（免費下載）GB/T 19271.3-2005 雷電電磁脈沖的防護 第3部分：對浪涌保護器的要求
1 范 圍
1 范 圍
本部分對已由GB 18802.1作了標準化的浪涌保護器提出技術要求。這些SPD是按照GB／T 19271.1闡述的防雷區(qū)概念進行安裝的。
首先，從相關的初始威脅值出發(fā)，本部分給出了如何確定各個SPD所承載浪涌的指南。
對于安裝有SPD的復雜系統(tǒng)，遵循本部分所描述的方法，可將系統(tǒng)劃分成若干個簡單的基本結構。知道了系統(tǒng)中各處局部雷電流的大小及方向，就可選擇合適的SPD。
本部分還涉及SPD相互之間以及SPD與被保護設備之間能量配合的一些基本問題。為了實現(xiàn)有效配合，需要考慮各個SPD的特性以及相應安裝地點的浪涌狀況。本部分還簡要說明驗證系統(tǒng)中安裝的SPD是否配合的方法。
2 規(guī)范性引用文件
2 規(guī)范性引用文件
下列文件中的條款通過GB／T 19271的本部分的引用而成為本部分的條款。凡是注日期的引用文件，其隨后所有的修改單(不包括勘誤的內容)或修訂版均不適用于本部分，然而，鼓勵根據(jù)本部分達成協(xié)議的各方研究是否可使用這些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本適用于本部分。
GB／T 16935.1-1997 低壓系統(tǒng)內設備的絕緣配合 第一部分：原理、要求和試驗(idt IEC 60664-1：1992)
GB／T 17626.5-1999 電磁兼容 試驗和測量技術 浪涌(沖擊)抗擾度試驗(idt IEC 61000-4-5：1995)
GB／T 19271.1-2003 雷電電磁脈沖的防護 第1部分：通則(IEC 61312-1：1995，IDT)
GB／T 19271.2-2005 雷電電磁脈沖的防護 第2部分：建筑物的屏蔽、內部等電位連接及接地(IEC TS 61312-2：1999，IDT)
GB／T 19271.4-2005 雷電電磁脈沖的防護 第4部分：現(xiàn)有建筑物內設備的防護(IEC TS 61312-4：1999，IDT)
GB 18802.1-2002 低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器(sPD) 第1部分：性能要求和試驗方法(IEC 61643-1：1998，IDT)
IEC 61024-1 建筑物防雷 第1部分：通則
IEC 61643-2 低壓配電系統(tǒng)的浪涌保護器 第2部分：選擇和應用指南
ITU-T K系列 抗干擾防護
ITU-T K.20 電信交換設備抗過電壓及過電流能力
ITU-T K.21 用戶終端設備抗過電壓及過電流能力
3 定義、縮略語和符號
3.1
浪涌保護器 surge protective device(SPD)
用以限制瞬態(tài)過電壓以及分流浪涌電流的裝置，至少包含一個非線性元件。
[GB 18802．1-2002，3．1定義]
3.1.1
電壓開關型SPD voltage switching type SPD
無浪涌時呈高阻狀態(tài)，但一旦響應電壓浪涌時，其阻抗就突變?yōu)榈妥杩沟腟PD。用作電壓開關的一些常見組件有：放電間隙、氣體放電管、晶閘管(硅可控整流器)、雙向三端晶閘管。這些SPD有時稱為“短路開關型(crowbar)SPD”。
[GB 18802．1-2002，3．4定義]
3.1.2
限壓型SPD voltage limiting type SPD
無浪涌時呈高阻狀態(tài)，但隨浪涌電流和浪涌電壓的增加，其阻抗會不斷減小的SPD。常見的非線性器件有：壓敏電阻和抑制二級管。這些SPD有時稱為“箝位型SPD”。
[GB 18802．1-2002，3．5定義]
3.1.3
組合型SPD combination type SPD
這種浪涌保護器，將電壓開關組件和限壓組件組裝在一起，根據(jù)它們的“組合參數(shù)”和外施電壓的特性，SPD顯示出電壓開關特性或限壓特性，或者既有電壓開關特性又有限壓特性。
[GB 18802．1-2002，3．6定義]
3.2
SPD Ⅰ類測試 Class Ⅰ test
GB 18802．1中所規(guī)定、對安裝于LPZ0A與LPZ1界面上的電流型避雷器的測試程序。其他SPD順序安裝。
Ⅰ類測試的SPD應做沖擊電流為Iimp的工作狀態(tài)試驗。
3.3
SPDⅡ類測試 Class Ⅱ test
GB 18802．1中所規(guī)定、對過電壓型避雷器的測試程序。
Ⅱ類測試的SPD應做沖擊電流為Imax的工作狀態(tài)試驗。
3.4
SPDⅢ類測試 Class Ⅲ test
GB 18802．1中所規(guī)定、對過電壓型避雷器的測試程序。
Ⅲ類測試的SPD應做組合波的工作狀態(tài)試驗。
3.5
最大持續(xù)工作電壓 maximum continuous operating voltage
Uc
可以持續(xù)施加于SPD保護模式上的最大交流電壓有效值或直流電壓值。最大持續(xù)工作電壓等同于額定電壓。
[GB 18802．1-2002，3．11定義]
3.6
殘壓 residual voltage
Ures
放電電流流過SPD時在其端子間呈現(xiàn)的最大電壓。
[GB 18802．1-2002，3．17定義]
3.7
沖擊電流 impulse current
Iimp
由電流峰值及電荷量所確定并按工作狀態(tài)試驗測出的電流。用該參數(shù)對Ⅰ類測試的SPD分等級。
[GB 18802．1-2002，3．9定義]
3.8
最大放電電流 maximum discharge current
Imax
通過SPD的最大電流值。該電流具有Ⅱ類工作狀態(tài)測試所規(guī)定的波形(8／20μs)及幅值。Imax大于標稱放電電流In。
[GB 18802．1-2002，3．10定義]
3.9
抗損能力 immunity against damage
設備抗傳導和輻射雷電效應而不損壞的能力。
[GB／T 19271．2-2005，1．3．3定義]
3.10 縮略語
EUT 在試設備
LPZ 防雷區(qū)
MOV 金屬氧化物變阻器
EB 等電位連接帶
3.11 符號
C(T1-3) 低壓變壓器副邊繞組的繞組電容
di／dt 電流上升速率
IES 通過遭雷擊建筑物接地系統(tǒng)的雷電流
IET 通過低壓變壓器接地系統(tǒng)的雷電流
Ilightning 總的雷電流(簡化計算方法)
ILV 通過低壓系統(tǒng)的雷電流
Imains 通過遭雷擊建筑物配電系統(tǒng)的雷電流
Ineutral 通過中性線的雷電流
Ipeak 峰值電流
isc SPD的短路輸出電流(LTE配合方法)
Iphase1-3 通過各條相線的雷電流
lcc 連接電纜的長度
L(1-3) 兩個SPD之間的線路電感
LCC 電信屏蔽電纜的電感
LCT 電力電纜的電感
LDE 去耦元件的電感
LEC 電信分局接地系統(tǒng)的電感
LES 遭雷擊建筑物接地系統(tǒng)的電感
LET 低壓變壓器接地系統(tǒng)的電感
Lmains 整個低壓電源網(wǎng)絡的電感
L(T1-3) 低壓變壓器副邊繞組的繞組電感
Lwp 水管的電感
Qs (短時雷擊的)放電電荷
RCC 電信屏蔽電纜的電阻
RCT 電力電纜的電阻
RDE 去耦元件的電阻
Rearth/g 遭雷擊建筑物接地系統(tǒng)的電阻(簡化計算方法)
Rearth/1-n 由同一低壓配電網(wǎng)絡供電的各個建筑物接地系統(tǒng)的電阻(簡化計算方法)
REC 電信分局接地系統(tǒng)的電阻
RES 遭雷擊建筑物接地系統(tǒng)的電阻
RET 低壓變壓器接地系統(tǒng)的電阻
Rmains 整個低壓電源網(wǎng)絡的電阻
RN 低壓變壓器中性線的電阻
RTL 電話線的接地電阻
R(T1-3) 低壓變壓器副邊繞組的繞組電阻
RWP 水管的接地電阻
R(1-3) 兩個SPD間的線路電阻
Sn 低壓變壓器的視在功率
T1 波前時間
T2 半峰值時間
UARC 放電間隙的弧光電壓
UDE 去耦元件兩端的壓降
UOC SPD的開路輸出電壓(LTE配合方法)
ULOAD 負載上的壓降
UN 系統(tǒng)的標稱電壓
Umax 最大電壓值
Uref(1mA) 使MOV流過1mA直流電流時的電壓
USG 放電間隙兩端的壓降
Wmax 最大耐受能量
W／R 單位能量
Zi 組合波發(fā)生器的“虛擬”阻抗
Zmains 整個低壓電源網(wǎng)絡的阻抗
4 相關威脅值——雷電流參數(shù)
4 相關威脅值——雷電流參數(shù)
閃電的初始威脅由以下三個部分組成：
——首次雷擊雷電流；
——后續(xù)雷擊雷電流；
——長時間雷擊雷電流。(見GB／T 19271.1-2003，圖2)
各種不同保護級別的雷電流參數(shù)列于GB／T 19271.1-2003的表1至表3中(見注1)。
所有三種分量都可當作外加電流來看待。就順序安裝的SPD的配合來說，首次雷擊是決定性因素，因為后續(xù)雷擊的單位能量、電荷量、峰值電流相對較小但電流的渡前時間相對較短(見注2)。長時間雷擊對電流型避雷器(Ⅰ類測試)來說，只不過是額外承載的一個電流，因此涉及配合問題時可不予考慮。
為了進行配合，要從這些參數(shù)中得出一些必要的特征值(如波形、能量等)：
——從首次雷擊的初始相關威脅參數(shù)出發(fā)，規(guī)定10／350μs為模擬直接雷擊的浪涌電流波形。這是用以驗證SPD能量配合的合適的沖擊電流。
——考慮到直接雷擊電流與低壓設備之間的相互作用，系統(tǒng)內部各個局部雷電流的波形可能不同。
因此，也要考慮最小電流陡度的試驗電流，即0.1kA／μs試驗電流。
注1：這些參數(shù)代表了雷電流的威脅值。每一個SPD僅承載總雷電流的一部分。
注2：GB／T 19271.1-2003的附錄B給出了分析用的雷電流解析函數(shù)，同時也給出了用于解析函數(shù)的各種參數(shù)值。
注3：如果按首次雷擊電流值來確定SPD的規(guī)格參數(shù)，則對這樣的SPD，后續(xù)雷擊將不會對它們構成什么問題。如果采用電感作去耦元件，則電流上升時間越短越易配合。
注4：若采用電阻作去耦元件(例如，信息系統(tǒng)中的SPD經(jīng)常采用電阻作去耦元件)則需考慮允許的最大電流值。
5 按防雷區(qū)布置SPD
5.1 防雷區(qū)
需保護的空間應劃分為不同的防雷區(qū)，以確定具有不同LEMP嚴酷程度的各個區(qū)。穿越防雷區(qū)界面的金屬設施應在每個穿越點作等電位連接。在本部分中，假定等電位連接網(wǎng)絡的阻抗可忽略不計，電纜按GB／T 19271.2-2005中3.5的要求布設。如果這些前提條件不滿足，則查閱GB／T 19271.4，以獲得更多信息。
5.2 防雷區(qū)的確定
防雷區(qū)是根據(jù)GB／T 19271.1-2003的3.1以及圖3和圖4來確定的。
將需要保護的空間劃分為不同防雷區(qū)的一般原則示于圖1a)、圖1b)及圖2。
5.3 SPD在各防雷區(qū)界面處的布置
圖2給出按防雷區(qū)在配電系統(tǒng)上安裝SPD的實例。SPD是順序安裝的(見注1)，并按穿越點的要求來選擇SPD。
建議將電源網(wǎng)絡和信號網(wǎng)絡彼此靠近進入被保護空間，并在一塊共用的等電位連接帶上作等電位連接。這對一座由非屏蔽材料(木、磚等)建造的建筑物(或被保護空間)尤為重要。
所選SPD以及它們接入被保護空間的整個電氣系統(tǒng)后，應保證雷電流大部分在LPZ0A與LPZ1的界面上泄入接地裝置。
雷電流的原有能量被大部分耗散掉后，則后續(xù)SPD只需對付LPZ0A與LPZ1界面處的剩余浪涌和LPZ1區(qū)內電磁場的感應效應(見注2)。
因此，各個SPD的連接導體需有足夠低的阻抗值(見注3)。
注1：圖2說明了一座無屏蔽的建筑物，僅由于外部防雷系統(tǒng)中各部件的分流作用以及由于作用距離的原因，才使其中的電磁場有所減小。
注2：如果在LPZ0A與LPZ1界面處安裝電壓開關型SPD，還需考慮開關型SPD未達到其動作閥值時，后續(xù)SPD承受的浪涌。
注3：為了獲得最佳的過壓保護，SPD的所有連接導線、引線、電纜應盡可能短。連接導線指的是由相線至SPD以及從SPD至主接地端子或保護地的導線。
6 對SPD的性能要求
6.1 從LPZ0A到LPZ1的過渡
從LPZ0A穿入LPZ1的線路可能傳導雷電流。
宜由SPD(Ⅰ類測試)在此界面上將這些雷電流大部分分流掉。
該SPD承受的雷電流參數(shù)，將由以下因素確定：
——根據(jù)表1及GB／T 19271.1所選定的“保護級別”；
表1 首次雷擊雷電流參數(shù)
——接地阻抗以及進入被保護空間的所有金屬設施(如水管、煤氣管、電信及電力電纜)的阻抗；
——交流供電電源制式(TN、TT、IT……)以及電網(wǎng)結構。
根據(jù)這些因素，計算出流過SPD的雷電流(詳情見附錄B)。
需使SPD的電壓保護水平滿足被保護設備的抗損能力以及電力裝置絕緣配合(見GB／T 16935.1)的要求。如果不知道被保護設備的抗損能力，宜采用GB／T 17626.5所要求的或經(jīng)實測的抗擾度。
注：由于實際應用中存在一些不確定因素，需給抗擾度留有充分的安全裕量。
6.2 從LPZ0B到LPZ1的過渡
在LPZ0B區(qū)內，由雷電流引起的電磁場起支配作用。排除直接雷擊。
在此情況下，根據(jù)GB 18802.1可用波形為8／20μs的浪涌電流試驗(Ⅱ類測試)或適當組合波試驗(Ⅲ類測試)來模擬感應效應。
需使SPD的電壓保護水平滿足被保護設備的抗損能力以及電力裝置絕緣配合(見GB／T 16935.1)的要求。如果不知道被保護設備的抗損能力，宜采用GB／T 17626.5所要求的或經(jīng)實測的抗擾度。
注：由于實際應用中存在一些不確定因素，需給抗擾度留有充分的安全裕量。
6.3 從LPZ1到LPZ2的過渡
從LPZ0過渡到LPZ1后剩余的浪涌值以及LPZ1區(qū)內電磁場的感應效應，決定了對LPZ1與LPZ2界面處SPD的要求。如果不能夠對浪涌值作詳細分析，則可用GB 18802.1中所述的8／20μs浪涌電流Ⅱ類測試，或者適當?shù)慕M合波Ⅲ類測試，來模擬施加于SPD上的主要的浪涌電流和電壓。如果LPZ0A與LPZ1界面處的SPD是開關型SPD，則還需考慮前級開關型SPD觸發(fā)前施加于后級SPD上的10／350μs浪涌。
需使SPD的電壓保護水平滿足被保護設備的抗損能力以及電力裝置絕緣配合(見GB／T 16935.1)的要求。如果不知道被保護設備的抗損能力，宜采用GB／T 17626.5所要求的或經(jīng)實測的抗擾度。
為了保護敏感的信息系統(tǒng)，可能需采用較低的電壓保護水平值(見GB／T 17626.5及ITU-T的K系列建議)。
注：由于實際應用中存在一些不確定因素，需給抗擾度留有充分的安全裕量。
7 能量配合
7.1 總的配合目的
在需要保護的系統(tǒng)中安裝SPD的數(shù)量取決于防雷區(qū)數(shù)量、被保護設備的抗損能力以及所用SPD的特性。所選SPD的電壓保護水平必須滿足低壓裝置絕緣配合的要求以及被保護設備的抗損能力。能量配合的目的就是要避免保護系統(tǒng)內的SPD過負荷。因此必須弄清依其安裝位置及特性決定的各個SPD所承受的浪涌值。
如果使用了一個以上的SPD來保護設備，并且核對了這些SPD的保護特性及其安裝位置適合于被保護設備時，就需要研究這些SPD間及其與被保護設備間的配合問題。
如果對每一個浪涌電流，由SPD耗散的能量低于或等于SPD的最大耐受能量(對去耦元件也是如此)，則實現(xiàn)了能量的配合。
最大耐受能量定義為SPD所能耐受的不致引起其性能劣化的最大能量，宜由以下方法獲得SPD的最大耐受能量：
——GB 18802.1-2002第7章的電氣測試；
——參考制造商的技術資料。
可用圖3所示的單相電路圖說明SPD能量配合的基本模型。該模型只有在公共等電位連接網(wǎng)絡(CBN)的阻抗以及CBN與SPD1和SPD2的連接線之間的互感可忽略時才有效。實現(xiàn)如此低耦合的措施由GB／T 19271.4給出。對于阻抗較高的情況，可參考GB／T 19271.4。
7.3 防護系統(tǒng)的基本配合方案
目前有四種防護系統(tǒng)配合方案。前三種方案建立在多個單端口SPD共同分流上，而方案Ⅳ是用于其內部集成有去耦元件的雙端口SPD。應用這些配合方案時，還必須考慮那些可能被組合在被保護設備內的SPD。
方案Ⅰ
所有的SPD取相同的殘壓值Ures，這些SPD具有連續(xù)的伏安特性(如壓敏電阻、抑制二極管)。
SPD間以及SPD與被保護設備間的配合，通常是用它們之間的線路阻抗來實現(xiàn)的(見圖7)。
注：SPD參數(shù)的分散性可能會影響配合的結果。
方案Ⅱ
本方案中，所有SPD具有連續(xù)的伏安特性(如壓敏電阻、抑制二極管)。
SPD的殘壓Ures呈臺階式，從第一個SPD向后續(xù)SPD逐個升高(見圖8)。
這是一種用于供電系統(tǒng)的配合方案。
注：本方案要求裝在被保護設備內的SPD的殘壓值要高于安裝于設備之前的最末一個SPD的殘壓。
方案Ⅲ
圖9中，SPD1為具有不連續(xù)伏安特性的開關型SPD(如放電間隙)，其余SPD為具有連續(xù)伏安特性的限壓型SPD(如MOV)。
本方案的特點是由于第一個SPD的“開關作用”，使原來的沖擊電流(如10／350μs)的半峰值時間被減小，從而大大減小后續(xù)SPD承受的浪涌能量。
注：關于信號線的其他信息在ITU-T K系列建議中給出。
方案Ⅳ
用串聯(lián)阻抗或濾波器作內部配合的多個級聯(lián)的SPD組合在一起，可構成一個雙端口SPD(見圖10)。其內部實施了成功的配合意味著將向下游的SPD或設備傳送最小的能量。這些雙端口SPD必須與系統(tǒng)中的其他SPD，恰當?shù)匕捶桨涪?、方案Ⅱ或方案Ⅲ進行充分配合。
7.4 根據(jù)“容通能量(LTE)”進行配合的方法
用標準脈沖參數(shù)進行配合的過程就是選配SPD的過程。該方法的主要優(yōu)點是可以將SPD當作“黑盒”看待(見圖11)。因此，在輸入端口施加一給定的浪涌，不但能確定其開路輸出電壓，也能確定其輸出短路電流(“容通能量”原理)。這些輸出特性轉換成一個與其等效的“2Ω組合波”輸出值(開路電壓1.2／50μs，短路電流8／20μs)。該方法的優(yōu)點是無需特別了解這類SPD的內部設計。
注：當SPD2對SPD1無反作用時，采用本方法可獲得理想的結果。當SPD1的伏安特性與SPD2的伏安特性非常不同，以致可將SPD2的輸入浪涌當作準外施電流看待時，就屬這種情況。例如放電間隙與MOV之間的配合，就滿足這一條件。
本配合方法的目標是使SPD2的輸入值(如放電電流)與SPD1的輸出值(如電壓保護水平)相匹配。
為了配合恰當，應使SPD1的等效輸出組合波不超過SPD2能夠吸收而不導致?lián)p壞的最大允許輸入組合波。
為使配合可靠，應以最苛刻的參數(shù)值(最大電流、最大電壓、容通能量)確定SPD1的等效輸出混合脈沖。
注：關于本配合方法的其他資料在IEC 61643-2中給出。
8 驗證方法
8 驗證方法
安裝在一個系統(tǒng)中的所有SPD，包括被保護設備，實現(xiàn)它們之間的能量配合是決定保護效率的決定性因素。
SPD的制造商應公布每個SPD用于配合的基本參數(shù)。
是否實現(xiàn)了配合可用以下方法加以驗證：
a) 配合試驗
遵照SPD的三種基本組合(見7.2.2、7.2.3、7.2.4)有可能通過試驗證實實現(xiàn)了配合。
b) 計算
以不同的精度，通過計算證實實現(xiàn)了配合也是可能的。借助于計算機模擬，對復雜的系統(tǒng)也能有效地進行檢驗。
c) 采用內部配合好的SPD組合
對用戶來說，這是最簡易的方案。在此情況下，應由SPD的制造商證實內部的配合。
d) 根據(jù)“容通能量(LTE)”的配合方法
可以通過“容通能量(LTE)”的估算證實實現(xiàn)了配合(見7.4)。
圖1 將需要保護的空間劃分為不同防雷區(qū)的示例
圖2 一座建筑物劃分為若干個防雷區(qū)并作適當?shù)入娢贿B接的例子
圖3 CBN阻抗低得可忽略不計時，建筑物中SPD能量配合的基本模型(見7.1)
圖4 兩個限壓型SPD的基本組合與能量配合
圖5 電壓開關型SPD和限壓型SPD的基本組合與能量配合
圖6 以10／350μs及0.1kA／μs進行能量配合時，確定去耦電感的原則
圖7 方案Ⅰ(限壓型SPD)的配合原則
圖8 方案Ⅱ(限壓型SPD)的配合原則
圖9 方案Ⅲ(電壓開關型／限壓型SPD)的配合原則
圖10 方案Ⅳ的配合原則
圖11 用標準脈沖參數(shù)進行的LTE配合方法
附錄A 兩個SPD間配合的若干例子
A.1 限壓型SPD間配合的例子
圖A.1 兩個限壓型SPD間配合的電路圖
圖A.1 兩個限壓型SPD間配合的電路圖
圖A.2 兩個限壓型SPD的伏安特性
圖A.3 兩個限壓型SPD組合的電流和電壓波形
A.2 電壓開關型與限壓型SPD間的配合實例
圖A.4 電壓開關型SPD1與限壓型SPD2間配合的電路圖
圖A.5 電壓開關型與限壓型SPD組合的電流和電壓波形——SPD1不放電
圖A.6 電壓開關型與限壓型SPD組合的電流和電壓波形——SPD1放電
圖A.7 對于10／350μs沖擊電流，電壓開關型SPD1與限壓型SPD2間能量配合的例子
圖A.8 對于0.1kA／μs沖擊電流，電壓開關型SPD1與限壓型SPD2間能量配合的例子
附錄B 影響被保護系統(tǒng)中雷電流分布的若干因素
附錄C SPD的安裝位置
C.1 安裝位置
如果SPD安裝位置不恰當，盡管有正確的能量配合，被保護的設備仍可能遭到損壞。其原因是在SPD與被保護設備之間的電纜上存在反射現(xiàn)象。
在臨界導體長度條件下，SPD特性及被保護設備的輸入阻抗是很重要的。圖C.1給出了一個簡化電路的例子，以說明不同安裝位置、不同電纜長度以及不同負載的影響。圖C.2至圖C.4表明在連接電纜末端可能存在高的振蕩電壓，這取決于上述安裝條件。
注：為了用網(wǎng)絡分析程序模擬這些影響，需要有一個復雜的連接電纜模型(例如，具有足夠多的集中參數(shù)線段的R-L傳播模型)。而在考慮這些因素時，不必模擬與頻率相關的一些效應，如集膚效應或介質損耗效應。
圖C.1 模擬以不同長度電纜連接SPD及各種不同負載時的試驗電路
圖C.2 SPD及負載上的電壓(1m連接電纜，見圖C.1)
圖C.3 SPD及負載上的電壓(10m連接電纜，見圖C.1)
圖C.4 SPD及負載上的電壓(100m連接電纜，見圖C.1)
參考文獻
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