5.4 浪涌保护器的选择

    式中：△U——SPD两端连接导线的感应电压降。

    式中：L——为两段导线的电感量(μH)；
            ——为流入SPD雷电流陡度。
    当SPD流过部分雷电流时，可假定△U＝1kV/m，或者考虑20％的裕量。
    当SPD仅流过感应电流时，则△U可以忽略。
    也可改进SPD的电路连接，采用凯文接线法见图11：
    9款：SPD在工作时，SPD安装位置处的线对地电压限制在U_p。若SPD和被保护设备间的线路太长，浪涌的传播将会产生振荡现象，设备端产生的振荡电压值会增至2U_p，即使选择了U_p≤U_w，振荡仍能引起被保护设备失效。

图11  凯文接线法

    保护距离L_po是SPD和设备间线路的最大长度，在此限度内，SPD有效保护了设备。若线路长度小于10m或者U_p/f＜U_w/2时，保护距离可以不考虑。若线路长度大于10m且U_p/f＞U_w/2时，保护距离可以由公式估算：

    式中：k＝25(V/m)。
    公式引自《雷电防护 第4部分：建筑物内电气和电子系统》GB/T 21714.4-2008(IEC 62305-4:2006，IDT)第D.2.3条。
    当建筑物或附近建筑物地面遭受雷击时，会在SPD与被保护设备构成的回路内感应出过电压，它加于U_p上降低了SPD的保护效果。感应过电压随线路长度、保护地PE与相线的距离、电源线与信号线间的回路面积的尺寸增加而增大，随空间屏蔽、线路屏蔽效率的提高而减小。
    保护距离L_pi是SPD与被保护设备间最大线路长度，在此距离内，SPD对被保护设备的保护才是有效的，因此应考虑感应保护距离L_pi。当雷电产生的磁场极强时，应减小SPD与设备间的距离。也可采取措施减小磁场强度，如建筑物(LPZ1)或房间(LPZ2等后续防护区域)采用空间屏蔽，使用屏蔽电缆或电缆管道对线路进行屏蔽等。
    当采用了上述屏蔽措施后，可以不考虑感应保护距离L_pi。
    当SPD与被保护设备间的线路长、线路未屏蔽、回路面积大时，应考虑感应保护距离L_pi，L_pi用下列公式估算：

    式中：h＝30000×K_s1×K_s2×K_s3(V/m)。
    公式引自《雷电防护 第4部分：建筑物内电气和电子系统》GB/T 21714.4-2008(IEC 62305-4:2006 IDT)第D.2.4条。
    IEC 62305-4第二版修订草案(FDIS版)附录C中不再计算振荡保护距离和感应保护距离，而是对U_p/f作出以下规定：
    1 SPD和设备间的电路长度可忽略不计时(如SPD安装在设备端口)，U_p/f≤U_w。
    2 SPD和设备间的电路长度不大于10米时(如SPD安装在二级配电箱或插座处)，U_p/f≤0.8U_w。当内部系统故障会导致人身伤害或公共服务损失时，应考虑振荡导致的两倍电压并要求满足U_p/f≤U_w/2。
    3 SPD和设备间的电路长度大于10m时(如SPD安装在建筑物入口处或某些情况下二级配电箱处)：

U_p/f≤（U_w-U_i）/2

    式中：U_w——被保护设备的绝缘耐冲击电压额定值(kV)；
                U_i——雷击建筑物上或附近时，SPD与被保护设备间线路回路的感应过电压(kV)。
    鉴于IEC 62305-4第二版在本规范修订完成时尚未成为正式标准，本规范仍采用已等同采纳为国标的IEC 62305-4:2006中的有关计算方法。
    10款：在一条线路上，级联选择和安装两个以上的浪涌保护器(SPD)时，应当达到多级电源SPD的能量协调配合。
    雷电电磁脉冲(LEMP)和操作过电压会危及敏感的电子信息系统。除了采取第5章其他措施外，为了避免雷电和操作引起的浪涌通过配电线路损害电子设备，按IEC防雷分区的观点，通常在配电线穿越防雷区域(LPZ)界面处安装浪涌保护器(SPD)。如果线路穿越多个防雷区域，宜在每个区域界面处安装一个电源SPD(图12)。这些SPD除了注意接线方式外，还应该对它们进行精心选择并使之能量配合，以便按照各SPD的能量耐受能力分摊雷电流，把雷电流导引入地，使雷电威胁值减少到受保护设备的抗扰度之下，达到保护电子系统的效果。这就是多级电源SPD的能量配合。

—浪涌防护器（例如Ⅱ类测试的SPD）；
—去耦元件或电缆长度。
图12  低压配电线路穿越两个防雷区域时在边界安装SPD示例

    有效的能量配合应考虑各SPD的特性、安装地点的雷电威胁值以及受保护设备的特性。SPD和设备的特性可从产品说明书中获得。雷电威胁值主要考虑直接雷击中的首次短雷击。后续短时雷击陡度虽大，但其幅值、单位能量和电荷量均较首次短雷击小。而长雷击只是SPDⅠ类测试电流的一个附加负荷因素，在SPD的能量配合过程中可以不予考虑。因此，只要SPD系统能防御直接雷击中的首次短雷击，其他形式的雷击将不至于构成威胁。
    1 配合的目的
    电源SPD能量配合的目的是利用SPD的泄流和限压作用，把出现在配电线路上的雷电、操作等浪涌电流安全地引导入地，使电子信息系统获得保护。只要对于所有的浪涌过电压和过电流，SPD保护系统中任何一个SPD所耗散的能量不超出各自的耐受能力，就实现了能量配合。
    2 能量配合的方法
    SPD之间可以采用下列方法之一进行配合：
        1)伏安特性配合
        这种方法基于SPD的静态伏安特性，适用于限压型SPD的配合。该法对电流波形不是特别敏感，也不需要去耦元件，线路上的分布阻抗本身就有一定的去耦作用。
        2)使用专门的去耦元件配合
        为了达到配合的目的，可以使用具有足够的浪涌耐受能力的集中元件作去耦元件(其中，电阻元件主要用于信息系统中，而电感元件主要用于电源系统中)。如果采用电感去耦，电流陡度是决定性的参数。电感值和电流陡度越大越易实现能量配合。
        3)用触发型的SPD配合
        触发型的SPD可以用来实现SPD的配合。触发型SPD的电子触发电路应当保证被配合的后续SPD的能量耐受能力不会被超出。这个方法也不需要去耦元件。
    3 SPD配合的基本模型和原理
    SPD配合的基本模型见图13。图中以两级SPD为例说明SPD配合的原理。配电系统中两级SPD的两种配合方式介绍如下：
    ●两个限压型SPD的配合；
    ●开关型SPD和限压型SPD的配合。
    这两种配合共同的特点是：

图13  SPD能量配合电路模型

        1)前级SPD1的泄流能力应比后级SPD2的大得多，即通流量大得多(比如SPD1应泄去80％以上的雷电流)；
        2)去耦元件可采用集中元件，也可利用两级SPD之间连接导线的分布电感(该分布电感的值应足够大)；
        3)最后一级SPD的限压应小于被保护设备的耐受电压。
        这两种配合不同的特点是：
        1)两个限压型SPD的伏安特性都是连续的(例如MOV或抑制二极管)。当两个限压型SPD标称导通电压(U_n)相同且能量配合正确时，由于线路自身电感或串联去耦元件L_DE的阻流作用，输入的浪涌上升达到SPD1启动电压并使之导通时，SPD2不可能同时导通。只有当浪涌电压继续上升，流过SPD1的电流增大，使SPD1的残压上升，SPD2两端电压随之上升达到SPD2的启动电压时，SPD2才导通。只要通过各SPD的浪涌能量都不超过各自的耐受能力，就实现了能量配合。
        2)开关型SPD1和限压型SPD2配合时，SPD1的伏安特性不连续(例如火花间隙(SG)、气体放电管(GDT)，半导体闸流管、可控硅整流器、三端双向可控硅开关元件等)，后续SPD2的伏安特性连续。图14说明了这两种SPD能量配合的基本原则。当浪涌输入时，由于SPD1(SG)的触发电压较高，SPD2将首先达到启动电压而导通。随着浪涌电压继续上升，流过SPD2的电流增大，使SPD2的两端电压u₂(残压)上升，当SPD1的两端电压u₁(等于SPD2两端的残压u₂与去耦元件两端动态压降u_DE之和)超过SG的动态火花放电电压u_SPARK，即u₁=u₂+u_DE≥U_SPARK时，SG就会点火导通。只要通过SPD2的浪涌电流能量未超出其耐受能力之前SG触发导通，就实现了能量配合。否则，没实现能量配合。这一切取决于MOV的特性和入侵的浪涌电流的陡度、幅度和去耦元件的大小。此外，这种配合还通过SPD1的开关特性，缩短10/350μs的初始冲击电流的半值时间，大大减小了后续SPD的负荷。值得注意的是，SPD1点火导通之前，SPD2将承受全部雷电流。

图14  SG和MOV的能量配合原理

    4 去耦元件的选择
    如果电源SPD系统采用线路的分布电感进行能量配合，其电感大小与线路布设和长度有关。线路单位长度分布电感可以用下述方法近似估算：两根导线(相线和地线)在同一个电缆中，电感大约为0.5到1μH/m(取决于导线的截面积)；两根分开的导线，应当假定单位长度导线有更大的电感值(取决于两根导线之间的距离)，则去耦电感为单位长度分布电感与长度的积。因此，为了配合，必须有最小线路长度要求。如不满足要求就须加去耦元件(电感或电阻)。
5.4.4 2款：是根据《低压电涌保护器 第22部分：电信和信号网络的电涌保护器(SPD)选择和使用导则》GB/T 18802.22-2008(IEC 61643-22:2004，IDT)标准的第7.3.1条第1款编写的，图5.4.4是根据GB/T 18802.22-2008图3编写的。
    3款：表5.4.4是根据《低压电涌保护器 第22部分：电信和信号网络的电涌保护器(SPD)选择和使用导则》GB/T 18802.22-2008标准的第7.3.1条第2款表3编写的。