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SPD标称放电电流 In的选择

平帅
[摘 要]：建筑物入口处，即LPZ0A或LPZ0B区与LPZ1区交界处安装的电涌保护器（SPD）的称放电电流In值的选择GB 50057-94（2000版）《建筑物防雷设计规范》规定的较为清楚，在新的国标GB 50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》颁布后，关于次级电涌保护器称放电电流In值的选择存在一些争议，本文通过对两部国家标准相关条文的分析，通过计算对此问题提出了自己的观点。

[关键词]：电涌保护器SPD 称放电电流In 选择

1、前言

在低压配电系统中，安装于建筑物入口处，即LPZ0A或LPZ0B区与LPZ1区交界处的B级电涌保护器主要用于泻放电源线路遭受直接雷击或电源线路感应雷电时的雷电流能量，而次级（C级或者D级）电涌保护器主要用于钳制电源线路的过电压，防止设备因过电压冲击而损坏。而在GB 50057-94（2000版）《建筑物防雷设计规范》中仅对B级电涌保护器称放电电流In值的选择规定的较为清楚，而对次级（C级或者D级）电涌保护器称放电电流In值的选择规定的较为模糊，在新的国标GB 50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》颁布后，关于次级电涌保护器称放电电流In值的选择存在一些争议，本文就此提出一些观点供业内技术专家进行讨论。

2、电涌保护器称放电电流In值的选择原则

对于在建筑物中所使用的电涌保护器（SPD）设备GB 50057-94（2000版）《建筑物防雷设计规范》这本国家强制执行标准做了如下要求：标准第6.4.4条规定“电涌保护器必须能承受预期通过它们的雷电流，并应符合以下两个附加要求：通过电涌时的最大箝压，有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流。”

在建筑物进线处和其它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。在不同界面上的各电涌保护器还应与其相应的能量承受能力相一致。

当无法获得设备的耐冲击电压时 220/380V 三相配电系统的设备可按表6.4.4选用。

220/380V三相系统各种设备耐冲击过电压额定值 表6.4.4

注：Ⅰ类──需要将瞬态过电压限制到特定水平的设备；
Ⅱ类──如家用电器、手提工具和类似负荷；
Ⅲ类──如配电盘，断路器，包括电缆、母线、分线盒、开关、插座的布线系统，以及应用于工业的设备和永久接至固定装置的固定安装的电动机等一些其他设备；
Ⅳ类──如电气计量仪表、一次线过流保护设备、波纹控制设备。
GB 50057-94（2000版）《建筑物防雷设计规范》标准的表6.4.4同GB 50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》标准的表5.4.1-1是一样的，后者引用前者，表中的数据都来自于IEC标准。可见二者在对电涌保护器的选择和保护目的上是一致的。都是依据线路中设备所能承受的冲击过电压值来进行选择。IEC标准将由电网供电的电气设备按其耐雷电脉冲过电压水平划分为四级，以便合理地确定不同的防护措施。雷电脉冲过电压可随雷电传导方向衰减，但调查表明这种衰减并不明显，更合理和实用的确定过电压水平的方法是概率统计法。

上述表中装置的标称电压为各国通用的标称电压。我国现时的标称电压220/380V，不与国际电工标准的230/400V接轨，但数值接近，可套用这一级的数值。在表中，I级耐压水平是为防脉冲过电压对过电压敏感设备提出的要求；II级耐压水平则是对制订自电网电源接电的用电设备标准的委员会提出的要求；III级耐压水平是对制订电气装置材料标准的委员会和制订某些电气设备标准的委员会提出的要求；IV级耐压水平是对供电单位和电网工程师提出的要求。各产品标准委员会和有关设计人员按表设计满足各级设备耐压水平要求后，电气装置内绝缘配合和防脉冲过电压问题就可得到合适地解决。

然而，虽然两标准在对SPD称放电电流In值的选择上都留有一定的“裕度”，并选择了相同的依据，但是却存在有很大的分歧。主要分歧在于GB 50057标准考虑的出发点是“考虑到雷电流分配到电源系统的最恶劣环境下，后级线路残余感应电压为前级SPD残压的两倍的情况下，后级线路残余感应电压应小于被保护设备耐压水平的 80%。”而GB 50343标准建议“从安全和可靠性的角度考虑，应在计算值的基础上增大后级SPD耐雷电冲击电流的裕度”并且给出了“系数为5倍”的参数。因此在其标准的表5.4.1-2中建议“第二级SPD的称放电电流In值为8/20μs波形下40kA，第三级SPD的称放电电流In值为8/20μs波形下20kA。”而我们参看GB 50057第6.4.8条和第6.4.9条的要求的话其对标称放电电流的要求要小得多，仅仅不小于 8/20μs波形，3kA或5kA。为什么两部标准的分歧会如此之大呢？究竟哪一个更合理一些呢？GB 50343标准建议的5倍的安全裕度系数是否合理呢？这有待于行业内的专家进行进一步的讨论。以下是作者关于次级电涌保护器称放电电流In值的选择的建议。

2、B级电涌保护器称放电电流In值的选择

A、LPZ0A或LPZ0B区与LPZ1区交界处所选用安装的SPD称放电电流 In的计算：

LPZ0A或LPZ0B区与LPZ1区交界处无屏蔽线路
SPD称放电电流 In的选择

TT系统
TN系统
IT有中性线
IT无中性线
单相电源系统
一类建筑物
25kA/25kA
25kA/25kA
25kA/25kA
33.3kA/35kA
33.3kA/35kA
二类建筑物
18.75kA/25kA
18.75kA/25kA
18.75kA/25kA
25kA/25kA
25kA/25kA
三类建筑物
12.5kA/15kA
12.5kA/15kA
12.5kA/15kA
16.5kA/25kA
16.5kA/25kA

注：1、依据标准以上计算为考虑到50%雷电流分配到电源系统的最恶劣环境下的计算。雷电流参数依据本标准表6.1提供的参数计算。
2、数据为：计算值In值/所选型号In值。此In值为10/350μs 波形SPD通流幅值。

LPZ0A或LPZ0B区与LPZ1区交界处有屏蔽线路
SPD称放电电流 In的选择

TT系统
TN系统
IT有中性线
IT无中性线
单相电源系统
一类建筑物
15kA/15kA
15kA/15kA
15kA/15kA
20kA/25kA
20kA/25kA
二类建筑物
11.25kA/15kA
11.25kA/15kA
11.25kA/15kA
15kA/15kA
15kA/15kA
三类建筑物
7.5kA/15kA
7.5kA/15kA
7.5kA/15kA
10kA/15kA
10kA/15kA

注：1、依据标准以上计算为考虑到30%雷电流分配到电源系统的最恶劣环境下的计算。雷电流参数依据本标准表6.1提供的参数计算。
2、数据为：计算值In值/所选型号In值。此In值为10/350μs 波形SPD通流幅值。
LPZ0A或LPZ0B区与LPZ1区交界处所选用安装的SPD称放电电流 In的计算过程：

A、按照GB 50057-94附表6.1确定建筑雷电流幅值。Ⅰ类：200kA；Ⅱ类：150kA；Ⅲ类：100kA。
B、确定所需计算的配电方式中需保护的线数。TT、TN、有中性线的IT按需保护四线计算。无中性线的IT和单相电源系统按需保护三线计算。对于单相电源系统按需保护三线计算的原因是：1、目前建筑物配电设计规范GB 50054设计为三线；2、其前端供电是由三相电源分出的，雷电分流等效于无中性线的IT系统。
C、依据GB 50057-94标准，对于无屏蔽线路和有屏蔽线路分别按50%、30%雷电流分配到电源系统计算。

举例如下：

某二类防雷建筑物，从室外引入电力线为 TN-C，在入口于界面处在电力线路的总配电箱上装设四台SPD，在此以后改为 TN-S 系统。按附表6.1其雷电流幅值 150kA，需保护线路为四线。

则：当线路无屏蔽时，In =[150 kA×50%]÷4 =18.75kA
当线路有屏蔽时，In =[150 kA×30%]÷4 =11.25kA

3、C级电涌保护器称放电电流In值的选择

A、远端设备处所选用安装的SPD称放电电流 In的计算：

远端设备处SPD称放电电流 In的选择

TT系统
TN系统
IT有中性线
IT无中性线
单相电源系统
一类建筑物
12.5kA/20kA
12.5kA/20kA
12.5kA/20kA
16.7kA/20kA
16.7kA/20kA
二类建筑物
9.375kA/10kA
9.375kA/10kA
9.375kA/10kA
12.5kA/20kA
12.5kA/20kA
三类建筑物
6.25kA/10kA
6.25kA/10kA
6.25kA/10kA
8.35kA/10kA
8.35kA/10kA

注：1、依据标准以上计算为考虑到两倍发射波叠加下，线路残余感应电压小于被保护设备耐压水平的 80%时的计算。雷电流参数依据本标准表6.2提供的参数计算。
2、数据为：计算值In值/所选型号In值。此In值为8/20μs 波形SPD通流幅值。

远端设备处所选用安装的SPD称放电电流 In的计算过程：

A、按照GB 50057-94附表6.2确定建筑雷电流幅值。Ⅰ类：50kA；Ⅱ类：37.5kA；Ⅲ类：25kA。
B、确定所需计算的配电方式中需保护的线数。TT、TN、有中性线的IT按需保护四线计算。无中性线的IT和单相电源系统按需保护三线计算。
C、依据GB 50057-94标准，按50%雷电流分配到电源系统计算。

举例如下：

某二类防雷建筑物，向室外引入电力线为 TN-C，在远端设备的总配电箱上装设四台SPD。按附表6.2其雷电流幅值 37.5kA，需保护线路为四线。对于远端供电的情况，设备电源可能在室外，也可能在室内，因此对于独立用电设备不考虑当线路有屏蔽时的情况，仅考虑经首次雷击泻放后，反射电压波或电流波叠加的情况，按两倍残余电压值或两倍残余电流值计算。

则：In =[37.5 kA×50%]÷4×2 =9.375kA；

B、后级线路安装的SPD称放电电流 In的计算：

注：1、依据标准以上计算为考虑到两倍发射波叠加下，线路残余感应电压小于被保护设备耐压水平的 80%时的计算。雷电流参数依据本标准表6.2提供的参数计算。线路参数依据国家标准推荐的引线长度为 1m 时（电感为1μH/m）。
2、数据为：计算值In值/所选型号In值。此In值为8/20μs 波形SPD通流幅值。
后级线路安装的SPD称放电电流 In的计算过程：

A、按照GB 50057-94附表6.2确定建筑雷电流幅值。Ⅰ类：50kA；Ⅱ类：37.5kA；Ⅲ类：25kA。
B、确定所需计算的配电方式中需保护的线数。TT、TN、有中性线的IT按需保护四线计算。无中性线的IT和单相电源系统按需保护三线计算。
C、依据GB 50057-94标准，对于无屏蔽线路和有屏蔽线路分别按50%、30%雷电流分配到电源系统计算。

举例如下：

某二类防雷建筑物，从室外引入电力线为 TN-C，在总配电箱上装设四台10/350μs 波形SPD。现计算其后级SPD的称放电电流In。按GB 50057-94标准附表6.2其雷电流幅值 37.5kA，波头时间0.25μs。需保护线路为四线。考虑经首次雷击泻放后，反射电压波或电流波叠加的情况，按两倍残余电压值或两倍残余电流值计算。

则：当线路无屏蔽时In1 =[37.5 kA×50%]÷4 =4.6875kA；
设：SPD上、下引线长度为1m（电感为1μH/m）
则：电流最大平均陡度为 Iv /T1= 4.6875÷0.25 = 18.75kA/μs
后级SPD两端的最大电压为4kV + 18.75kA/μs×1μH/m×1m =22.75kV
依据电感压降公式：UL= L × di/dt
对于8/20μs波形，若导线的电阻、感抗，SPD的导通阻抗等形成的线路的总阻抗按2Ω计算，反射电压波叠加按前级残余电压值加线路传导电压值计算。
则：当线路无屏蔽时In =22.75kV÷2Ω=11.375kA
同样计算得：
当线路有屏蔽时In =13.65kV÷2Ω=6.825kA

C、I、II 类设备处所选用安装的SPD称放电电流 In如下表：

I、II 类设备SPD称放电电流 In的选择

TT系统
TN系统
IT有中性线
IT无中性线
单相电源系统
一类建筑物
12.5kA/20kA
12.5kA/20kA
12.5kA/20kA
16.7kA/20kA
16.7kA/20kA
二类建筑物
9.375kA/10kA
9.375kA/10kA
9.375kA/10kA
12.5kA/20kA
12.5kA/20kA
三类建筑物
6.25kA/10kA
6.25kA/10kA
6.25kA/10kA
8.35kA/10kA
8.35kA/10kA

注：1、依据标准以上计算为考虑到两倍发射波叠加下，线路残余感应电压小于被保护设备耐压水平的 80%时的计算。雷电流参数依据本标准表6.2提供的参数计算。线路参数依据国家标准推荐的引线长度为 1m 时（电感为1μH/m）。
2、数据为：计算值In值/所选型号In值。此In值为8/20μs 波形SPD通流幅值。

I、II 类设备处所选用安装的SPD称放电电流 In的计算过程：

A、按照GB 50057-94附表6.2确定建筑雷电流幅值。Ⅰ类：50kA；Ⅱ类：37.5kA；Ⅲ类：25kA。
B、确定所需计算的配电方式中需保护的线数。TT、TN、有中性线的IT按需保护四线计算。无中性线的IT和单相电源系统按需保护三线计算。
C、依据GB 50057-94标准，按50%雷电流分配到电源系统计算。

举例如下：

某二类防雷建筑物，从室外引入电力线为 TN-C，在总配电箱上装设四台10/350μs 波形SPD。现计算其后级SPD的称放电电流In。按GB 50057-94标准附表6.2其雷电流幅值 37.5kA，波头时间0.25μs。需保护线路为四线。对于I、II 类独立用电设备不考虑当线路有屏蔽时的情况。依据标准，其线路间的距离小于5米，因此也不考虑线路间的震荡问题，仅考虑经首次雷击泻放后，反射电压波或电流波叠加的情况，按两倍残余电压值或两倍残余电流值计算。

则：In =[37.5 kA×50%]÷4×2 =9.375kA；

结论

1、GB 50057-94（2000版）《建筑物防雷设计规范》标准同GB 50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》标准在对电涌保护器的选择和保护目的上是一致的。都是依据IEC标准提供的数据，按照线路中设备所能承受的冲击过电压值来进行选择。但是两标准在对次级电涌保护器称放电电流In值的选择存在一些分歧。

2、建筑物入口处，即LPZ0A或LPZ0B区与LPZ1区交界处安装的电涌保护器（SPD）的称放电电流In值的选择GB 50057-94（2000版）《建筑物防雷设计规范》规定的较为清楚，对于次级电涌保护器称放电电流In值的选择，第二级SPD的称放电电流In值宜选择8/20μs波形下20kA，第三级SPD的称放电电流In值宜选择8/20μs波形下10kA。

参考文献

1、GB 50057-94（2000版）《建筑物防雷设计规范》
2、GB 50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》