[GB 18802．1-2002，3．10定义]
3.9
抗损能力 immunity against damage
设备抗传导和辐射雷电效应而不损坏的能力。
[GB／T 19271．2-2005，1．3．3定义]
3.10 缩略语
EUT 在试设备
LPZ 防雷区
MOV 金属氧化物变阻器
EB 等电位连接带
3.11 符号
C(T1-3) 低压变压器副边绕组的绕组电容
di／dt 电流上升速率
IES 通过遭雷击建筑物接地系统的雷电流
IET 通过低压变压器接地系统的雷电流
Ilightning 总的雷电流(简化计算方法)
ILV 通过低压系统的雷电流
Imains 通过遭雷击建筑物配电系统的雷电流
Ineutral 通过中性线的雷电流
Ipeak 峰值电流
isc SPD的短路输出电流(LTE配合方法)
Iphase1-3 通过各条相线的雷电流
lcc 连接电缆的长度
L(1-3) 两个SPD之间的线路电感
LCC 电信屏蔽电缆的电感
LCT 电力电缆的电感
LDE 去耦元件的电感
LEC 电信分局接地系统的电感
LES 遭雷击建筑物接地系统的电感
LET 低压变压器接地系统的电感
Lmains 整个低压电源网络的电感
L(T1-3) 低压变压器副边绕组的绕组电感
Lwp 水管的电感
Qs (短时雷击的)放电电荷
RCC 电信屏蔽电缆的电阻
RCT 电力电缆的电阻
RDE 去耦元件的电阻
Rearth/g 遭雷击建筑物接地系统的电阻(简化计算方法)
Rearth/1-n 由同一低压配电网络供电的各个建筑物接地系统的电阻(简化计算方法)
REC 电信分局接地系统的电阻
RES 遭雷击建筑物接地系统的电阻
RET 低压变压器接地系统的电阻
Rmains 整个低压电源网络的电阻
RN 低压变压器中性线的电阻
RTL 电话线的接地电阻
R(T1-3) 低压变压器副边绕组的绕组电阻
RWP 水管的接地电阻
R(1-3) 两个SPD间的线路电阻
Sn 低压变压器的视在功率
T1 波前时间
T2 半峰值时间
UARC 放电间隙的弧光电压
UDE 去耦元件两端的压降
UOC SPD的开路输出电压(LTE配合方法)
ULOAD 负载上的压降
UN 系统的标称电压
Umax 最大电压值
Uref(1mA) 使MOV流过1mA直流电流时的电压
USG 放电间隙两端的压降
Wmax 最大耐受能量
W／R 单位能量
Zi 组合波发生器的“虚拟”阻抗
Zmains 整个低压电源网络的阻抗
4 相关威胁值——雷电流参数
4 相关威胁值——雷电流参数
闪电的初始威胁由以下三个部分组成：
——首次雷击雷电流；
——后续雷击雷电流；
——长时间雷击雷电流。(见GB／T 19271.1-2003，图2)
各种不同保护级别的雷电流参数列于GB／T 19271.1-2003的表1至表3中(见注1)。
所有三种分量都可当作外加电流来看待。就顺序安装的SPD的配合来说，首次雷击是决定性因素，因为后续雷击的单位能量、电荷量、峰值电流相对较小但电流的渡前时间相对较短(见注2)。长时间雷击对电流型避雷器(Ⅰ类测试)来说，只不过是额外承载的一个电流，因此涉及配合问题时可不予考虑。
为了进行配合，要从这些参数中得出一些必要的特征值(如波形、能量等)：
——从首次雷击的初始相关威胁参数出发，规定10／350μs为模拟直接雷击的浪涌电流波形。这是用以验证SPD能量配合的合适的冲击电流。
——考虑到直接雷击电流与低压设备之间的相互作用，系统内部各个局部雷电流的波形可能不同。
因此，也要考虑最小电流陡度的试验电流，即0.1kA／μs试验电流。
注1：这些参数代表了雷电流的威胁值。每一个SPD仅承载总雷电流的一部分。
注2：GB／T 19271.1-2003的附录B给出了分析用的雷电流解析函数，同时也给出了用于解析函数的各种参数值。
注3：如果按首次雷击电流值来确定SPD的规格参数，则对这样的SPD，后续雷击将不会对它们构成什么问题。如果采用电感作去耦元件，则电流上升时间越短越易配合。
注4：若采用电阻作去耦元件(例如，信息系统中的SPD经常采用电阻作去耦元件)则需考虑允许的最大电流值。
5 按防雷区布置SPD
5.1 防雷区
需保护的空间应划分为不同的防雷区，以确定具有不同LEMP严酷程度的各个区。穿越防雷区界面的金属设施应在每个穿越点作等电位连接。在本部分中，假定等电位连接网络的阻抗可忽略不计，电缆按GB／T 19271.2-2005中3.5的要求布设。如果这些前提条件不满足，则查阅GB／T 19271.4，以获得更多信息。
5.2 防雷区的确定
防雷区是根据GB／T 19271.1-2003的3.1以及图3和图4来确定的。
将需要保护的空间划分为不同防雷区的一般原则示于图1a)、图1b)及图2。
5.3 SPD在各防雷区界面处的布置
图2给出按防雷区在配电系统上安装SPD的实例。SPD是顺序安装的(见注1)，并按穿越点的要求来选择SPD。
建议将电源网络和信号网络彼此靠近进入被保护空间，并在一块共用的等电位连接带上作等电位连接。这对一座由非屏蔽材料(木、砖等)建造的建筑物(或被保护空间)尤为重要。
所选SPD以及它们接入被保护空间的整个电气系统后，应保证雷电流大部分在LPZ0A与LPZ1的界面上泄入接地装置。
雷电流的原有能量被大部分耗散掉后，则后续SPD只需对付LPZ0A与LPZ1界面处的剩余浪涌和LPZ1区内电磁场的感应效应(见注2)。
因此，各个SPD的连接导体需有足够低的阻抗值(见注3)。
注1：图2说明了一座无屏蔽的建筑物，仅由于外部防雷系统中各部件的分流作用以及由于作用距离的原因，才使其中的电磁场有所减小。
注2：如果在LPZ0A与LPZ1界面处安装电压开关型SPD，还需考虑开关型SPD未达到其动作阀值时，后续SPD承受的浪涌。
注3：为了获得最佳的过压保护，SPD的所有连接导线、引线、电缆应尽可能短。连接导线指的是由相线至SPD以及从SPD至主接地端子或保护地的导线。
6 对SPD的性能要求
6.1 从LPZ0A到LPZ1的过渡
从LPZ0A穿入LPZ1的线路可能传导雷电流。
宜由SPD(Ⅰ类测试)在此界面上将这些雷电流大部分分流掉。
该SPD承受的雷电流参数，将由以下因素确定：
——根据表1及GB／T 19271.1所选定的“保护级别”；
表1 首次雷击雷电流参数
——接地阻抗以及进入被保护空间的所有金属设施(如水管、煤气管、电信及电力电缆)的阻抗；
——交流供电电源制式(TN、TT、IT……)以及电网结构。
根据这些因素，计算出流过SPD的雷电流(详情见附录B)。
需使SPD的电压保护水平满足被保护设备的抗损能力以及电力装置绝缘配合(见GB／T 16935.1)的要求。如果不知道被保护设备的抗损能力，宜采用GB／T 17626.5所要求的或经实测的抗扰度。
注：由于实际应用中存在一些不确定因素，需给抗扰度留有充分的安全裕量。
6.2 从LPZ0B到LPZ1的过渡
在LPZ0B区内，由雷电流引起的电磁场起支配作用。排除直接雷击。
在此情况下，根据GB 18802.1可用波形为8／20μs的浪涌电流试验(Ⅱ类测试)或适当组合波试验(Ⅲ类测试)来模拟感应效应。
需使SPD的电压保护水平满足被保护设备的抗损能力以及电力装置绝缘配合(见GB／T 16935.1)的要求。如果不知道被保护设备的抗损能力，宜采用GB／T 17626.5所要求的或经实测的抗扰度。
注：由于实际应用中存在一些不确定因素，需给抗扰度留有充分的安全裕量。
6.3 从LPZ1到LPZ2的过渡
从LPZ0过渡到LPZ1后剩余的浪涌值以及LPZ1区内电磁场的感应效应，决定了对LPZ1与LPZ2界面处SPD的要求。如果不能够对浪涌值作详细分析，则可用GB 18802.1中所述的8／20μs浪涌电流Ⅱ类测试，或者适当的组合波Ⅲ类测试，来模拟施加于SPD上的主要的浪涌电流和电压。如果LPZ0A与LPZ1界面处的SPD是开关型SPD，则还需考虑前级开关型SPD触发前施加于后级SPD上的10／350μs浪涌。
需使SPD的电压保护水平满足被保护设备的抗损能力以及电力装置绝缘配合(见GB／T 16935.1)的要求。如果不知道被保护设备的抗损能力，宜采用GB／T 17626.5所要求的或经实测的抗扰度。
为了保护敏感的信息系统，可能需采用较低的电压保护水平值(见GB／T 17626.5及ITU-T的K系列建议)。
注：由于实际应用中存在一些不确定因素，需给抗扰度留有充分的安全裕量。
7 能量配合
7.1 总的配合目的
在需要保护的系统中安装SPD的数量取决于防雷区数量、被保护设备的抗损能力以及所用SPD的特性。所选SPD的电压保护水平必须满足低压装置绝缘配合的要求以及被保护设备的抗损能力。能量配合的目的就是要避免保护系统内的SPD过负荷。因此必须弄清依其安装位置及特性决定的各个SPD所承受的浪涌值。
如果使用了一个以上的SPD来保护设备，并且核对了这些SPD的保护特性及其安装位置适合于被保护设备时，就需要研究这些SPD间及其与被保护设备间的配合问题。
如果对每一个浪涌电流，由SPD耗散的能量低于或等于SPD的最大耐受能量(对去耦元件也是如此)，则实现了能量的配合。
最大耐受能量定义为SPD所能耐受的不致引起其性能劣化的最大能量，宜由以下方法获得SPD的最大耐受能量：
——GB 18802.1-2002第7章的电气测试；
——参考制造商的技术资料。
可用图3所示的单相电路图说明SPD能量配合的基本模型。该模型只有在公共等电位连接网络(CBN)的阻抗以及CBN与SPD1和SPD2的连接线之间的互感可忽略时才有效。实现如此低耦合的措施由GB／T 19271.4给出。对于阻抗较高的情况，可参考GB／T 19271.4。
7.3 防护系统的基本配合方案
目前有四种防护系统配合方案。前三种方案建立在多个单端口SPD共同分流上，而方案Ⅳ是用于其内部集成有去耦元件的双端口SPD。应用这些配合方案时，还必须考虑那些可能被组合在被保护设备内的SPD。
方案Ⅰ
所有的SPD取相同的残压值Ures，这些SPD具有连续的伏安特性(如压敏电阻、抑制二极管)。
SPD间以及SPD与被保护设备间的配合，通常是用它们之间的线路阻抗来实现的(见图7)。
注：SPD参数的分散性可能会影响配合的结果。
方案Ⅱ
本方案中，所有SPD具有连续的伏安特性(如压敏电阻、抑制二极管)。
SPD的残压Ures呈台阶式，从第一个SPD向后续SPD逐个升高(见图8)。
这是一种用于供电系统的配合方案。
注：本方案要求装在被保护设备内的SPD的残压值要高于安装于设备之前的最末一个SPD的残压。
方案Ⅲ
图9中，SPD1为具有不连续伏安特性的开关型SPD(如放电间隙)，其余SPD为具有连续伏安特性的限压型SPD(如MOV)。
本方案的特点是由于第一个SPD的“开关作用”，使原来的冲击电流(如10／350μs)的半峰值时间被减小，从而大大减小后续SPD承受的浪涌能量。
注：关于信号线的其他信息在ITU-T K系列建议中给出。
方案Ⅳ
用串联阻抗或滤波器作内部配合的多个级联的SPD组合在一起，可构成一个双端口SPD(见图10)。其内部实施了成功的配合意味着将向下游的SPD或设备传送最小的能量。这些双端口SPD必须与系统中的其他SPD，恰当地按方案Ⅰ、方案Ⅱ或方案Ⅲ进行充分配合。
7.4 根据“容通能量(LTE)”进行配合的方法
用标准脉冲参数进行配合的过程就是选配SPD的过程。该方法的主要优点是可以将SPD当作“黑盒”看待(见图11)。因此，在输入端口施加一给定的浪涌，不但能确定其开路输出电压，也能确定其输出短路电流(“容通能量”原理)。这些输出特性转换成一个与其等效的“2Ω组合波”输出值(开路电压1.2／50μs，短路电流8／20μs)。该方法的优点是无需特别了解这类SPD的内部设计。
注：当SPD2对SPD1无反作用时，采用本方法可获得理想的结果。当SPD1的伏安特性与SPD2的伏安特性非常不同，以致可将SPD2的输入浪涌当作准外施电流看待时，就属这种情况。例如放电间隙与MOV之间的配合，就满足这一条件。
本配合方法的目标是使SPD2的输入值(如放电电流)与SPD1的输出值(如电压保护水平)相匹配。
为了配合恰当，应使SPD1的等效输出组合波不超过SPD2能够吸收而不导致损坏的最大允许输入组合波。
为使配合可靠，应以最苛刻的参数值(最大电流、最大电压、容通能量)确定SPD1的等效输出混合脉冲。
注：关于本配合方法的其他资料在IEC 61643-2中给出。
8 验证方法
8 验证方法
安装在一个系统中的所有SPD，包括被保护设备，实现它们之间的能量配合是决定保护效率的决定性因素。
SPD的制造商应公布每个SPD用于配合的基本参数。
是否实现了配合可用以下方法加以验证：
a) 配合试验
遵照SPD的三种基本组合(见7.2.2、7.2.3、7.2.4)有可能通过试验证实实现了配合。
b) 计算
以不同的精度，通过计算证实实现了配合也是可能的。借助于计算机模拟，对复杂的系统也能有效地进行检验。
c) 采用内部配合好的SPD组合
对用户来说，这是最简易的方案。在此情况下，应由SPD的制造商证实内部的配合。
d) 根据“容通能量(LTE)”的配合方法
可以通过“容通能量(LTE)”的估算证实实现了配合(见7.4)。
图1 将需要保护的空间划分为不同防雷区的示例
图2 一座建筑物划分为若干个防雷区并作适当等电位连接的例子
图3 CBN阻抗低得可忽略不计时，建筑物中SPD能量配合的基本模型(见7.1)
图4 两个限压型SPD的基本组合与能量配合
图5 电压开关型SPD和限压型SPD的基本组合与能量配合
图6 以10／350μs及0.1kA／μs进行能量配合时，确定去耦电感的原则
图7 方案Ⅰ(限压型SPD)的配合原则
图8 方案Ⅱ(限压型SPD)的配合原则
图9 方案Ⅲ(电压开关型／限压型SPD)的配合原则
图10 方案Ⅳ的配合原则
图11 用标准脉冲参数进行的LTE配合方法
附录A 两个SPD间配合的若干例子
A.1 限压型SPD间配合的例子
图A.1 两个限压型SPD间配合的电路图
图A.1 两个限压型SPD间配合的电路图
图A.2 两个限压型SPD的伏安特性
图A.3 两个限压型SPD组合的电流和电压波形
A.2 电压开关型与限压型SPD间的配合实例
图A.4 电压开关型SPD1与限压型SPD2间配合的电路图
图A.5 电压开关型与限压型SPD组合的电流和电压波形——SPD1不放电
图A.6 电压开关型与限压型SPD组合的电流和电压波形——SPD1放电
图A.7 对于10／350μs冲击电流，电压开关型SPD1与限压型SPD2间能量配合的例子
图A.8 对于0.1kA／μs冲击电流，电压开关型SPD1与限压型SPD2间能量配合的例子
附录B 影响被保护系统中雷电流分布的若干因素
附录C SPD的安装位置
C.1 安装位置
如果SPD安装位置不恰当，尽管有正确的能量配合，被保护的设备仍可能遭到损坏。其原因是在SPD与被保护设备之间的电缆上存在反射现象。
在临界导体长度条件下，SPD特性及被保护设备的输入阻抗是很重要的。图C.1给出了一个简化电路的例子，以说明不同安装位置、不同电缆长度以及不同负载的影响。图C.2至图C.4表明在连接电缆末端可能存在高的振荡电压，这取决于上述安装条件。
注：为了用网络分析程序模拟这些影响，需要有一个复杂的连接电缆模型(例如，具有足够多的集中参数线段的R-L传播模型)。而在考虑这些因素时，不必模拟与频率相关的一些效应，如集肤效应或介质损耗效应。
图C.1 模拟以不同长度电缆连接SPD及各种不同负载时的试验电路
图C.2 SPD及负载上的电压(1m连接电缆，见图C.1)
图C.3 SPD及负载上的电压(10m连接电缆，见图C.1)
图C.4 SPD及负载上的电压(100m连接电缆，见图C.1)
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