浅谈电涌保护器的设计计算

浅谈电涌保护器的设计计算

陈杰强 (中国轻工业南宁设计工程公司 530031)

摘要 简要分析电涌保护器的设计与主要参数的计算。
关键词 电涌保护器，设计计算

安装和使用电涌保护器（SPD），使其发挥泄流和限压的作用，是防雷击电磁脉冲的重要措施。如何进行设计计算，选择合适的电涌保护器，则是首先需要解决的问题。笔者通过学习《防雷规范》第六章，谈一些粗浅的认识，有错误之处，请广大电气设计人员指教。

SPD有几个参数是要由计算来确定的：
一、SPD的最大放电电流Imax（亦称通流容量 kA）
《防雷设计》第6.4.4条指出，电涌保护器必须能承受预期通过它们的雷电流。
这个雷电流意味着什么？怎样计算？
首先要确定，SPD所安装的建筑物属哪一类防雷建筑物，因为不同类别的防雷建筑物在遭受雷击时，雷电流的参数是不一样的，详见《防雷规范》附录六表6.1和表6.2。
假定SPD安装在二类防雷建筑物之内，查表6.1和表6.2，得到：
首次雷击的雷电流 I（幅值） 150kA
T1(波头时间) 10μS
T2(半波时间) 350μS
后续雷击的雷电流 I（幅值） 37.5 kA
T1(波头时间) 0.25μS
T2(半波时间) 100μS
那么，流经SPD的雷电流应该是多少呢？
根据《防雷规范》第6.3.4条图6.3.4-1并假定SPD安装在电源进线总配电箱内，电压为220／380V，接地系统为TN系统（详见《防雷规范》图6.4.5-2）。
按照全部雷电流I的50％流经建筑物的接地装置，另外的50％流入其他管线，则其中的1／3流经电力电缆。
由于电力电缆为三相，因此，首次雷击时，每一相感应的雷电流为
150×50％／3／3＝8.33 kA
后续雷击时，每一相感应的雷电流为
37.5×50％／3／3＝2.08 kA
由此可知，首次雷击时的雷电流分流值远大于后续雷击时的雷电流分流值，计算流经SPD的通流容量，应选择8.33kA。
那么，是不是选择某种型号的SPD，其通流容量略大于8.33kA就行了呢？
不！不行的，这里有一个雷击脉冲电流的波形影响问题。
《防雷规范》第6.4.7条指出，应选用符合Ⅰ级分类试验的产品，并应按本章节第6.3.4条的规定确定通过SPD的10／350μS雷电流幅值。当线路有屏蔽时，通过每个SPD的雷电流可按上述确定的雷电流的30％考虑。
我们以上计算先没有考虑线路有屏蔽，没有乘以30％。
需要注意的是，生产电涌保护器的厂家，都会给出试验雷电流的波形，通常为8／20μS，而不是10／350μS。
而10／350μS波形的雷电流与8／20μS波形的雷电流，其电荷量和单位能量上相差17.5倍，按8／20μS

波形试验的SPD，通流容量为20kA的话，从耐能量来看仅相当于通过波形为10／350μS 4kA的雷电流（参见“建筑电气”2002年第4期P29）。
换句话说，假如选用试验波形为8／20μS的SPD，它能够耐受的雷电流，仅相当于通过波形为10／350μS雷电流的1／8。
上述计算出来的8.33kA雷电流，正是10／350μS波形的。要选用一种8／20μS的SPD，其通流容量必须扩大8倍才行，即：
8×8.33＝66.64kA
查施耐德生产的电涌保护器，采用型号为PRD65r的SPD，
其最大放电电流 Imax＝65kA （8／20μS）
标称放电电流 In=20kA
选用这种型号的SPD才符合使用要求，否则遭受首次雷击时，会因通流容量过小而烧毁。
二、SPD的电压保护水平Up
确定了SPD的通流容量之后，第二个要确定的参数就是SPD的电压保护水平。
什么叫做电涌保护器的电压保护水平？
众所周知，电涌保护器是用来保护电气设备和电子信息设备的，电涌保护器在电路中相当于一只非线性电阻，在工频电压作用下是不会导通的，在较低幅值的脉冲过电压作用下也不会导通，只有在施加的脉冲过电压的幅值达到其触发电压时才会导通，把雷电流泄放下地。在进行SPD产品试验时，使其通过标称放电电流，此时测出的两端电压就叫做SPD的电压保护水平Up。
根据保护功能的要求，Up值要略低于被保护设备的绝缘耐受冲击过电压的额定值（220／380V三相系统各种设备绝缘耐冲击过电压额定值，详见《防雷规范》第6.4.4条的表6.4.4）。
但是，在考虑选择SPD的Up值时，还要考虑两边引线的长度所造成的影响。第6.4.4条指出，在建筑物进线处和其他防雷区界面处的最大电涌电压，即电涌保护器的最大箝压加上其两端引线的感应电压应与所属系统的基本绝缘水平和设备允许的最大电涌电压协调一致。为使最大电涌电压足够低，其两端的引线应做到最短。
为了说清楚这个问题，请看下图：

图中，L1,L2为引线的电感，
A,B两点的电压
而且必须满足
就是能被保护设备的绝缘耐冲击过电压额定值。查表6.4.4，得知电源处的设备，绝缘耐冲击过电压额定值为6 kV。
所选用的SPD的电压保护水平 应小于 。
令 ，则选用SPD时应满足 。
现把引线上的电感压降考虑进去， , 。
根据IEC的规定，引线的长度不要超过0.5米，两端的长度加起来就是1米，其电感值为1μH／m 。
为雷电流的陡度，以后续雷电流的陡度为大。
,



这种计算结果说明，要求SPD的残压不但很低，而且为负值。这是很难做到的。
怎么办呢？考虑以下办法。
假如按电缆有屏蔽考虑，则感应的雷电流可按只有30％计算

，因此，上述的2.08 kA变为2.08×30％＝0.624kA，
于是，


选用的SPD 的电压保护水平 ，能满足要求，因为 。
此外，还可以考虑把两端引线的长度减少，例如减少到每端只有0.2米，则（L1+L2）＝0.4米，而线路仍按无屏蔽考虑，


选用SPD的电压保护水平 ,则 ,也能满足要求，而两端的引线做到只有0.4米是完全可能的。
三、SPD的第三个参数是最大持续运行电压Uc
什么叫做SPD的最大持续运行电压？
在没有发生雷电的情况下，也就是正常运行情况下，SPD是处于220／380V系统与用电设备一起长期运行的，它必须能长期承受该系统内可能出现的最高电压而不致于损坏。这个电压，就叫做SPD的最大持续运行电压，它与220／380V系统的接地型式以及SPD在系统中的接线方式有关，这在《防雷规范》第6.4.5条已有规定。
按上述例子，Uc＝1.15Uo, Uo＝220V ，
则选用的SPD其 Uc＝1.15×220＝253V
最后需要说明一点，以上所讲的只是总电源进线配电箱所设的SPD，通常把该处所设的SPD称为第一级设防。在其他要求更高的场所，还要求设两级，三级，甚至第四级。不管哪一级，大体上都要确定以上这三个参数。同时需要提醒的，除了这三个参数之外，还有其他一些问题需要妥善处理，才能完满完成SPD的安装。