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中华人民共和国国家标准

雷电电磁脉冲的防护 第3部分：对浪涌保护器的要求

Protection against lightning electromagnetic impulse(LEMP)-Part 3：Requirements of surge protective devices(SPDs)
(IEC TS 61312-3：2000，IDT)
GB／T 19271．3-2005

发布日期：2005年7月29日
实施日期：2006年4月1日

中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
       中国国家标准化管理委员会                发布

前言

    GB／T 19271《雷电电磁脉冲的防护》分为4个部分：
    ——第1部分：通则；
    ——第2部分：建筑物的屏蔽、内部等电位连接及接地；
    ——第3部分：对浪涌保护器的要求；
    ——第4部分：现有建筑物内设备的防护。
    本部分为GB／T 19271的第3部分，等同采用IEC TS 61312-3：2000《雷电电磁脉冲的防护 第3部分：对浪涌保护器的要求》(英文版)。
    本部分等同翻译IEC TS 61312-3：2000。
    本部分的附录A、附录B和附录C均为资料性附录。
    为便于使用，本部分作了一些编辑性修改：
    ——将一些适用于国际标准的表述改为适用于我国标准的表述。如将“本国际标准……”改为“本标准……”；“IEC 61312的本部分……”改为“本部分……”。
    ——按照汉语习惯对一些编写格式作了修改。如：注后的连字符“—”改为冒号“：”；英文名称的连字符“—”改为空格；表编号、图编号与标题之间的连字符“—”改为空格。
    ——按IEC规定国际标准编号一律改为1997年后的编号。如“IEC 1024……”改为“IEC 61024……”。
    ——“规范性引用文件”的引导语按GB／T 1．1-2000的规定编写。
    ——“术语和定义”按GB／T 1．1-2000的规定编写。
    本部分由全国雷电防护标准化技术委员会(SAC／TC 258)提出并归口。
    本部分由广东省防雷中心负责起草。
    参加起草的单位还有：清华大学电机工程与应用电子技术系、总装备部工程设计院、中国电信集团湖南省电信公司、中国气象局监测网络司等。
    本部分主要起草人：杨少杰、黄智慧、张伟安、余乃枞、金良、何金良、陈水明、潘正林。

引言

    按照GB／T 19271．1防雷区的概念，每当一条电气线路穿过防雷区界面时，需安装浪涌保护器。这些SPD应充分配合好，使各个SPD能按照它们各自的耐受能力承担可接受的浪涌，并有效地将原始雷电威胁减小至被保护设备的抗损能力范围内。本部分提供了实现能量配合的方法和规则。

1 范 围

    本部分对已由GB 18802．1作了标准化的浪涌保护器提出技术要求。这些SPD是按照GB／T 19271．1阐述的防雷区概念进行安装的。
    首先，从相关的初始威胁值出发，本部分给出了如何确定各个SPD所承载浪涌的指南。
    对于安装有SPD的复杂系统，遵循本部分所描述的方法，可将系统划分成若干个简单的基本结构。知道了系统中各处局部雷电流的大小及方向，就可选择合适的SPD。
    本部分还涉及SPD相互之间以及SPD与被保护设备之间能量配合的一些基本问题。为了实现有效配合，需要考虑各个SPD的特性以及相应安装地点的浪涌状况。本部分还简要说明验证系统中安装的SPD是否配合的方法。

2 规范性引用文件

    下列文件中的条款通过GB／T 19271的本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本部分。
    GB／T 16935．1-1997 低压系统内设备的绝缘配合 第一部分：原理、要求和试验(idt IEC 60664-1：1992)
    GB／T 17626．5-1999 电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验(idt IEC 61000-4-5：1995)
    GB／T 19271．1-2003 雷电电磁脉冲的防护 第1部分：通则(IEC 61312-1：1995，IDT)
    GB／T 19271．2-2005 雷电电磁脉冲的防护 第2部分：建筑物的屏蔽、内部等电位连接及接地(IEC TS 61312-2：1999，IDT)
    GB／T 19271．4-2005 雷电电磁脉冲的防护 第4部分：现有建筑物内设备的防护(IEC TS 61312-4：1999，IDT)
    GB 18802．1-2002 低压配电系统的电涌保护器(sPD) 第1部分：性能要求和试验方法(IEC 61643-1：1998，IDT)
    IEC 61024-1 建筑物防雷 第1部分：通则
    IEC 61643-2 低压配电系统的浪涌保护器 第2部分：选择和应用指南
    ITU-T K系列 抗干扰防护
    ITU-T K．20 电信交换设备抗过电压及过电流能力
    ITU-T K．21 用户终端设备抗过电压及过电流能力

3 定义、缩略语和符号

    除在GB／T 19271．1、IEC 61024-1及GB 18802．1中定义的术语和定义适用于本部分外，以下的术语和定义也适用于本部分。

3．1
    浪涌保护器 surge protective device(SPD)
    用以限制瞬态过电压以及分流浪涌电流的装置，至少包含一个非线性元件。
    [GB 18802．1-2002，3．1定义]

3．1．1
    电压开关型SPD voltage switching type SPD
    无浪涌时呈高阻状态，但一旦响应电压浪涌时，其阻抗就突变为低阻抗的SPD。用作电压开关的一些常见组件有：放电间隙、气体放电管、晶闸管(硅可控整流器)、双向三端晶闸管。这些SPD有时称为“短路开关型(crowbar)SPD”。
    [GB 18802．1-2002，3．4定义]

3．1．2
    限压型SPD voltage limiting type SPD
    无浪涌时呈高阻状态，但随浪涌电流和浪涌电压的增加，其阻抗会不断减小的SPD。常见的非线性器件有：压敏电阻和抑制二级管。这些SPD有时称为“箝位型SPD”。
    [GB 18802．1-2002，3．5定义]

3．1．3
    组合型SPD combination type SPD
    这种浪涌保护器，将电压开关组件和限压组件组装在一起，根据它们的“组合参数”和外施电压的特性，SPD显示出电压开关特性或限压特性，或者既有电压开关特性又有限压特性。
    [GB 18802．1-2002，3．6定义]

3．2
    SPD Ⅰ类测试 Class Ⅰ test
    GB 18802．1中所规定、对安装于LPZ0_A与LPZ1界面上的电流型避雷器的测试程序。其他SPD顺序安装。
    Ⅰ类测试的SPD应做冲击电流为I_imp的工作状态试验。

3．3
    SPDⅡ类测试 Class Ⅱ test
    GB 18802．1中所规定、对过电压型避雷器的测试程序。
    Ⅱ类测试的SPD应做冲击电流为I_max的工作状态试验。

3．4
    SPDⅢ类测试 Class Ⅲ test
    GB 18802．1中所规定、对过电压型避雷器的测试程序。
    Ⅲ类测试的SPD应做组合波的工作状态试验。

3．5
    最大持续工作电压 maximum continuous operating voltage
    Uc
    可以持续施加于SPD保护模式上的最大交流电压有效值或直流电压值。最大持续工作电压等同于额定电压。
    [GB 18802．1-2002，3．11定义]

3．6
    残压 residual voltage
    Ures
    放电电流流过SPD时在其端子间呈现的最大电压。
    [GB 18802．1-2002，3．17定义]

3．7
    冲击电流 impulse current
    Iimp
    由电流峰值及电荷量所确定并按工作状态试验测出的电流。用该参数对Ⅰ类测试的SPD分等级。
    [GB 18802．1-2002，3．9定义]

3．8
    最大放电电流 maximum discharge current
    Imax
    通过SPD的最大电流值。该电流具有Ⅱ类工作状态测试所规定的波形(8／20μs)及幅值。I_max大于标称放电电流In。
    [GB 18802．1-2002，3．10定义]

3．9
    抗损能力 immunity against damage
    设备抗传导和辐射雷电效应而不损坏的能力。
    [GB／T 19271．2-2005，1．3．3定义]

3．10 缩略语
    EUT 在试设备
    LPZ 防雷区
    MOV 金属氧化物变阻器
    EB 等电位连接带

3．11 符号
    C(T1-3) 低压变压器副边绕组的绕组电容
    di／dt 电流上升速率
    I_ES 通过遭雷击建筑物接地系统的雷电流
    I_ET 通过低压变压器接地系统的雷电流
    I_lightning 总的雷电流(简化计算方法)
    I_LV 通过低压系统的雷电流
    I_mains 通过遭雷击建筑物配电系统的雷电流
    I_neutral 通过中性线的雷电流
    I_peak 峰值电流
    i_sc SPD的短路输出电流(LTE配合方法)
    I_phase1-3 通过各条相线的雷电流
    l_cc 连接电缆的长度
    L_(1-3) 两个SPD之间的线路电感
    L_CC 电信屏蔽电缆的电感
    L_CT 电力电缆的电感
    L_DE 去耦元件的电感
    L_EC 电信分局接地系统的电感
    L_ES 遭雷击建筑物接地系统的电感
    L_ET 低压变压器接地系统的电感
    Lmains 整个低压电源网络的电感
    L(T1-3) 低压变压器副边绕组的绕组电感
    L_wp 水管的电感
    Q_s (短时雷击的)放电电荷
    R_CC 电信屏蔽电缆的电阻
    R_CT 电力电缆的电阻
    R_DE 去耦元件的电阻
    R_earth/g遭雷击建筑物接地系统的电阻(简化计算方法)
    R_earth/1-n 由同一低压配电网络供电的各个建筑物接地系统的电阻(简化计算方法)
    R_EC 电信分局接地系统的电阻
    R_ES遭雷击建筑物接地系统的电阻
    R_ET 低压变压器接地系统的电阻
    R_mains 整个低压电源网络的电阻
    R_N 低压变压器中性线的电阻
    R_TL 电话线的接地电阻
    R_(T1-3) 低压变压器副边绕组的绕组电阻
    R_WP 水管的接地电阻
    R_(1-3) 两个SPD间的线路电阻
    S_n 低压变压器的视在功率
    T₁ 波前时间
    T₂ 半峰值时间
    U_ARC 放电间隙的弧光电压
    U_DE 去耦元件两端的压降
    U_OC SPD的开路输出电压(LTE配合方法)
    U_LOAD 负载上的压降
    U_N 系统的标称电压
    U_max最大电压值
    U_ref(1mA) 使MOV流过1mA直流电流时的电压
    U_SG 放电间隙两端的压降
    W_max 最大耐受能量
    W／R 单位能量
    Z_i 组合波发生器的“虚拟”阻抗
    Z_mains 整个低压电源网络的阻抗

4 相关威胁值——雷电流参数

    闪电的初始威胁由以下三个部分组成：
    ——首次雷击雷电流；
    ——后续雷击雷电流；
    ——长时间雷击雷电流。(见GB／T 19271．1-2003，图2)
    各种不同保护级别的雷电流参数列于GB／T 19271．1-2003的表1至表3中(见注1)。
    所有三种分量都可当作外加电流来看待。就顺序安装的SPD的配合来说，首次雷击是决定性因素，因为后续雷击的单位能量、电荷量、峰值电流相对较小但电流的渡前时间相对较短(见注2)。长时间雷击对电流型避雷器(Ⅰ类测试)来说，只不过是额外承载的一个电流，因此涉及配合问题时可不予考虑。
    为了进行配合，要从这些参数中得出一些必要的特征值(如波形、能量等)：
    ——从首次雷击的初始相关威胁参数出发，规定10／350μs为模拟直接雷击的浪涌电流波形。这是用以验证SPD能量配合的合适的冲击电流。
    ——考虑到直接雷击电流与低压设备之间的相互作用，系统内部各个局部雷电流的波形可能不同。
    因此，也要考虑最小电流陡度的试验电流，即0．1kA／μs试验电流。
    注1：这些参数代表了雷电流的威胁值。每一个SPD仅承载总雷电流的一部分。
    注2：GB／T 19271．1-2003的附录B给出了分析用的雷电流解析函数，同时也给出了用于解析函数的各种参数值。
    注3：如果按首次雷击电流值来确定SPD的规格参数，则对这样的SPD，后续雷击将不会对它们构成什么问题。如果采用电感作去耦元件，则电流上升时间越短越易配合。
    注4：若采用电阻作去耦元件(例如，信息系统中的SPD经常采用电阻作去耦元件)则需考虑允许的最大电流值。

5 按防雷区布置SPD

5．1 防雷区
    需保护的空间应划分为不同的防雷区，以确定具有不同LEMP严酷程度的各个区。穿越防雷区界面的金属设施应在每个穿越点作等电位连接。在本部分中，假定等电位连接网络的阻抗可忽略不计，电缆按GB／T 19271．2-2005中3．5的要求布设。如果这些前提条件不满足，则查阅GB／T 19271．4，以获得更多信息。

5．2 防雷区的确定
    防雷区是根据GB／T 19271．1-2003的3．1以及图3和图4来确定的。
    将需要保护的空间划分为不同防雷区的一般原则示于图1a)、图1b)及图2。

5．3 SPD在各防雷区界面处的布置
    图2给出按防雷区在配电系统上安装SPD的实例。SPD是顺序安装的(见注1)，并按穿越点的要求来选择SPD。
    建议将电源网络和信号网络彼此靠近进入被保护空间，并在一块共用的等电位连接带上作等电位连接。这对一座由非屏蔽材料(木、砖等)建造的建筑物(或被保护空间)尤为重要。
    所选SPD以及它们接入被保护空间的整个电气系统后，应保证雷电流大部分在LPZ0_A与LPZ1的界面上泄入接地装置。
    雷电流的原有能量被大部分耗散掉后，则后续SPD只需对付LPZ0_A与LPZ1界面处的剩余浪涌和LPZ1区内电磁场的感应效应(见注2)。
    因此，各个SPD的连接导体需有足够低的阻抗值(见注3)。
    注1：图2说明了一座无屏蔽的建筑物，仅由于外部防雷系统中各部件的分流作用以及由于作用距离的原因，才使其中的电磁场有所减小。
    注2：如果在LPZ0_A与LPZ1界面处安装电压开关型SPD，还需考虑开关型SPD未达到其动作阀值时，后续SPD承受的浪涌。
    注3：为了获得最佳的过压保护，SPD的所有连接导线、引线、电缆应尽可能短。连接导线指的是由相线至SPD以及从SPD至主接地端子或保护地的导线。

6 对SPD的性能要求

    应根据防雷区提出对各个SPD的性能要求。
    选择SPD时，应考虑所有的相关技术要求，例如：
    ——电压保护水平(包括容限)；
    ——电流和能量的要求；
    ——暂时过电压。
    按已确立的各个防雷区的要求确定这些技术要求。

6．1 从LPZ0_A到LPZ1的过渡
    从LPZ0_A穿入LPZ1的线路可能传导雷电流。
    宜由SPD(Ⅰ类测试)在此界面上将这些雷电流大部分分流掉。
    该SPD承受的雷电流参数，将由以下因素确定：
    ——根据表1及GB／T 19271．1所选定的“保护级别”；

表1 首次雷击雷电流参数

    ——接地阻抗以及进入被保护空间的所有金属设施(如水管、煤气管、电信及电力电缆)的阻抗；
    ——交流供电电源制式(TN、TT、IT……)以及电网结构。
    根据这些因素，计算出流过SPD的雷电流(详情见附录B)。
    需使SPD的电压保护水平满足被保护设备的抗损能力以及电力装置绝缘配合(见GB／T 16935．1)的要求。如果不知道被保护设备的抗损能力，宜采用GB／T 17626．5所要求的或经实测的抗扰度。
    注：由于实际应用中存在一些不确定因素，需给抗扰度留有充分的安全裕量。

6．2 从LPZ0_B到LPZ1的过渡
    在LPZ0_B区内，由雷电流引起的电磁场起支配作用。排除直接雷击。
    在此情况下，根据GB 18802．1可用波形为8／20μs的浪涌电流试验(Ⅱ类测试)或适当组合波试验(Ⅲ类测试)来模拟感应效应。
    需使SPD的电压保护水平满足被保护设备的抗损能力以及电力装置绝缘配合(见GB／T 16935．1)的要求。如果不知道被保护设备的抗损能力，宜采用GB／T 17626．5所要求的或经实测的抗扰度。
    注：由于实际应用中存在一些不确定因素，需给抗扰度留有充分的安全裕量。

6．3 从LPZ1到LPZ2的过渡
    从LPZ0过渡到LPZ1后剩余的浪涌值以及LPZ1区内电磁场的感应效应，决定了对LPZ1与LPZ2界面处SPD的要求。如果不能够对浪涌值作详细分析，则可用GB 18802．1中所述的8／20μs浪涌电流Ⅱ类测试，或者适当的组合波Ⅲ类测试，来模拟施加于SPD上的主要的浪涌电流和电压。如果LPZ0_A与LPZ1界面处的SPD是开关型SPD，则还需考虑前级开关型SPD触发前施加于后级SPD上的10／350μs浪涌。
    需使SPD的电压保护水平满足被保护设备的抗损能力以及电力装置绝缘配合(见GB／T 16935．1)的要求。如果不知道被保护设备的抗损能力，宜采用GB／T 17626．5所要求的或经实测的抗扰度。
    为了保护敏感的信息系统，可能需采用较低的电压保护水平值(见GB／T 17626．5及ITU-T的K系列建议)。
    注：由于实际应用中存在一些不确定因素，需给抗扰度留有充分的安全裕量。

7 能量配合

7．1 总的配合目的

    在需要保护的系统中安装SPD的数量取决于防雷区数量、被保护设备的抗损能力以及所用SPD的特性。所选SPD的电压保护水平必须满足低压装置绝缘配合的要求以及被保护设备的抗损能力。能量配合的目的就是要避免保护系统内的SPD过负荷。因此必须弄清依其安装位置及特性决定的各个SPD所承受的浪涌值。
    如果使用了一个以上的SPD来保护设备，并且核对了这些SPD的保护特性及其安装位置适合于被保护设备时，就需要研究这些SPD间及其与被保护设备间的配合问题。
    如果对每一个浪涌电流，由SPD耗散的能量低于或等于SPD的最大耐受能量(对去耦元件也是如此)，则实现了能量的配合。
    最大耐受能量定义为SPD所能耐受的不致引起其性能劣化的最大能量，宜由以下方法获得SPD的最大耐受能量：
    ——GB 18802．1-2002第7章的电气测试；
    ——参考制造商的技术资料。
    可用图3所示的单相电路图说明SPD能量配合的基本模型。该模型只有在公共等电位连接网络(CBN)的阻抗以及CBN与SPD1和SPD2的连接线之间的互感可忽略时才有效。实现如此低耦合的措施由GB／T 19271．4给出。对于阻抗较高的情况，可参考GB／T 19271．4。

7．2 基本配合原则

7．2．1 一般原则
    配合技术的目标是通过选用以下两个一般原则之一来实现SPD之间的能量配合：
    a) 根据静态伏安特性进行配合(除导线外无附加任何去耦元件)。
    这一原则适用于限压型SPD(如MOV或抑制二极管)。本方法对电流波形不十分敏感。
    b) 使用去耦元件进行配合。
    为实现配合，可能要采用电感或电阻作去耦元件，这些元件应有足够的耐浪涌能力。
    电感主要用于供电系统，电阻主要用于信息系统。
    对于此种配合方法，波形特别是电流陡度di／dt，是决定性参数。
    注1：去耦元件既可采用分立元件也可采用各防雷区界面之间及界面与设备之间电缆的固有电阻及电感。
    注2：电缆的电感是指相线和地线两条线的电感：
    ——如果两条线在同一条电缆内，则电感大约为0．5μH／m～1μH／m(取决于导线的截面积)；
    ——如果两条线不在同一电缆内，应假定有较大的电感(取决于两条电缆的分隔距离)。
    注3：在LPZ0与LPZ1界面上，保护入户设施的SPD应符合入户设施网络操作人员的要求。

7．2．2 限压型SPD间的配合
    图4a)给出这种SPD组合的电路图，图4b)说明这种组合中的能量分配。随着冲击电流的增大，馈入的总能量也增加。只要每个SPD耗散的能量不超过MOV的最大允许吸收能量，就实现了能量的配合。
    在不用去耦元件的情况下，两个SPD间的能量配合可借助于它们在相关电流范围内的静态伏安特性来实现配合。本方法对电流波形不十分敏感。
    如用电感作去耦元件，则应考虑浪涌电流波形(例如：10／350μs，8／20μs)。
    对小电流陡度的波形(如：0．1kA／μs)，电感对限压型SPD的去耦效果不是很有效。只要可能，宜用电阻作去耦元件(或电缆的固有电阻)实现能量配合。
    详细情况见GB 18802．1。
    关于这类SPD的配合，应注意按各自通过的浪涌电流波形及能量确定SPD的规格。流过SPD的电流波形与侵入电流波形相比不会明显变窄。附录A(图A．1～A．3)给出限压型SPD(MOV)之间能量配合的例子。

7．2．3 电压开关型和限压型SPD间的配合
    以放电间隙及MOV为例，图5a)给出这种组合的基本电路图，图5b)说明这种组合能量配合的基本原理。
    图5a)中，放电间隙(SPD1)的放电取决于MOV(SPD2)两端的电压U1以及去耦元件两端的压降(UDE)。在触发放电之前，SPD间的电压分配如下式：

U_SG＝U₁＋U_DE (1)

    一旦U_SG(放电间隙两端的电压)超过放电间隙的放电电压，SPD1触发导通，就实现了配合，SPD1的导通只取决于：
    ——MOV的特性；
    ——入侵浪涌的上升速率及幅值；
    ——去耦元件的性质(如电感或电阻)(见GB 18802．1)。
    当用电感作去耦元件时，应考虑浪涌电流的上升时间及峰值(如10／350μs，8／20μs)。di／dt越大，去耦所需的电感越小。特别是对于Ⅰ类测试的SPD与Ⅱ类测试的SPD之间的配合，必须考虑最小陡度的冲击电流，即0．1kA／μs的冲击电流(亦参考第4章)。对10／350μs以及0．1kA／μs的冲击电流，必须保证这些SPD之间都能配合。
    应考虑下列两种基本情况：
    ——放电间隙不发生火花放电。
    此时全部的浪涌电流流过MOV。应按这一浪涌电流的能量来确定MOV的规格，图A．5给出放电间隙不放电时，这种SPD组合的电流和电压曲线。
    “盲点”是放电间隙与MOV之间能量配合过程中的一种最恶劣的情况。此时放电间隙两端的电压仍达不到放电电压而MOV已经达到其最大的耐受能量。因此，当采用电感作去耦元件时，最为重要的是电流的最小陡度。
    ——放电间隙发生火花放电。
    放电间隙的放电改变了施加于MOV的浪涌波形。从图A．6可看出，流过MOV的电流的持续时间大大减小了。

7．2．3．1 去耦电感的确定
    图6给出对10／350μs及0．1kA／μs两种电流都能实现配合的去耦电感的确定方法。应按照两个SPD的动态u／I特性确定所需的去耦元件。在MOV承受最大能量W_max之前，MOV上的电压U₁与电感L_DE两端压降之和必须超过放电间隙的放电电压U_ov-dyo。
    对于10／350μs冲击电流，通过MOV的电流的陡度取决于MOV允许通过的10／350μs最大电流IX(由MOV的W_max决定)，因而放电间隙两端压降的陡度也取决于最大电流I_X。因此，SG的放电电压通常取1kV／μs下的冲击火花放电电压。
    对于0．1kA／μs的线性斜角波电流，由于电流陡度恒定，因此L_DE两端的电压降也是恒定的。放电间隙两端的电压陡度随MOV的U／I特性而变化。因此，SG两端的du／dt远比第一种情况小。根据放电间隙的放电电压特性，此时放电间隙的火花放电电压减小了。随着SG两端近似恒定压降持续时间的延长(持续时间取决于MOV的W_max)，放电电压不断降低。随着电流流过MOV时间的增加，假定放电电压几乎减小至直流放电电压(500V／s)。
    去耦电感值LDE应取两种情况下所确定的电感L_DE-10/350及L_DE-0.1kA/μs中的较大者。
    图A．7和A．8给出确定L_DE的例子。
    注1：在低压供电系统中，设计去耦元件时，以负载侧短路作为最苛刻的情况。但对配合来说，就不是很恰当的。用负载侧的电压(负载电压)作为最苛刻的情况进行去耦元件的设计更为实际。放电间隙下游的SPD通常是由MOV或MOV串以间隙构成的。在任何情况下，这类SPD的残压都比标称电源电压的峰值高(例如，在标称电压为240V的交流电源系统中，峰值电压为

×240V＝340V，该电压低于所安装的SPD的参考电压)。标称电源电压的峰值相当于这些SPD的可能的最低残压。因此，该峰值电压就当作可能的最小负载电压。采用短路情况下而不是负载电压情况下的电流来进行设计的话，将导致去耦元件规格尺寸过大。
    注2：L_DE是去耦元件的有效电感。

7．2．4 电压开关型SPD间的配合
    本组合以放电间隙为例加以说明。对放电间隙之间的配合，应采用动态工作特性。
    后级放电间隙2放电后，借助于去耦元件实现配合。为确定去耦元件所需值，可用短路来代替放电间隙2。而为了使前级放电间隙1放电，去耦元件两端的压降必须高于放电间隙1的放电电压。
    电感作去耦元件时，应考虑电流波形(特别是di／dt值)。
    电阻作去耦元件时，浪涌电流峰值决定了去耦元件的阻值。在选择去耦元件的脉冲额定参数时应考虑浪涌电流的峰值。
    放电间隙1放电后，全部能量将依各个间隙的静态伏安特性重新分配。
    注：由于制造工艺的不同以及浪涌冲击波形各异等原因，通常要考虑SPD特性的容差。对于放电间隙／气体放电管的放电，冲击陡度最为重要。

7．3 防护系统的基本配合方案
    目前有四种防护系统配合方案。前三种方案建立在多个单端口SPD共同分流上，而方案Ⅳ是用于其内部集成有去耦元件的双端口SPD。应用这些配合方案时，还必须考虑那些可能被组合在被保护设备内的SPD。
    方案Ⅰ
    所有的SPD取相同的残压值Ures，这些SPD具有连续的伏安特性(如压敏电阻、抑制二极管)。
    SPD间以及SPD与被保护设备间的配合，通常是用它们之间的线路阻抗来实现的(见图7)。
    注：SPD参数的分散性可能会影响配合的结果。
    方案Ⅱ
    本方案中，所有SPD具有连续的伏安特性(如压敏电阻、抑制二极管)。
    SPD的残压Ures呈台阶式，从第一个SPD向后续SPD逐个升高(见图8)。
    这是一种用于供电系统的配合方案。
    注：本方案要求装在被保护设备内的SPD的残压值要高于安装于设备之前的最末一个SPD的残压。
    方案Ⅲ
    图9中，SPD1为具有不连续伏安特性的开关型SPD(如放电间隙)，其余SPD为具有连续伏安特性的限压型SPD(如MOV)。
    本方案的特点是由于第一个SPD的“开关作用”，使原来的冲击电流(如10／350μs)的半峰值时间被减小，从而大大减小后续SPD承受的浪涌能量。
    注：关于信号线的其他信息在ITU-T K系列建议中给出。
    方案Ⅳ
    用串联阻抗或滤波器作内部配合的多个级联的SPD组合在一起，可构成一个双端口SPD(见图10)。其内部实施了成功的配合意味着将向下游的SPD或设备传送最小的能量。这些双端口SPD必须与系统中的其他SPD，恰当地按方案Ⅰ、方案Ⅱ或方案Ⅲ进行充分配合。

7．4 根据“容通能量(LTE)”进行配合的方法
    用标准脉冲参数进行配合的过程就是选配SPD的过程。该方法的主要优点是可以将SPD当作“黑盒”看待(见图11)。因此，在输入端口施加一给定的浪涌，不但能确定其开路输出电压，也能确定其输出短路电流(“容通能量”原理)。这些输出特性转换成一个与其等效的“2Ω组合波”输出值(开路电压1．2／50μs，短路电流8／20μs)。该方法的优点是无需特别了解这类SPD的内部设计。
    注：当SPD2对SPD1无反作用时，采用本方法可获得理想的结果。当SPD1的伏安特性与SPD2的伏安特性非常不同，以致可将SPD2的输入浪涌当作准外施电流看待时，就属这种情况。例如放电间隙与MOV之间的配合，就满足这一条件。
    本配合方法的目标是使SPD2的输入值(如放电电流)与SPD1的输出值(如电压保护水平)相匹配。
    为了配合恰当，应使SPD1的等效输出组合波不超过SPD2能够吸收而不导致损坏的最大允许输入组合波。
    为使配合可靠，应以最苛刻的参数值(最大电流、最大电压、容通能量)确定SPD1的等效输出混合脉冲。
    注：关于本配合方法的其他资料在IEC 61643-2中给出。

7．5 SPD与被保护设备间的配合

7．5．1 SPD的选择
    在被保护设备输入端口外部安装的SPD与设备本身，在特性方面应相互配合。
    这类配合应保证，设备承受的浪涌不能超过被保护设备的抗损能力。
    关于终端设备抗损能力的细节，可参阅下列标准：
    ——GB／T 17626．5；
    ——ITU-T K．20．ITU-T K．21；
    ——GB／T 16935．1。
    注：应该指出，通过在内部安装SPD从而达到上述标准要求的设备也宜这样做，这些内部SPD的参数可能影响或改变正在考虑的配合。

7．5．2 安装位置
    尽管有了正确的能量配合，如果外部SPD不是安装在被保护设备上或其附近，也可能损坏终端设备。原因在于SPD与被保护设备间的导线上存在反射现象，这种反射现象甚至可能产生2倍SPD限制电压的过电压。
    关于反射现象的更多信息见附录C。
    注：额外安装SPD会产生更多的防雷区界面。

8 验证方法

    安装在一个系统中的所有SPD，包括被保护设备，实现它们之间的能量配合是决定保护效率的决定性因素。
    SPD的制造商应公布每个SPD用于配合的基本参数。
    是否实现了配合可用以下方法加以验证：
    a) 配合试验
    遵照SPD的三种基本组合(见7．2．2、7．2．3、7．2．4)有可能通过试验证实实现了配合。
    b) 计算
    以不同的精度，通过计算证实实现了配合也是可能的。借助于计算机模拟，对复杂的系统也能有效地进行检验。
    c) 采用内部配合好的SPD组合
    对用户来说，这是最简易的方案。在此情况下，应由SPD的制造商证实内部的配合。
    d) 根据“容通能量(LTE)”的配合方法
    可以通过“容通能量(LTE)”的估算证实实现了配合(见7．4)。

图1 将需要保护的空间划分为不同防雷区的示例

图2 一座建筑物划分为若干个防雷区并作适当等电位连接的例子

图3 CBN阻抗低得可忽略不计时，建筑物中SPD能量配合的基本模型(见7．1)

图4 两个限压型SPD的基本组合与能量配合

图5 电压开关型SPD和限压型SPD的基本组合与能量配合

图6 以10／350μs及0．1kA／μs进行能量配合时，确定去耦电感的原则

图7 方案Ⅰ(限压型SPD)的配合原则

图8 方案Ⅱ(限压型SPD)的配合原则

图9 方案Ⅲ(电压开关型／限压型SPD)的配合原则

图10 方案Ⅳ的配合原则

图11 用标准脉冲参数进行的LTE配合方法

附录A 两个SPD间配合的若干例子

    通常，对于配合来说，考虑SPD参数的分散性是很重要的。

A．1 限压型SPD间配合的例子

图A．1 两个限压型SPD间配合的电路图

图A．2 两个限压型SPD的伏安特性

图A．3 两个限压型SPD组合的电流和电压波形

A．2 电压开关型与限压型SPD间的配合实例

图A．4 电压开关型SPD1与限压型SPD2间配合的电路图

图A．5 电压开关型与限压型SPD组合的电流和电压波形——SPD1不放电

图A．6 电压开关型与限压型SPD组合的电流和电压波形——SPD1放电

图A．7 对于10／350μs冲击电流，电压开关型SPD1与限压型SPD2间能量配合的例子

图A．8 对于0．1kA／μs冲击电流，电压开关型SPD1与限压型SPD2间能量配合的例子

附录B 影响被保护系统中雷电流分布的若干因素

B．1 影响低压系统中雷电流分布的因素
    从GB／T 19271．1中规定的初始相关雷电威胁值出发，以下各节说明影响被保护系统中雷电流分布的各种不同因素之间的基本关系。为此目的，定义了一个普遍有效的例子(图B．1)。对于这样一个总体布局，基本上能说明各种影响因素的作用。图B．2给出用于计算的等效电路图。
    注：这些分析所需的计算可借助于网络分析程序(如PSPICE或EMTP)来进行。
    所用的电缆、接地体、变压器等的局部模型符合该领域的工程状况。以此处所关注的避雷器的配合问题具有必要精度为取向来选择模型。在这些模拟中，所有元件的阻抗值都假定为典型值。作为示范，电源电缆采用50m、500m、1000m的不同长度。在一些特殊情况下，模拟中或许会采用其他的不同值。这些模拟给出了一个复杂系统内过电压保护的例子。
    在这些例子的计算中，忽略了所有的电容。如果考虑了所含的电容，将在示波器上见到某些振荡。然而，对于本研究，这些振荡的实际意义很小，研究中的主要问题是各条导线中的电流分配。

B．1．1 电源电缆的影响

B．1．1．1 电源电缆长度对流过电缆线的局部雷电流波形的影响
    图B．3给出了长输电线对电源系统内雷电流分布以及电源线中雷电流上升速率的影响。在所有这些研究事例中，假定雷电流为200kA、10／350μs的外加浪涌电流。
    注1：加大R_ET和R_ES(≥20Ω)，会使接地系统和配电系统中的电流分布更均衡。
    在这一简化了的试验电路中，忽略了水管及电话线的接地电阻。
    由于采用长电缆，电源线上雷电流的波前时间(T1/Power system)增加了，其变化取决于系统中的L／R比例关系：

式中：
    L_{earthing-system}——遭雷击建筑物接地系统的电感；
    R_{earthing-system}——遭雷击建筑物接地系统的电阻。

    注2：在本文中，分清“T₁”与“上升速率”是非常重要的。T₁只随L／R变化，“上升速率”除随L／R变化外，还随浪涌电流峰值的大小而变化。
    在冲击电流的起始段，电流的分配是由系统的电感比L_mains／L_{earthing-system}决定的。在冲击的波尾段，由于电流变化速率低，浪涌电流将按系统的电阻比_Rmains／L_{earthing-system}进行分配：

B．1．1．2 电缆长度对导线间电流分布的影响
    随着变压器与用电系统之间供电电缆长度的增加，变压器阻抗的影响将逐步减小。因此，各导线的局部电流将出现一个均衡分布(见图B．4)。
    只有在采用短电缆或中性线具有非常低的阻抗(例如由于重复接地)时，才可能出三条相线L1、L2、L3及中性线间的非均衡电流分布。
    图B．5说明了电流在这种系统中的分布情况。

B．1．2 变压器的影响
    如B．1．1．2中所述的，变压器阻抗对电流分布的影响取决于电缆长度。
    此外，还必须考虑到，由于变压器流过浪涌电流，将在变压器的绕组上产生过电压。为了避免变压器受损，可在变压器上安装SPD以限制这些过电压。当这些SPD动作后，变压器阻抗的影响可忽略。

B．1．3 接地系统的影响
    变压器接地系统电阻与用户接地系统电阻的相互关系是雷电流分布的决定性因素。
    减小变压器的接地电阻，导致流过低压系统中电流的增加(见图B．6)。

B．1．4 多个用户的影响
    在安装实践中，绝大多数情况是配电系统接有多个用户。图B．7给出了其基本电路图。由于相互并联而使用户配电系统的等效阻抗降低，导致了低压系统中局部雷电流的增加。在只有一幢建筑物的情况下，流入低压系统的雷电流约占总雷电流的50％。而在配电系统有两个或多个用户情况下，如图B．8所示，此值可升至70％或更高。
    在配电网密布的地区，大部分雷电流将因此而流入低压配电系统。

B．1．5 简化的计算方法
    在装有外部防雷系统的建筑物遭到直接雷击的情况下，为了确定流经各个SPD的电流分布，通常采用各个接地系统(例如，建筑物的接地、水管的接地、配电系统的接地等)的欧姆电阻进行计算就足够精确了。图B．9给出了确定各个局部雷电流的简化计算方法。

随后给出简化计算方法的一个应用实例(图B．11)，图B．10给出了其电路模型。

图B．1 雷电流分布的基本模型

图B．2 雷电流分布基本模型的电路图

图B．3 连接电缆长度不同时，系统中雷电流的分布(见图B．2)

图B．4 电缆长度为500m时的电流分布(见图B．2)

图B．5 电缆长度为50m时的电流分布(见图B．2)

图B．6 电缆长度为100m时，变压器接地阻抗不同时的电流分布(见图B．2)

图B．7 多个用户情况下雷电流分布的模型

图B．8 多个用户情况下的电流分布(见图B．7)

图B．9 流入配电系统的局部雷电流的简化计算

图B．10 雷电流分布模型(另见图B．11)

B．1．6 流过SPD电流的简化计算

    初始雷电参数：保护级别Ⅲ(GB／T 19271．1-2003中表1和表C．1)

图B．11 简化后的等效电路图(另见图B．10)

附录C SPD的安装位置

C．1 安装位置
    如果SPD安装位置不恰当，尽管有正确的能量配合，被保护的设备仍可能遭到损坏。其原因是在SPD与被保护设备之间的电缆上存在反射现象。
    在临界导体长度条件下，SPD特性及被保护设备的输入阻抗是很重要的。图C．1给出了一个简化电路的例子，以说明不同安装位置、不同电缆长度以及不同负载的影响。图C．2至图C．4表明在连接电缆末端可能存在高的振荡电压，这取决于上述安装条件。
    注：为了用网络分析程序模拟这些影响，需要有一个复杂的连接电缆模型(例如，具有足够多的集中参数线段的R-L传播模型)。而在考虑这些因素时，不必模拟与频率相关的一些效应，如集肤效应或介质损耗效应。

图C．1 模拟以不同长度电缆连接SPD及各种不同负载时的试验电路

图C．2 SPD及负载上的电压(1m连接电缆，见图C．1)

图C．3 SPD及负载上的电压(10m连接电缆，见图C．1)

图C．4 SPD及负载上的电压(100m连接电缆，见图C．1)

参考文献

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