控制系统的浪涌保护控制系统的浪涌保护徐义亨徐义亨 编编1www.supcon.com1前言前言 1.1 1.1 浪涌的主要来源浪涌的主要来源 1)1)雷电雷电（包括直击雷和雷电电磁脉冲通过静电感应和电磁感应（包括直击雷和雷电电磁脉冲通过静电感应和电磁感应在电源端口、在电源端口、I/OI/O端口和通信端口造成的电压浪涌和电流浪涌等）。端口和通信端口造成的电压浪涌和电流浪涌等）。 2) 2) 包括包括电源系统的切换瞬变电源系统的切换瞬变和各种系统的和各种系统的故障故障过程中所造成干过程中所造成干扰。扰。 浪涌的特点是浪涌的特点是上升沿的变化速度快上升沿的变化速度快（前沿时间为（前沿时间为 s s级），级），瞬态瞬态功率大功率大，峰值高峰值高，所以威胁最大。，所以威胁最大。2www.supcon.com 两种不同的浪涌，应有两种不同的试验波形。因为：两种不同的浪涌，应有两种不同的试验波形。因为： 1 1）浪涌峰值的大小不一样；）浪涌峰值的大小不一样； 2 2）浪涌出现的概率大小不一样。）浪涌出现的概率大小不一样。 一般，雷电浪涌的严酷度等级要高，但是开关浪涌出现的频度一般，雷电浪涌的严酷度等级要高，但是开关浪涌出现的频度要高。所以，在富士公司的企业标准里采用了两种不同的试验方法要高。所以，在富士公司的企业标准里采用了两种不同的试验方法（ONON时间时间/OFF/OFF时间各时间各10s10s，来回，来回100100次）。次）。 3www.supcon.com4www.supcon.com1.2 1.2 问题的提出问题的提出 IEC61000-4-5IEC61000-4-5对控制系统的浪涌抗扰度做了如下规定：浪涌对控制系统的浪涌抗扰度做了如下规定：浪涌试验波形应包括试验波形应包括1.2/501.2/50电压波形电压波形和和8/208/20电流波形。电流波形。但标准仅对电压但标准仅对电压波形做了试验等级的规定。波形做了试验等级的规定。没有对电流波形的试验等级作出规定。没有对电流波形的试验等级作出规定。试验等级试验等级开路试验电压，开路试验电压，kVkV1 10.50.52 21.01.03 32.02.04 44.04.0X X特定特定5www.supcon.com本研讨会将讨论如下的两个问题：本研讨会将讨论如下的两个问题：1）在工程上是如何考虑）在工程上是如何考虑SPD的的标称放电电流等浪涌保护参数标称放电电流等浪涌保护参数的选择的选择；2）能否将）能否将SPD和和DCS合二为一合二为一,制造成制造成防雷型防雷型DCS。6www.supcon.com2 2 对对SPDSPD的基本要求的基本要求 SPDSPD是一种是一种限制瞬态过电压限制瞬态过电压和和分走浪涌电流分走浪涌电流的器件。的器件。其基本原理是，它并接在被保护设备的附近，在无浪涌其基本原理是，它并接在被保护设备的附近，在无浪涌出现时为高阻抗（即开路状态），当出现浪涌时就在最出现时为高阻抗（即开路状态），当出现浪涌时就在最短的时间内（纳秒级）内迅速将雷电流泄放到地使短的时间内（纳秒级）内迅速将雷电流泄放到地使SPDSPD变变为低阻抗，从而保护了被保护设备。为低阻抗，从而保护了被保护设备。7www.supcon.com受保护受保护设备设备SPDSPD8www.supcon.com9www.supcon.com 2.1 2.1 作为作为SPDSPD的几个基本条件：的几个基本条件：1 1）能承受预期通过的电流；）能承受预期通过的电流； 2 2）通过电流时的最大箝压（电压保护水平或残压）通过电流时的最大箝压（电压保护水平或残压) )应小于设备的耐应小于设备的耐压（即有理想的伏秒特性）；压（即有理想的伏秒特性）；10www.supcon.com3 3） SPDSPD应具有较强的绝缘强度自恢复能力应具有较强的绝缘强度自恢复能力 由于雷电过电压持续的时间很短，当由于雷电过电压持续的时间很短，当SPDSPD两端过电压消失后，系两端过电压消失后，系统正常运行电压继续作用在统正常运行电压继续作用在SPDSPD的两端，在这一正常运行电压的作的两端，在这一正常运行电压的作用下，处于导通状态下用下，处于导通状态下SPDSPD中继续流过工频接地电流，该电流称为工中继续流过工频接地电流，该电流称为工频续流。频续流。 SPDSPD必须在雷电过电压消失后工频续流的第一次过零时自行切断。必须在雷电过电压消失后工频续流的第一次过零时自行切断。否则否则SPDSPD继续维持导通状态，系统无法恢复正常运行。继续维持导通状态，系统无法恢复正常运行。4 4）对系统的正常运行的影响应很小（即）对系统的正常运行的影响应很小（即SPDSPD的的寄生电容应很寄生电容应很小，泄漏电流应非常小小，泄漏电流应非常小）。）。11www.supcon.com2.2 2.2 理想的理想的伏秒特性伏秒特性 电气设备的冲击绝缘强度是以电气设备的冲击绝缘强度是以伏秒特性伏秒特性来表示的。来表示的。 纵坐标纵坐标u u：击穿电压值；击穿电压值； 横坐标横坐标t t：击穿放电时的延时时间。击穿放电时的延时时间。 要求：要求：当受到雷电过电压时，当受到雷电过电压时，SPDSPD应率先动作限压，保护设备的应率先动作限压，保护设备的安全。安全。12www.supcon.com1 1）被保护设备的伏秒特性和）被保护设备的伏秒特性和SPDSPD的伏秒特性有交叉点的伏秒特性有交叉点 当当uuuu1 1时，被保护设备得时，被保护设备得不到保护。不到保护。 这使得当雷电过电压的波头这使得当雷电过电压的波头时间小于时间小于t t1 1时，被保护设备首先时，被保护设备首先被击坏。被击坏。utt1SPD被保护设备被保护设备u u1 1u213www.supcon.com2 2）SPDSPD的伏秒特性和设备的最高的伏秒特性和设备的最高运行电压有交叉点运行电压有交叉点 这样，在系统正常运行时，这样，在系统正常运行时，就会发生误动作，影响系统的正就会发生误动作，影响系统的正常运行。常运行。SPD被保护设备被保护设备最高运行电压最高运行电压u ut tu u1 1t214www.supcon.com3 3）理想的伏秒特性）理想的伏秒特性 A.SPDA.SPD的伏秒特性应的伏秒特性应平坦，平坦，保证放电电压稳定；保证放电电压稳定； B.SPDB.SPD的伏秒特性整体地的伏秒特性整体地低低于于被保护设备的伏秒特性；被保护设备的伏秒特性； C.SPDC.SPD的伏秒特性的伏秒特性高于高于系系统最高的运行电压。统最高的运行电压。SPD被保护设备被保护设备最高运行电压最高运行电压u ut tu u1 1t1t t2 215www.supcon.com4 4）实际的伏秒特性）实际的伏秒特性 由于击穿过程的随机性，击由于击穿过程的随机性，击穿电压具有明显的分散性，实测穿电压具有明显的分散性，实测的伏秒特性是一条曲线带。的伏秒特性是一条曲线带。 为了实现理想的配合，为了实现理想的配合，SPDSPD伏秒特性的上限边界应低于被保伏秒特性的上限边界应低于被保护设备伏秒特性的下限边界；护设备伏秒特性的下限边界；SPDSPD的伏秒特性的下限边界应高的伏秒特性的下限边界应高于被保护设备的最高运行电压。于被保护设备的最高运行电压。ut被保护设备被保护设备SPD最高运行电压最高运行电压16www.supcon.com2.3 SPD2.3 SPD的分类的分类1 1）电压开关型电压开关型SPDSPD 通常由放电间隙、通常由放电间隙、充气放电管充气放电管、闸流管和三端双向可控硅元件、闸流管和三端双向可控硅元件组成。该类组成。该类SPDSPD在无浪涌出现时呈高阻抗，出现电压浪涌时突变为在无浪涌出现时呈高阻抗，出现电压浪涌时突变为低阻抗。低阻抗。2 2）限压型限压型SPDSPD 通常用通常用压敏电阻压敏电阻、齐纳二极管（齐纳二极管（TVSTVS）、雪崩二极管雪崩二极管组成。该类组成。该类SPDSPD在无电涌出现时为高阻抗，随着浪涌电压和电流的升高，其阻抗在无电涌出现时为高阻抗，随着浪涌电压和电流的升高，其阻抗持续下降呈低阻导通状态。持续下降呈低阻导通状态。3 3）组合型组合型SPDSPD 该浪涌吸收器由电压开关型该浪涌吸收器由电压开关型SPDSPD和限压型和限压型SPDSPD组合而成。组合而成。17气体放电管、压敏电阻与二极管之间的比较气体放电管、压敏电阻与二极管之间的比较气体放电管气体放电管压敏电阻压敏电阻钳位二极管钳位二极管漏电流漏电流无无小小小小寄生电容寄生电容小小大大大大续流续流有有无无无无老化现象老化现象有有有有几乎没有几乎没有响应时间响应时间慢慢(1us)较快较快(1ns)快快(几十几十ps)损坏形式损坏形式短路或开路短路或开路短路或开路短路或开路短路或开路短路或开路通流容量通流容量大大(1kA-100kA)大大(0.1kA-100kA)较小较小(0.1kA-1kA)绝缘电阻绝缘电阻10G20M20M抗干扰能力抗干扰能力较强较强强强弱弱箝位电压水平箝位电压水平放电电压高放电电压高中等中等低低18www.supcon.com2.4 SPD2.4 SPD的主要参数的主要参数（1 1）最大持续运行电压最大持续运行电压U UC C 允许持续施加于允许持续施加于SPDSPD端子间的最大电压有效值，它等于端子间的最大电压有效值，它等于SPDSPD的额定电压。的额定电压。 例如，例如，DCSDCS的的220V220V交流电源，可取交流电源，可取U UC C大于大于1.55UO1.55UO（U UO O=220V=220V），即），即340V340V。变。变送器的电源电压如为送器的电源电压如为24V24V，则模拟量，则模拟量I/OI/O端口的端口的SPDSPD可取可取U UC C =27V =27V。（2 2）标称放电电流标称放电电流InIn 流过流过SPDSPD的相应波形的放电电流峰值（的相应波形的放电电流峰值（kA)kA)。其值要按地区的雷暴日多。其值要按地区的雷暴日多少、地理位置、行业特点、单级或多级、价格等因素而定。少、地理位置、行业特点、单级或多级、价格等因素而定。 例如，信号通信系统不小于例如，信号通信系统不小于3 kA 3 kA （如双层屏蔽不小于（如双层屏蔽不小于 0.5 kA0.5 kA） 。19www.supcon.com3 3）电压保护水平电压保护水平UpUp 冲击放电电流通过电压开关型冲击放电电流通过电压开关型SPDSPD的最大放电电压，或通过电压限制的最大放电电压，或通过电压限制型型SPDSPD时，在其端子上所呈现的最大电压峰值（残压）。时，在其端子上所呈现的最大电压峰值（残压）。 SPDSPD的电压保护水平加上其两端引线的感应电压应与所属系统的基本绝的电压保护水平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，一般不大于设备耐压水平的缘水平和设备允许的最大电涌电压协调一致，一般不大于设备耐压水平的0.80.8。4 4）响应时间响应时间 从暂态过电压开始作用于从暂态过电压开始作用于SPDSPD的时间到的时间到SPDSPD实际导通放电时刻之间的延实际导通放电时刻之间的延迟时间。它决定了迟时间。它决定了SPDSPD能否在浪涌一出现，就快速启动将浪涌的能量释放能否在浪涌一出现，就快速启动将浪涌的能量释放掉。其值愈小愈好，一般要求小于掉。其值愈小愈好，一般要求小于5ns5ns，对电源系统可放宽到小于，对电源系统可放宽到小于25ns25ns。 当当SPDSPD用于本安回路时，还必须使用经过本安或隔爆认证过的用于本安回路时，还必须使用经过本安或隔爆认证过的SPDSPD。20www.supcon.com2.5 SPD2.5 SPD的分类试验等级的分类试验等级 对控制系统，所选用的对控制系统，所选用的SPDSPD，除直击雷严重的地点采用适当容量，除直击雷严重的地点采用适当容量的的I I级分类试验（级分类试验（10/35010/350 s s）的）的SPDSPD，其冲击试验分类均相对于，其冲击试验分类均相对于级级分类试验（分类试验（8/208/20 s s的电流波形和的电流波形和1.2/501.2/50 s s的电压波形）或的电压波形）或级分类级分类试验（试验（8/208/20 s s的的短路短路电流波形和电流波形和1.2/501.2/50 s s的的开路开路电压波形的混合电压波形的混合波）波）。下面图中：下面图中：Q电荷量（电荷量（电流电流A时间时间S），），Q=（1/0.7）IT2（C）；W/R比能量，雷电流在一个单位电阻中所耗散的能比能量，雷电流在一个单位电阻中所耗散的能量。它是雷电流的平方在雷击闪络持续时间内对时间的积分，量。它是雷电流的平方在雷击闪络持续时间内对时间的积分，W/R=（1/2）（）（1/0.7）I2T2（J/）。21 I = 电流 峰值T1= 波前时间T2= 半值时间i50%90%10%T1T2It测试雷电电流的比较测试雷电电流的比较(kA)i200 s350 s600 s800 s1000 st(s)1 180 s20 kA40 kA60 kA80 kA100 kA50 kA2 23 31 12 23 3波形（波形（s）10/3508/808/20i max. kA1001005Q As50100.1W/R J/ 2.510651050,4103标准标准IEC 61024-1-1DIN VDE DIN VDE0675 T.6, E0432 T.222www.supcon.com2.6 SPD2.6 SPD的设置应考虑的基本因素的设置应考虑的基本因素 由于过程控制系统有数量庞大的由于过程控制系统有数量庞大的I/OI/O点，考虑到用户的经济承受点，考虑到用户的经济承受能力，不可能也没有必要在所有的能力，不可能也没有必要在所有的I/OI/O点上装设点上装设SPDSPD。所以一般考虑的。所以一般考虑的基本因素是：基本因素是： 1 1）雷电电磁脉冲的）雷电电磁脉冲的防护等级防护等级；2 2）被保护设备）被保护设备/ /系统的系统的重要性重要性、雷击可能造成的、雷击可能造成的经济损失经济损失和电涌保护和电涌保护投资投资的比较；的比较；3 3）电缆在室外的敷设长度。）电缆在室外的敷设长度。 对扩建和改建装置，如果接地系统、电缆类型和不同线路的安对扩建和改建装置，如果接地系统、电缆类型和不同线路的安装条件已被确定，使用装条件已被确定，使用SPDSPD是保护设备的唯一可行的方法。（引自是保护设备的唯一可行的方法。（引自“IEC 62305IEC 62305”） 23www.supcon.com3 3 交流低压电源系统交流低压电源系统SPDSPD的应用的应用3.1 3.1 交流电源回路的应用环境交流电源回路的应用环境 根据交流电源回路的根据交流电源回路的应用环境应用环境，存在着很大的差别：，存在着很大的差别：1 1）对于那些）对于那些高度暴露的环境高度暴露的环境（如变压器露天放置、从变压器到配电（如变压器露天放置、从变压器到配电室的室外距离又较长），由于处在直击雷的威胁下，空间的电磁场室的室外距离又较长），由于处在直击雷的威胁下，空间的电磁场强度很大，电源回路上可能出现的浪涌高达强度很大，电源回路上可能出现的浪涌高达80kA80kA以上；以上；2 2）而包括变压器等设施）而包括变压器等设施在建筑物内在建筑物内的的供电系统，由于周围已采取的的供电系统，由于周围已采取了防直击雷措施，因而空间的电磁场强度已经大大降低，供电回路了防直击雷措施，因而空间的电磁场强度已经大大降低，供电回路上可能出现的浪涌为上可能出现的浪涌为20-40kA20-40kA，甚至更低。，甚至更低。 对于非常重要的用户可以在总配电柜、分配电柜、控制系统对于非常重要的用户可以在总配电柜、分配电柜、控制系统供电箱实施供电箱实施三级浪涌保护三级浪涌保护（还可以在每个机柜前再加一级）。（还可以在每个机柜前再加一级）。24分配电柜被雷击的照片分配电柜被雷击的照片25www.supcon.com3.2 3.2 用电设备的浪涌抗扰度用电设备的浪涌抗扰度 控制系统的用电设备包括：控制系统的用电设备包括：UPSUPS；稳压器；稳压器；隔离变压器；隔离变压器；直流电源装置等。直流电源装置等。 其其浪涌抗扰度浪涌抗扰度（以（以绝缘冲击耐受电压绝缘冲击耐受电压或或耐冲击过电压水平耐冲击过电压水平表示）表示）应由制造商提供。应由制造商提供。 当制造商没有提供数据时，根据当制造商没有提供数据时，根据GB 50057GB 50057，对，对220/380V220/380V三相系三相系统各设备冲击耐受电压额定值规定如下表所示。统各设备冲击耐受电压额定值规定如下表所示。 26www.supcon.com 控制系统的用电设备相当于表中的控制室供电箱，所以浪涌抗控制系统的用电设备相当于表中的控制室供电箱，所以浪涌抗扰度规定为扰度规定为2.5kV 2.5kV （1.2/501.2/50 s s），但），但UPSUPS可按可按1.5kV1.5kV考虑。考虑。设备位置设备位置总配电柜总配电柜分配电柜分配电柜控制室控制室供电箱供电箱特殊需要特殊需要保护的设备保护的设备耐冲击过电压耐冲击过电压类别类别耐冲击电压耐冲击电压额定值（额定值（kV)642.51.527www.supcon.com3.3 TN-S3.3 TN-S制配电系统中的制配电系统中的SPD SPD 的安装方式的安装方式 单级的单级的SPDSPD防护有两大缺点：防护有两大缺点：过大的雷电流而出现的过大的雷电流而出现的损害概率高；损害概率高；残压正比于雷电流，所以单级残压正比于雷电流，所以单级SPDSPD会会产生高残压。产生高残压。 所以在配电系统中，在同一条线路上往往配置所以在配电系统中，在同一条线路上往往配置多级多级SPDSPD。但此。但此时应检查时应检查级间的能量配合和动作时间的配合。级间的能量配合和动作时间的配合。28SPDSPD在在 TN-STN-S系统中的应用实例系统中的应用实例WhLEBBl sPEN29www.supcon.comTN-S TN-S 制三相电路的某一级制三相电路的某一级SPDSPD的设置的设置30www.supcon.com 进控制室配电箱的交流电源为进控制室配电箱的交流电源为TN-STN-S制制三相三相220/380V220/380V系统时，供系统时，供电系统中的电系统中的SPDSPD宜装在主电路空气开关和熔断器的负荷侧。宜装在主电路空气开关和熔断器的负荷侧。SPDSPD采用采用共模接法共模接法，即在三根相线和，即在三根相线和PEPE线之间，各自安装一个过电流保护器线之间，各自安装一个过电流保护器和一个和一个SPDSPD，另在中性线和，另在中性线和PEPE线之间安装一个线之间安装一个SPDSPD（见上图）。（见上图）。 进控制室配电柜的交流电源为进控制室配电柜的交流电源为TN-STN-S制的制的单相单相220V220V系统时，系统时，SPDSPD采采用用全保护模式全保护模式，即在相线和，即在相线和PEPE线、相线和线、相线和N N线之间，各自安装一个过线之间，各自安装一个过电流保护器和一个电流保护器和一个SPDSPD，另在中性线和，另在中性线和PEPE线之间安装一个线之间安装一个SPDSPD（见下（见下图）。图）。 31www.supcon.comTN-S TN-S 制单相电路的制单相电路的SPDSPD设置设置32www.supcon.com3.4 3.4 过电流保护器的功能过电流保护器的功能1 1）在）在SPDSPD支路上安装过电流保护器以防止支路上安装过电流保护器以防止SPDSPD在承受长时间的过在承受长时间的过电压后因过热而引起电压后因过热而引起SPDSPD的损坏，从而导致的损坏，从而导致SPDSPD支路的短路起火。支路的短路起火。 在在SPDSPD支路上安装的过电流保护器支路上安装的过电流保护器不应在不应在SPDSPD允许通过的最大允许通过的最大雷电流下断开，但应能断开该点的工频短路电流雷电流下断开，但应能断开该点的工频短路电流。 一般供应的熔断器没有冲击电流下的动作特性数据，这给一般供应的熔断器没有冲击电流下的动作特性数据，这给匹配带来了困难。匹配带来了困难。 因此推荐采用空气开关。空气开关如选延迟型因此推荐采用空气开关。空气开关如选延迟型C C型脱扣曲线型脱扣曲线即有足即有足够的延时躲开冲击电流的作用而保证在雷电流下不断开。够的延时躲开冲击电流的作用而保证在雷电流下不断开。2 2）过电流保护器应与主电路的过电流保护器满足级间配合要求。）过电流保护器应与主电路的过电流保护器满足级间配合要求。 33www.supcon.com3.5 3.5 控制室供电箱控制室供电箱SPDSPD的参数选择的参数选择 总配电柜和分配电柜的总配电柜和分配电柜的SPDSPD属电气专业设计。这里仅讨论控制属电气专业设计。这里仅讨论控制室供电箱的室供电箱的SPDSPD。A.A.最大持续运行电压最大持续运行电压U UC C的选择的选择 UcUc值与产品的使用寿命、电压保护水平有关。值与产品的使用寿命、电压保护水平有关。UcUc选高了，寿命选高了，寿命长了，但电压保护水平，即长了，但电压保护水平，即SPDSPD的残压也相应提高，故要综合考虑。的残压也相应提高，故要综合考虑。 对对TN-STN-S系统，系统，UcUc1.55U1.55U0 0（U U0 0最大工作电压）最大工作电压） SPDSPD的事故许多是由于的事故许多是由于UcUc数值选得不够高。因此建议取为数值选得不够高。因此建议取为1.551.55。如有可能，在不影响电压保护水平要求的条件下，甚至可以取如有可能，在不影响电压保护水平要求的条件下，甚至可以取1.73-1.73-2 2。34www.supcon.comB.B.标称放电电流标称放电电流InIn的计算的计算 1 1）雷电流的分配）雷电流的分配 根据根据IEC 61312-1IEC 61312-1：19951995有关条文的规定，全部的雷电流有关条文的规定，全部的雷电流I I（10/35010/350 s s）的）的50%50%流入外部防雷装置的接地装置，还有流入外部防雷装置的接地装置，还有50%50%分配流分配流入各种外来导电物，电力线、信号线、通信线等。入各种外来导电物，电力线、信号线、通信线等。 如果只考虑如果只考虑TN-STN-S三相五线制供电线路，即还有三相五线制供电线路，即还有50%50%分配流入三相分配流入三相五线制的五根线中。五线制的五根线中。35分雷电流的形成分雷电流的形成引外系统引外系统分雷电流（系统电流）分雷电流（系统电流）建筑物建筑物100 % 雷电流雷电流接地系统接地系统50 % 雷电流雷电流导体电流导体电流3.1%分雷电流分雷电流12.5%分雷电流分雷电流12.5%分雷电流分雷电流12.5%分雷电流分雷电流12.5%36雷电流分配实例雷电流分配实例100 kA100 kA200 kA75 kA25 kA建筑物建筑物外部外部LPS系统系统25 kA /每相每相25 kA /每相每相100 kA变压器变压器 37直击雷保护系统下的分雷电流直击雷保护系统下的分雷电流气气水水PSC通信通信MCR100 kA100 kA20 kA20 kA20 kA20 kA20 kA200 kA38雷击电流的参数雷击电流的参数首次雷首次雷击防防护等等级雷雷电流参数流参数符号符号单位位A AB BC CD D峰峰值电流流I IkAkA200200150150100100电荷量荷量Q QshortshortC C10010075755050单位能量位能量W W/ /R RkJ/kJ/W W10.00010.0005.6255.6252.5002.500时间参数参数T T1 1/ /T T2 2 s/s/ s s10/35010/350后后续短短时雷雷击防防护等等级雷雷电流参数流参数符号符号单位位A AB BC CD D峰峰值电流流I IkAkA505037,537,52525平均陡度平均陡度d di i/d/dt tkA/kA/ s s200200150150100100时间参数参数T T1 1/ /T T2 2 s/s/ s s0,25/1000,25/100长时间雷雷击防防护等等级雷雷电流参数流参数符号符号单位位A AB BC CD D电荷量荷量Q QlanglangC C200200150150100100时间参数参数T Tlanglangs s0,50,5放放电量量防防护等等级雷雷电流参数流参数符号符号单位位A AB BC CD D电荷量荷量Q QBlitzBlitzC C30030022522515015039保护等级保护等级 峰值电流（峰值电流（ kA）A200B150C、D100Lit.: IEC 61024-1-1RstE = Rstit算例算例:E = 100 kA 1 = 100 kV S88e10/350 s波形波形冲击接地电阻上的电压降冲击接地电阻上的电压降40www.supcon.com1 1）如果防护等级为）如果防护等级为A A级，相对于级，相对于10/35010/350 s s波形供电线路中每线荷载波形供电线路中每线荷载的雷电流为的雷电流为 ImIm=200=20050%/5=20 kA50%/5=20 kA2 2）将）将20kA,10/35020kA,10/350 s s波形化为波形化为8/208/20 s s波形波形 根据根据IEC61312IEC61312，计算单位能量，计算单位能量W/RW/R的公式为：的公式为： W/R=W/R=（1/21/2）（1/0.71/0.7）I I2 2T T2 2（J/J/）式中式中 ：I-I-雷电威胁值，雷电威胁值，kAkA； T T2 2 - -雷电波的半值时间，雷电波的半值时间， s s。 在单位能量在单位能量W/RW/R相同的情况下，由上式可得相同的情况下，由上式可得 I I（2020）=I=I（350350）TT2 2（350350）/T/T2 2（2020） 1/2 1/2 则则 I I（2020）=20=20350/20 350/20 1/21/2=83.7(kA)=83.7(kA)41www.supcon.com控制室电源回路控制室电源回路SPDSPD的标称放电电流参考值的标称放电电流参考值 考虑到在总配电柜后设有多个分配电柜，分配电柜后再供电给包括仪考虑到在总配电柜后设有多个分配电柜，分配电柜后再供电给包括仪表系统在内的多个负荷，总的表系统在内的多个负荷，总的83.7kA大的雷电流最后分流到控制系统交大的雷电流最后分流到控制系统交流电源系统时已减少到很小。经调查，按上表选择流电源系统时已减少到很小。经调查，按上表选择SPD的标称放电电流值的标称放电电流值是可以满足要求的。是可以满足要求的。 如控制系统交流电源系统的前级没有设置如控制系统交流电源系统的前级没有设置SPDSPD或本级与前级的参数没或本级与前级的参数没有协调的话，则标称放电电流宜按括号内的数值选择。有协调的话，则标称放电电流宜按括号内的数值选择。C.C.电压保护水平电压保护水平UpUp不大于用电设备的耐冲击过电压水平的不大于用电设备的耐冲击过电压水平的0.8。防护等级防护等级A AB BC CD D标称放电电流标称放电电流kAkA20(80)20(80)15(80)15(80)10(80)10(80)5(80)5(80)42www.supcon.com3.6多级多级SPD之间的能量配合和动作配合之间的能量配合和动作配合1）能量配合）能量配合从前级到后级，标称放电电流逐级减小。从前级到后级，标称放电电流逐级减小。2）动作配合）动作配合 同一条线路上配置多级同一条线路上配置多级SPDSPD时，应检查级间的能量配合和动作时时，应检查级间的能量配合和动作时间的配合。当不能进行专门的校验时，可选用制造商建议的多级系间的配合。当不能进行专门的校验时，可选用制造商建议的多级系列列SPDSPD产品和级间配合措施。产品和级间配合措施。 当制造商未提供当制造商未提供SPDSPD级间配合措施也未提出级间距离要求且各级级间配合措施也未提出级间距离要求且各级SPDSPD的电压保护水平相差不大时，限压型的电压保护水平相差不大时，限压型 SPDSPD与与 限压型限压型SPDSPD之间的电之间的电气距离不宜小于气距离不宜小于5m, 5m, 限压型限压型 SPDSPD与电压开关型与电压开关型SPDSPD之间的电气距离不之间的电气距离不宜小于宜小于15m15m。43www.supcon.com 对于电压开关型对于电压开关型SPDSPD与限压型与限压型SPDSPD之间的线路长度不宜小于之间的线路长度不宜小于15m,15m,限压型限压型SPDSPD之间的线路长度不宜小于之间的线路长度不宜小于5m5m的规定，其目的主要是在低压的规定，其目的主要是在低压配电线路中安装了多级配电线路中安装了多级SPDSPD，由于，由于各级各级SPDSPD的响应时间的不一的响应时间的不一, ,有可能有可能在设计和安装时因能量配合不当，将会出现某级在设计和安装时因能量配合不当，将会出现某级SPDSPD不动作，产生泄不动作，产生泄流盲点流盲点。为了保证前级保护。为了保证前级保护SPDSPD比后级保护比后级保护SPDSPD先动作先动作, ,所以两级所以两级SPDSPD间必须有一定的线距长度（即一定的感抗或加装退耦元件）来满足间必须有一定的线距长度（即一定的感抗或加装退耦元件）来满足避免盲点的要求。避免盲点的要求。44www.supcon.com 现假设电压开关型现假设电压开关型SPDSPD的响应时间为的响应时间为100ns, 100ns, 限压型限压型SPDSPD的响应时的响应时间为间为25ns,25ns,由于电缆中存在着分布电容和分布电感由于电缆中存在着分布电容和分布电感, , 根据行波理论根据行波理论, ,雷电流在电缆中的传播速度为雷电流在电缆中的传播速度为1.51.510108 8m/s,m/s,那么雷电流在这个时间那么雷电流在这个时间差差(100-25) ns(100-25) ns内向前行进的距离为内向前行进的距离为S:S: S=1.5 S=1.510108 875751010-9-9=11.25(m)=11.25(m)即电压开关型即电压开关型SPDSPD和限压型和限压型SPDSPD之间的距离大于之间的距离大于11.25m11.25m时时, ,就可以保证就可以保证前级前级SPDSPD先动作先动作, ,从而达到将大的雷电流先泄放掉的目的。由于从而达到将大的雷电流先泄放掉的目的。由于SPDSPD实实际响应时间有一定的误差，所以取际响应时间有一定的误差，所以取15m15m。 如果两级保护的如果两级保护的SPDSPD均为限压型，响应时间均为均为限压型，响应时间均为25ns25ns，如果两级，如果两级SPDSPD动作的时间差也为动作的时间差也为25ns25ns，那么两级间应相距：，那么两级间应相距： S=1.5S=1.510108 825251010-9-9=3.75(m)=3.75(m)为保险起见，故取为保险起见，故取5 m5 m。 45www.supcon.com 如在实际情况中，难以满足上述的距离要求，而参数上也难以如在实际情况中，难以满足上述的距离要求，而参数上也难以配合时，可以在两配合时，可以在两SPDSPD之间加装之间加装退耦装置退耦装置（即一定的电感量（即一定的电感量L L）来实）来实现。现。 各级电源各级电源SPDSPD能量配合的最终目的是将总的威胁设备安全的电压能量配合的最终目的是将总的威胁设备安全的电压电流浪涌值减低到被保护设备能耐受的安全范围内，而各级电源电流浪涌值减低到被保护设备能耐受的安全范围内，而各级电源SPDSPD泄放的浪涌电流不超过自身的标称放电电流。根据泄放的浪涌电流不超过自身的标称放电电流。根据IEC61312-3IEC61312-3的规的规定，定，末级电源末级电源SPDSPD的保护水平还必须低于被保护设备的冲击耐受电压的保护水平还必须低于被保护设备的冲击耐受电压。46www.supcon.com另外：另外： 1 1）限压型）限压型SPDSPD或浪涌保护箱应选具有运行状态指示器和或浪涌保护箱应选具有运行状态指示器和SPDSPD故障故障脱离器的产品。脱离器的产品。 限压型限压型SPDSPD或浪涌保护箱宜选用具有报警指示或报警触点的产品。或浪涌保护箱宜选用具有报警指示或报警触点的产品。 电压开关型电压开关型SPDSPD可选用具有运行状态指示器的产品。可选用具有运行状态指示器的产品。 SPDSPD或浪涌保护箱可选用具有雷击计数器或雷电流记录器的产品。或浪涌保护箱可选用具有雷击计数器或雷电流记录器的产品。 2 2）在易燃易爆的危险场所）在易燃易爆的危险场所,SPD,SPD应安装在爆炸介质的所在区域之应安装在爆炸介质的所在区域之外。外。安装于暴露爆炸介质或爆炸烟尘所在区域的安装于暴露爆炸介质或爆炸烟尘所在区域的SPDSPD必须通过本安论必须通过本安论证，或密封于防爆体内。证，或密封于防爆体内。47DEHNDEHN（德国深恩）（德国深恩）（D D D D级）级）级）级）浪涌保护器浪涌保护器D D类类SPDSPDE DIN VDE 0675-6 E DIN VDE 0675-6 和和-6/-6/A1A1在在L LL L与与L LG G之间有合适的电压保护之间有合适的电压保护级别级别 较高的通流容量较高的通流容量宽的类型范围宽的类型范围标称电压标称电压U UN N 从从 24 - 230 V 24 - 230 V 标称电流标称电流 I IN N 16 A 16 A DIN-Rail DIN-Rail 安装方式安装方式多种报警方式多种报警方式可视操作可视操作- / - / 故障指示故障指示常闭型远程遥信触点常闭型远程遥信触点48www.supcon.com4 4 信号、通信线路的信号、通信线路的SPDSPD基本原则：基本原则： 1 1）信号、通信线路上的）信号、通信线路上的SPDSPD应不会造成现场信号的明显衰减和应不会造成现场信号的明显衰减和加大误码率。加大误码率。 2 2）其紧靠被保护端口的保护元件不得采用气体放电管而应采用）其紧靠被保护端口的保护元件不得采用气体放电管而应采用高响应速度（有试验报告证实整体高响应速度（有试验报告证实整体SPDSPD响应时间不超过响应时间不超过10ns10ns）的精密）的精密保护器件。保护器件。49www.supcon.com4.1 SPD 4.1 SPD 的配置原则（推荐）的配置原则（推荐） 凡经室外引入控制系统的信号和通信电缆，如同时满足下列条凡经室外引入控制系统的信号和通信电缆，如同时满足下列条件时，件时，宜在线路两侧装设电涌保护器宜在线路两侧装设电涌保护器：重要的控制参数、安全系统参数或通信电缆；重要的控制参数、安全系统参数或通信电缆；雷电防护等级为雷电防护等级为A A级；级； 电缆在室外的敷设长度大于电缆在室外的敷设长度大于50m50m。 50www.supcon.com 凡经室外引入仪表系统的信号和通信电缆，如同时满足下列条件凡经室外引入仪表系统的信号和通信电缆，如同时满足下列条件时，时，宜在线路靠近控制侧装设电涌保护器宜在线路靠近控制侧装设电涌保护器：重要的控制参数、安全系统参数或通信电缆；重要的控制参数、安全系统参数或通信电缆；雷电防护等级为雷电防护等级为B B级；级； 电缆在室外的敷设长度大于电缆在室外的敷设长度大于50m50m。51www.supcon.com 凡符合下列情况之一者，可以不考虑装设电涌保护器：凡符合下列情况之一者，可以不考虑装设电涌保护器：室内敷设（符合规范规定的电缆屏蔽和敷设要求）的室内敷设（符合规范规定的电缆屏蔽和敷设要求）的I/OI/O信号和信号和通信电缆；通信电缆；现场端侧的热电偶或热电阻；现场端侧的热电偶或热电阻；由配电间、电气控制室以及大功率开关现场端来的强电开关量信由配电间、电气控制室以及大功率开关现场端来的强电开关量信号；号；室外埋地的双层屏蔽电缆且两端出地面后在室内，或室外长度小室外埋地的双层屏蔽电缆且两端出地面后在室内，或室外长度小于于30m30m时。时。52www.supcon.com4.2 I/O4.2 I/O信号信号SPDSPD的参数的参数值值 供电电源为供电电源为24Vdc24Vdc信号，电流为（信号，电流为（4-204-20）mAmA的控制系统的控制系统I/OI/O信号信号的的SPDSPD参数宜符合下表的规定。参数宜符合下表的规定。防护防护等级等级最大持续运行最大持续运行电压电压UcUc标称放电电标称放电电流流In(kAIn(kA) )响应时间响应时间nsns电压保护水电压保护水平平UpUp测试波形测试波形A A级级30V30V10105560V60V（8/208/20 s s 、1.2/501.2/50 s s）混合波混合波B B级级1010C C级级55D D级级5553www.supcon.com 现场仪表用现场仪表用SPD SPD 应安装在与被保护仪表相同的防护、防爆等级应安装在与被保护仪表相同的防护、防爆等级的保护箱内。如现场仪表无保护箱，宜用直接拧在变送器备用螺纹的保护箱内。如现场仪表无保护箱，宜用直接拧在变送器备用螺纹电缆接口上的电缆接口上的SPDSPD。 54三线制防爆型三线制防爆型SPD55www.supcon.com4.3 4.3 通信端口上的通信端口上的SPDSPD的主要参数的主要参数 凡通信端口若符合上述配置条件时凡通信端口若符合上述配置条件时, ,应根据线路的：应根据线路的：工作频率；工作频率；传输介质；传输介质；传输速率；传输速率；传输带宽；传输带宽；工作电压；工作电压；接口形式；接口形式；特性阻抗等参数。特性阻抗等参数。 选用电压驻波比和插入损耗小的适配的选用电压驻波比和插入损耗小的适配的SPDSPD。也就是说。也就是说所选择所选择的浪涌保护器也要具备和通信线路相同的性能。的浪涌保护器也要具备和通信线路相同的性能。 通信端口上的通信端口上的SPDSPD的主要参数宜符合下表的规定。的主要参数宜符合下表的规定。56www.supcon.com防防护护等等级级 标准导通标准导通电压电压标称放电电流标称放电电流In(kAIn(kA) ) 响应响应时间时间nsns电压驻电压驻波比波比dBdB插入插入损耗损耗dBdB测试测试波形波形非屏蔽非屏蔽双绞线双绞线 屏蔽双屏蔽双绞线绞线 同轴同轴电缆电缆 A A级级1.2 1.2 Un(UnUn(Un-最大工作最大工作电压电压) )10101010202010100.10.10.200.20（8/208/20 s s 、1.2/501.2/50 s s）混）混合波合波B B级级1010551515C C级级55331010D D级级33115557以太网以太网SPD10 BASE 2以太网以太网GKF/B-L10 BASE 5以太网系统以太网系统GKF/N-L58视頻监控现场防雷案例视頻监控现场防雷案例接线盒接线盒接线盒接线盒系统线系统线通信线通信线摄像头摄像头摄像头摄像头云台云台分配箱分配箱监视器监视器控制台控制台同轴或双绞线同轴或双绞线通信线通信线230 V电源线电源线电源系统保护器电源系统保护器信息系统保护器信息系统保护器云台云台59保护现场设备保护现场设备 V2A 外壳外壳IP 67 防腐，防水防腐，防水71 mm通过现场设备通过现场设备的接地放电的接地放电电缆接头与现场设备之间用螺纹连接电缆接头与现场设备之间用螺纹连接只需要最小的安装空间只需要最小的安装空间同样更换也很方便同样更换也很方便60www.supcon.com5 SPD5 SPD的安装的安装1 1）浪涌保护器应安装在被保护设备的前端，并与其它电气设备保持）浪涌保护器应安装在被保护设备的前端，并与其它电气设备保持一定的距离。一定的距离。2 2）交流低压电源系统的）交流低压电源系统的SPDSPD接线端子与相线和零线之间的连接线长接线端子与相线和零线之间的连接线长度不应超过度不应超过0.5m0.5m；SPDSPD接地线的长度应小于接地线的长度应小于1 m1 m。 （这里之所以规定连接线长度不宜超过这里之所以规定连接线长度不宜超过0.5m0.5m，其目的是降低雷电波，其目的是降低雷电波通过引线上的时间，从而可提高通过引线上的时间，从而可提高SPDSPD的保护安全性能。因为电缆介质的保护安全性能。因为电缆介质存在着分布电容和分布电感，按行波理论，雷电波在电缆中的传输存在着分布电容和分布电感，按行波理论，雷电波在电缆中的传输速度若为空气中光速的二分之一，即速度若为空气中光速的二分之一，即1.51.5108 108 m/sm/s , ,通过通过0.5m0.5m长导长导线的时间可达线的时间可达3.4ns3.4ns，若连接线太长将影响，若连接线太长将影响SPDSPD的响应时间的响应时间。）。） 3 3）浪涌保护器的连接导线应短并平直，不宜形成尖锐的转角。为）浪涌保护器的连接导线应短并平直，不宜形成尖锐的转角。为避避免不必要的感应回路免不必要的感应回路，SPDSPD与被保护设备之间应采用无回路或小回路与被保护设备之间应采用无回路或小回路面积的方法安装。面积的方法安装。61www.supcon.com回路面积太大，虽合格但不够好回路面积太大，虽合格但不够好SPDSPD设备设备I I62www.supcon.com回路面积小，比较好回路面积小，比较好SPDSPD设备设备I I63www.supcon.com最好的方法最好的方法SPDSPD设备设备I I电缆电缆屏蔽层屏蔽层64www.supcon.com4 4）电源线路浪涌保护器连接线的最小截面积应和电源线路浪涌保护器连接线的最小截面积应和SPDSPD的标称放电电流的标称放电电流相对应相对应，标称放电电流愈大，要求连接线截面积也相应增大，这样可，标称放电电流愈大，要求连接线截面积也相应增大，这样可减小引线电感量，从而减小其动态阻抗，同时减小线路残压。电源线减小引线电感量，从而减小其动态阻抗，同时减小线路残压。电源线路的浪涌保护器的连接导线最小截面积宜符合下表的规定。路的浪涌保护器的连接导线最小截面积宜符合下表的规定。 防护防护级别级别SPDSPD的类型的类型导线截面积（导线截面积（mmmm2 2） SPDSPD连接相线铜导线连接相线铜导线SPDSPD接地端连接铜接地端连接铜导线导线第一级第一级开关型或限压型开关型或限压型1625第二级第二级限压型限压型1016第三级第三级限压型限压型610第四级第四级限压型限压型4665www.supcon.com5 5）信号线路浪涌保护器接地端宜采用截面积不小于）信号线路浪涌保护器接地端宜采用截面积不小于1.5 mm1.5 mm2 2的铜芯的铜芯导线与等电位接地端子板连接，接地线应平直。导线与等电位接地端子板连接，接地线应平直。6 6）信号线路浪涌保护器与被保护设备的连接端口有）信号线路浪涌保护器与被保护设备的连接端口有串接与并接串接与并接之分之分。由。由RJ11RJ11、RJ45RJ45、和其它接口组成的线路应串接安装、和其它接口组成的线路应串接安装SPDSPD，仅有接线，仅有接线柱组成的接口应并接安装柱组成的接口应并接安装SPDSPD。SPDSPD的安装连接图如下图所示。无的安装连接图如下图所示。无论是串接或是并接，过电压保护元件都是和被保护设备并联的，只论是串接或是并接，过电压保护元件都是和被保护设备并联的，只是连接端口上的差异。是连接端口上的差异。66www.supcon.com输入端输入端设备端设备端串接安装串接安装输入端输入端并接安装并接安装SPDSPDSPDSPD设备端设备端67www.supcon.com6 6 几个思考问题几个思考问题1 1）如何提高）如何提高DCSDCS各端口的浪涌的通流容量？各端口的浪涌的通流容量？2 2）能否将）能否将SPDSPD做在做在DCSDCS的端子板上，制造成的端子板上，制造成防雷型防雷型DCSDCS？3 3）我公司能否进行）我公司能否进行混合波（混合波（1.5/501.5/50开路电压波和开路电压波和8/208/20短路电流波）短路电流波）的测试的测试？4 4）数据转发卡数据转发卡经改进后，有否再发生过雷击损坏事件？经改进后，有否再发生过雷击损坏事件？5 5）曾经发生过多起）曾经发生过多起机笼机笼遭雷击的损坏事件，应采取什么措施？遭雷击的损坏事件，应采取什么措施？68www.supcon.com谢谢大家谢谢大家69