在建筑物低壓配電系統(tǒng)電涌保護器(SPD)選型及應(yīng)用中，通常存在SPD選型有誤、位置設(shè)置不當、過度配置等問題。這些問題可能會使得低壓配電系統(tǒng)的雷電電涌保護不能滿足使用需求，從而導(dǎo)致電氣設(shè)備裝置存在雷擊風險。因此，應(yīng)對建筑物低壓配電系統(tǒng)的SPD選型及應(yīng)用予以足夠重視。本文依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057—2010（以下簡稱GB50057—2010）、《民用建筑電氣設(shè)計標準》GB51348—2019（以下簡稱GB51348—2019）及國際電工委員會IEC62305系列標準等，對建筑物低壓配電系統(tǒng)的SPD選型方法及工程應(yīng)用進行分析與探討。一、根據(jù)雷擊電流值對SPD選型1.1

雷電流幅值、滾球半徑范圍與防雷類別的對應(yīng)關(guān)系建筑物及其附屬物的雷擊電流主要來源于自然界云地閃電。根據(jù)相關(guān)文獻可知，全國云地閃電中負閃占94%以上，正閃占5%左右。負閃主要分布在閃電強度的低值區(qū)，正閃主要分布在閃電強度的高值區(qū)。正、負閃電強度主要集中在10~40kA,累計概率在90%以上的正閃強度小于140kA，90%以上的負閃強度小于65kA。由于相同幅值時正閃的強度更大，因此建筑物防雷設(shè)計中將正閃雷擊電流波形（10/350μs波形）作為分析參照對象。由GB50057—2010第6.3.2條可知,雷電滾球半徑R與雷電流峰值（正閃，10/350μs波形）的關(guān)系如式(1)所示:由于建筑物防雷保護措施需要考慮經(jīng)濟性和適用性，規(guī)范不可能要求針對自然界所有幅值的雷電流進行保護。因此，應(yīng)將發(fā)生概率較大的雷電流幅值區(qū)域作為建筑物防雷保護的分析對象。根據(jù)《雷電防護第1部分:總則》IEC62305—1：2010提供的數(shù)據(jù)及式(1),可計算出GB50057—2010中不同建筑物防雷保護類別對應(yīng)的雷電流保護范圍及對應(yīng)的滾球半徑,相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，防雷類別越高，保護措施對應(yīng)的雷電流幅值范圍越大。其中，最大可保護雷電流峰值主要用于雷擊電流模型的分流計算及SPD選型，按此進行的設(shè)計可保護最大值以下的雷電流對電氣系統(tǒng)的電涌損害。最小可保護雷電流峰值對應(yīng)最小滾球半徑，從而確定接閃器的布置高度和密度，按此進行的設(shè)計可保護最小值以上的雷電流對建筑物的直擊損壞。而保護范圍以外，更大的雷電流由于發(fā)生概率較小，將其應(yīng)用于SPD選型的意義不大，同時還需要大大提高SPD的通流能力；更小的雷電流，由于發(fā)生概率也不大，將其應(yīng)用于接閃器需較大提高接閃器的設(shè)置密度，且較小的雷擊電流對建筑物的破壞力也較小，一般可允許其穿越接閃器的攔截直接落在建筑體上。1.2預(yù)期雷電沖擊電流計算值當SPD的泄流能力大于安裝處的預(yù)期雷電流時，SPD才不會被雷電電涌損壞。由GB50057—2010第4.2.4條可知，當電源線路無屏蔽層時，電源總配電箱處所裝設(shè)的電涌保護器，其每一保護模式的沖擊電流值宜按式(2)計算：關(guān)于式(2)的模型，IEC62305—1：2010進行了相應(yīng)的描述,相關(guān)示意圖如圖1所示。圖1閃電擊中建筑物接閃器時雷電流分配示意圖對于圖1所示模型，以第一類防雷建筑物為例，由表1可知，第一類防雷建筑物的雷電保護范圍為正閃5~200kA(10/350μs波形)。當預(yù)期最大雷電流200kA擊中建筑物屋面接閃器時，50%的雷電流將在建筑物本地接地系統(tǒng)入地，另外50%的雷電流通過電纜在電纜另一端連接的接地系統(tǒng)入地。當進入本建筑僅為1組三相四線制電纜(四芯)，且無其他金屬導(dǎo)管進出時，每一導(dǎo)體將分得25kA(10/350μs波形)的雷電流(對應(yīng)于每一保護模式的沖擊電流值)。同理，當建筑物防雷類別為第二類、第三類時，對應(yīng)預(yù)期最大雷電流分別為150kA、100kA，該條件下第二類、第三類防雷類別對應(yīng)每一保護模式的沖擊電流計算值分別為18.75kA、12.5kA。以上計算結(jié)論與GB50057—2010第4.2.4-8(強條)和4.3.8-4(強條)要求吻合，即對于電源引入處總配電箱裝設(shè)的Ⅰ級試驗SPD，當每一保護模式的沖擊電流值無法確定時，沖擊電流應(yīng)不小于12.5kA。GB50057—2010第4.2.3條條文說明中，列出了僅采用一組架空電纜(三相四線制)進線的建筑物配電模型，電纜在終端入戶桿處可轉(zhuǎn)鎧裝電纜或穿鋼管埋地引入建筑物。當雷電擊中終端桿時，進入線路中每一導(dǎo)體的預(yù)期雷擊電涌電流如表2所示。閃電擊中線路與圖1中閃電擊中建筑物接閃器的電流分配模型類似，以閃電擊中低壓架空線路終端桿模型為例進行分析，如圖2所示。圖2閃電擊中建筑物入戶終端桿時雷電流分配示意圖以第一類防雷建筑物為例，當預(yù)期最大雷電流200kA擊中終端桿時，由于終端桿鐵橫擔進行了接地，50%的雷電流在電線桿處就近流入大地，另外50%的雷電流進入電纜，將通過架空電纜兩端連接的接地系統(tǒng)流入大地。對于終端桿處的用戶側(cè)，進線電纜引入了25%的雷電流(50kA)。當入戶電纜為4芯帶鎧裝電纜時，則每一導(dǎo)體及鎧體將各分得10kA(10/350μs波形)的雷電流。同理，對第二、三類防雷建筑物采用相同模型進行分析時，則每一導(dǎo)體的計算雷電流分別為7.5kA和5kA。當入戶回路數(shù)量增加時，該分流值將更低。以上計算結(jié)論與表2數(shù)據(jù)吻合,這表明，利用圖2模型進行計算是可行的。由《雷電防護第4部分：建筑物內(nèi)電氣和電子系統(tǒng)》IEC62305—4：2010可知，SPD沖擊電流Iimp的優(yōu)選值為1kA、2kA、5kA、10kA、12.5kA、20kA、25kA。因此，當計算值較小時，沒有必要直接采用Iimp值為12.5kA及更大泄流能力的SPD。當沒有低壓電纜引出建筑物時，電纜將不是雷電流對地泄放的主要途徑。雷電擊于接閃器時，接閃器與接地裝置的電位同時抬升，但抬升幅值并不相同，而是沿著雷電經(jīng)過引下線的方向，逐漸減小。此時對于建筑物內(nèi)的電纜而言，其雷電流是由系統(tǒng)內(nèi)離地不同高度處的雷電電位差形成的反擊電流以及感應(yīng)雷電流組成，這種雷電電涌的幅值通常較小。因此，GB50057—2010第4.3.8-5(強條)要求，當建筑物內(nèi)附設(shè)的變配電房沒有低壓線路引出建筑物時，其低壓側(cè)母線的SPD應(yīng)選用每一保護模式的標稱放電電流不小于5kA的Ⅱ級試驗SPD。

二、根據(jù)電壓保護水平對SPD選型SPD的選型不但要考慮其電流泄放能力,還要考慮其限壓能力。SPD限壓能力是對設(shè)備或配電系統(tǒng)進行過電壓保護,即SPD的實際限壓能力應(yīng)與被保護設(shè)備或線路的耐沖擊電壓能力相匹配。SPD的電壓參數(shù)選型包含兩個方面,其一是SPD的電壓保護水平，體現(xiàn)在對設(shè)備裝置的過電壓保護；其二是SPD的最大持續(xù)運行電壓值，體現(xiàn)其自身能否長期在系統(tǒng)電壓下運行。2.1線路和設(shè)備的耐沖擊電壓根據(jù)GB50057—2010表6.4.4可知，低壓交流配電系統(tǒng)中，不同線路和設(shè)備的耐沖擊電壓如表3所示。表3數(shù)據(jù)顯示，低壓配電系統(tǒng)中，計量儀表的耐沖擊電壓能力最高，配電裝置及電機設(shè)備的耐沖擊電壓能力其次，而電子類精密設(shè)備的耐沖擊電壓能力最低。GB50057—2010中多處條文對總配電箱處Ⅰ級試驗SPD及屋面配電箱內(nèi)處Ⅱ級試驗SPD，均要求其電壓保護水平不應(yīng)大于2.5kV。因此，設(shè)計中可首先將SPD電壓保護水平分為不大于2.5kV和不大于1.5kV兩大類。2.2

電涌保護器的實際限壓水平電涌保護器對設(shè)備的有效電壓保護水平與其自身的電壓保護水平并不等同。實際上由于SPD兩端引線的阻抗作用,有效電壓保護水平往往大于SPD其自身的電壓保護水平。GB50057—2010第6.4.6條中對有效電壓保護水平計算做了下列規(guī)定。(1)對限壓型電涌保護器(一般為Ⅱ、Ⅲ級試驗SPD)：(2)對電壓開關(guān)型電涌保護器(一般為Ⅰ級實驗SPD)，應(yīng)取下列公式中的較大值：上文公式表明，為取得較小的電涌保護器有效電壓保護水平，應(yīng)選用有較小電壓保護水平值的電涌保護器，并應(yīng)采用合理的接線，同時應(yīng)縮短連接電涌保護器的導(dǎo)體長度。GB51348—2019第11.9.11條要求，與電涌保護器連接的導(dǎo)線應(yīng)短而直，引線總長度不宜超過0.5m。工程中為減小引線的感應(yīng)電壓降，也常常推薦采用凱文接線(V型)方式。2.3

有效電壓保護水平與設(shè)備絕緣耐沖擊電壓的關(guān)系GB50057—2010第6.4.7條，要求從戶外沿線路引入雷擊電涌時，電涌保護器的有效電壓保護水平值的選取應(yīng)符合下列規(guī)定。(1)當被保護設(shè)備距電涌保護器的距離沿線路的長度小于或等于5m時，或在線路有屏蔽并兩端等電位聯(lián)結(jié)下沿線路的長度小于或等于10m時，應(yīng)按式(5)計算：(2)當被保護設(shè)備距電涌保護器的距離沿線路的長度大于10m時，應(yīng)按式(6)計算：(3)對于式(6)，當建筑物或房間有空間屏蔽和線路有屏蔽或僅線路有屏蔽并兩端等電位聯(lián)結(jié)時，可不計及電涌保護器與被保護設(shè)備之間電路環(huán)路的感應(yīng)過電壓，但應(yīng)按式(7)計算：由于Ui的計算較為復(fù)雜，如果對每一個回路都進行計算，顯然不適合于工程設(shè)計使用。因此，對遠離SPD的敏感型負荷，建議在靠近設(shè)備處增加一級SPD。與此同時，建議精密設(shè)備生產(chǎn)時，其自身也設(shè)置過電壓保護單元。2.4SPD的最大持續(xù)運行電壓值SPD的相關(guān)電壓參數(shù)除了與被保護對象有關(guān)，還與工作位置的標稱電壓有關(guān)。配電系統(tǒng)中SPD的最大持續(xù)運行電壓值Uc的最小值應(yīng)符合表4所示要求。在使用中，當實際電壓幅值存在偏差時，對限壓型SPD應(yīng)根據(jù)具體情況提高表4規(guī)定的最大持續(xù)運行電壓最小值。三、SPD產(chǎn)品參數(shù)比較前文分析了SPD的電流、電壓參數(shù)，設(shè)計中，這些分析計算數(shù)據(jù)最終需要和產(chǎn)品對應(yīng)起來。不同型號SPD的主要參數(shù)，如表5~6所示。從表5可以看出，表中同一SPD的最大放電電流雷電流Imax均為標稱放電電流雷電流In的2倍。各Ⅱ級試驗SPD的電壓保護水平均小于2.5kV，當SPD的電壓保護水平越低時，其標稱放電電流一般也越小。由表6可知，同一SPD的標稱放電電流雷電流In與沖擊電流Iimp沒有明顯的關(guān)系。各Ⅰ級SPD的電壓保護水平均小于2.5kV，其中復(fù)合型SPD的電壓保護水平更低。因此，對于同一位置同時對SPD提出既需要較大的泄流能力又需要較低的限壓水平時，可采用Ⅰ+Ⅱ級復(fù)合型SPD；當采用獨立式SPD時，則需要考慮增加退耦裝置。另外，應(yīng)注意由于不同廠家SPD的命名規(guī)則不統(tǒng)一，有的產(chǎn)品以最大放電電流進行命名，有的以標稱放電電流命名，有的甚至以無直接關(guān)系且易混淆的數(shù)字命名，設(shè)計和施工時容易出錯。因此，在施工交底和后期驗收時應(yīng)對SPD的指標參數(shù)予以核實。

四、SPD設(shè)計應(yīng)用易錯問題分析及改進措施4.1SPD后備保護選擇GB51348—2019第11.9.11條要求，SPD安裝線路上應(yīng)設(shè)置過電流保護器件，該過電流保護器件應(yīng)具備如下能力：(1)分斷SPD安裝線路的預(yù)期短路電流；(2)耐受通過SPD的電涌電流不斷開；(3)分斷SPD內(nèi)置熱保護所不能斷開的工頻電流。當后備保護不匹配時，容易發(fā)生誤動作或SPD劣化過流不動作的情況，帶來一定的安全隱患。對于上文提出的第1條要求，應(yīng)首先確定SPD安裝位置的系統(tǒng)預(yù)期短路電流，然后核實后備保護的短路分斷能力是否與系統(tǒng)預(yù)期短路電流匹配；對于后兩條要求，工程中為減少設(shè)計或安裝差錯形成的安全隱患，建議選擇帶配套后備保護裝置的SPD產(chǎn)品或者SPD與后備保護一體化的產(chǎn)品。4.2SPD的級間配合由于單個SPD很難同時滿足泄流、限壓、反應(yīng)時間等防護能力指標(復(fù)合型SPD按2個SPD考慮)，因此系統(tǒng)中往往需要2個或多個SPD協(xié)調(diào)配合使用。通常，上級SPD主要用于雷電流的泄放，而次級SPD主要用于限制系統(tǒng)過電壓。由于SPD自身的構(gòu)造特性，開關(guān)型SPD(如放電間隙)通常用于前端泄放雷電流，其泄流能力更強，但反應(yīng)速度相對較慢。而限壓型SPD(如金屬氧化物壓敏電阻器)，通常用于設(shè)備端限壓，其泄流能力相對較弱，但反應(yīng)速度更快。當兩級SPD的安裝距離較小時，次級SPD會優(yōu)先導(dǎo)通，而此時大電流會率先從次級SPD流入大地可能導(dǎo)致次級SPD損壞，較高的殘壓導(dǎo)致設(shè)備損壞，同時會出現(xiàn)上級SPD沒有及時導(dǎo)通的情況。因此，GB51348—2019第11.9.4條提出，當上級電涌保護器為開關(guān)型SPD，次級電涌保護器為限壓型SPD時，兩者之間的線路長度應(yīng)大于10m；當上級與次級電涌保護器均采用限壓型時，兩者之間的線路長度應(yīng)大于5m，否則應(yīng)加裝退耦裝置，或者采用復(fù)合型SPD。SPD的級間配合示例如圖3所示。圖3SPD的級間配合示例4.3SPD的極數(shù)選擇SPD產(chǎn)品分為1P、1P+N、2P、3P+N、4P幾種極數(shù)模式，在設(shè)計選型時容易被忽視，應(yīng)依據(jù)GB50057附錄J的要求，根據(jù)系統(tǒng)的接地形式的不同、導(dǎo)線芯數(shù)的不同以及RCD與SPD的相對位置，確定極數(shù)的選擇。限于篇幅，此處不做展開。4.4

SPD的過度設(shè)置對于SPD的設(shè)置，應(yīng)根據(jù)被保護設(shè)備的需要進行設(shè)置。由于SPD長時間在線，其性能會在雷電電涌沖擊以及自身的自然老化作用下逐漸下降甚至失效。劣化后的SPD,其閾值電壓會降低，低阻性則逐步加劇，進而導(dǎo)致持續(xù)漏電流的產(chǎn)生。隨著漏電流的逐漸增加，,就會導(dǎo)致SPD本體溫度逐漸升高，甚至發(fā)生火災(zāi)，而后備保護也有保護失效的情況。因此，建筑物內(nèi)的SPD設(shè)置并非越多越好。對于中間級配電箱，當不與設(shè)備直接相連且上下級配電箱(柜)均設(shè)置有SPD保護時，考慮其自身的耐沖擊電壓值為4kV(見表3)，大于上下端配電箱SPD的電壓保護水平Up(≤2.5kV)，故當系統(tǒng)內(nèi)無造成過電壓的沖擊類負荷時，一般可不設(shè)置SPD。對于民用建筑內(nèi)固定安裝的非智能控制的風機、水泵配電箱，當設(shè)備及線路均位于室內(nèi)LPZ1或LPZ2區(qū)，且前端配電總箱設(shè)置有SPD時，考慮其自身的耐沖擊電壓值亦為4kV(見表3)，大于前端配電箱SPD的電壓保護水平Up(≤2.5kV)，其現(xiàn)場配電箱也可不設(shè)置SPD。對于住宅、辦公套間內(nèi)的末端配電箱，盡管末端連接有電腦等電子產(chǎn)品。由于使用者具有配電箱的所有權(quán)，但通常無維護SPD的能力。因此，除非有設(shè)備升出屋面或高層的側(cè)立面安裝，否則通常不建議安裝SPD，而其電涌保護應(yīng)由在其上級層配電箱內(nèi)設(shè)置的SPD提供。4.5Ⅱ級試驗SPD與Ⅰ級試驗SPD的替換關(guān)系在工程應(yīng)用中，由于I級試驗(10/350μs波形)的SPD相對Ⅱ級試驗(8/20μs波形)的SPD造價通常更為昂貴，且電壓保護水平Up值更大。因此，當系統(tǒng)中預(yù)期每一保護模式的沖擊電流計算值較小時，可考慮采用Ⅱ級試驗SPD進行替代。GB51348—2019表11.9.5顯示I級試驗SPD的沖擊電流值Iimp(10/350μs波形)與Ⅱ級試驗SPD的標稱電流值In(8/20μs波形)為4倍的轉(zhuǎn)換關(guān)系。如用標稱電流值為80kA的Ⅱ級試驗SPD替換沖擊電流值為20kA的I級試驗SPD。而GB50057—2010第4.5.4條條文說明提出上述替換倍數(shù)為10倍的關(guān)系，如用標稱電流值為20kA的Ⅱ級試驗SPD(最大放電電流雷電流Imax值為40kA)替換沖擊電流Iimp值為2kA的I級試驗SPD。與此同時，文獻[9]及文獻[10]均認為該替換關(guān)系為10倍。因此，本文認為該兩種SPD電流參數(shù)的替換關(guān)系采用10倍是比較合適的。由于目前國內(nèi)市場僅有少數(shù)品牌Ⅱ級試驗SPD的標稱電流In值做到了80kA，更多的品牌最大只做到了60kA。因此，本文建議當計算沖擊電流Iimp值(10/350μs波形)小于或等于6kA時，可采用標稱放電電流為10倍沖擊電流值的Ⅱ級試驗SPD進行替代，以節(jié)省造價。當計算Iimp值大于6kA時，建議依然采用I級試驗的SPD。4.6關(guān)于在屋面配電箱內(nèi)開關(guān)電源側(cè)裝設(shè)Ⅱ級試驗SPD的理解GB50057—2010第4.5.4條要求對固定在建筑物外立面或屋面上的用電設(shè)備，其配電箱內(nèi)應(yīng)在開關(guān)電源側(cè)裝設(shè)Ⅱ級試驗SPD。對執(zhí)行本條的理解如下，當該配電箱設(shè)在屋面時，其電源側(cè)的電纜也暴露在LPZ0A區(qū)或LPZ0B區(qū)，如果將SPD設(shè)置在配電箱母排處，當雷電擊中電源側(cè)電纜且主開關(guān)斷開時，由于得不到主開關(guān)負荷側(cè)SPD的保護，電源側(cè)電纜可能將較大的雷擊電涌電流引入室內(nèi)，且雷擊過電壓會擊穿電氣絕緣和損壞主開關(guān)。所以，此時應(yīng)在主開關(guān)電源側(cè)裝設(shè)SPD，以防止直擊雷電流進入建筑物內(nèi)，并保護電氣絕緣層和主開關(guān)。相關(guān)示意圖如圖4所示。圖4SPD安裝于屋面配電箱主開關(guān)電源側(cè)示意圖關(guān)于對屋面配電箱裝設(shè)Ⅱ級試驗SPD的理解，設(shè)計中應(yīng)根據(jù)實際工程的分流條件進行計算，明確預(yù)期雷擊電流是否不大于6kA，以此來確定是否采用Ⅱ級試驗SPD來替代I級試驗SPD。當計算雷電分流較大時，常用的Ⅱ級試驗SPD可能達不到相應(yīng)的泄流能力，此時應(yīng)根據(jù)被保護裝置的耐沖擊電壓水平選擇裝設(shè)I級試驗SPD或I+Ⅱ級復(fù)合型SPD。如果只是為了與上級總進線配電箱處SPD的能量配合，而直接采用Ⅱ級試驗SPD，反而會對系統(tǒng)的安全性不利。

五、智能SPD與SPD監(jiān)控系統(tǒng)目前，國家產(chǎn)品標準要求SPD設(shè)置劣化指示，而美國相關(guān)標準《防雷系統(tǒng)安裝標準》NFPA780—2017也要求SPD應(yīng)按產(chǎn)品要求且不超過7個月進行一次周期性檢查。但現(xiàn)實情況往往是，因人工監(jiān)管不便，導(dǎo)致長期疏于對SPD的維護。基于此，為提高SPD的使用安全且便于維護管理，一種在傳統(tǒng)SPD的基礎(chǔ)上增加監(jiān)測、通訊、后臺數(shù)據(jù)