电涌保护器安装级数分析
      关象石1）余立平2）孙丹波2）
      （1．中国气象学会雷电防护委员会，北京 100081；2.深圳市气象局，深圳 518001）
     
      　　[摘　要] ：根据国际电工委员会（IEC）标准和《建筑物防雷设计规范》的内容，对《建筑物电子信息系统防雷技术规范》中要求安装多级电涌保护器的内容进行了分析。
     
      　　[关键词] ：电涌保护器　安装　级数
      引言
     
      　　《建筑物电子信息系统防雷技术规范》以GB50343形式于2004年6月实施，其中对电涌保护器（SPD、文中用浪涌保护器）的安装级数规定了：在电源线路上4级（雷电防护等级A）、3级（雷电防护等级B）、2级（雷电防护等级C和D），在传输线路上3级或2级（雷电防护等级A）、2级（雷电防护等级B）、1级或2级（雷电防护等级C和D）。这种要求是否符合防雷设计应“做到安全可靠、技术先进、经济合理”[1]的要求？本文依据文献[1]和IEC相关标准分析如下。
     
      1．建筑物内电气和电子系统可能不需防雷保护
     
      　　 文献[1]中第一、二章中规定“建筑物防雷设计，应在认真调查地理、地质、土壤、气象、环境等条件和雷电活动规律以及被保护的特点等的基础上，详细研究防雷装置的形式及其布置”（第1.0.3条）。按建筑物的“重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果”将建筑物分为第一、二、三类防雷建筑物，当然还有一大批不属以上三类而无需防直击雷的建筑物。在2000年局部修订条文增加的第六章中，对“一个信息系统是否需要防雷击电磁脉冲，应在完成直接、间接损失评估和建设、维护投资预测后认真分析综合考虑，做到安全、适用、经济”（第6.1.2条）。针对可能出现的建筑物无需防直击雷和内部电气、电子系统有防雷击电磁脉冲（LEMP）需求的矛盾，文献[1]规定“在设有信息系统的建筑物需防雷击电磁脉冲的情况下，当该建筑物没有装设防直击雷装置和不处于其它建筑物或物体的保护范围内时，宜按第三类防雷建筑物采取防直击雷的防雷措施”（第6.1.3条）。为什幺在防LEMP时要防直击雷，第6.3.4条以图和文的说明，介绍了进入建筑物的各种设施之间雷电流的分配，其要点是分流。这一部分可参见文献[2]“闪电击中建筑物防雷装置时10/350μs雷电流在低压系统中的分配”。
     
      　　在IEC62305-1雷电防护第1部分总则中第六章中指出：“为评估是否需要防雷，应根据IEC62305-2所列程序进行风险评估。……如果风险（R1：生命危害、R2：公共设施的损失、R3：文物损失）高于可承受风险RT，则有必要防雷”，防雷要讲经济效益，“如果采用防雷措施后仍会发生的损失CRL和采用防雷措施所用的成本CPM之和低于没有防雷措施时可能出现的总损失额CL，即CRL+CPM＜CL，则采用防雷措施是有益的”。虽然IEC/TC81文件中没有从另一方面阐述，我们可理解为：当RT＞R（R1+R2+R¬3）时，以及CRL+C¬PM＞CL时建筑物及其内部系统可不进行防雷设计与施工，少数特殊建筑物除外。
     
      　　在《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（以下简称50343）第4章和附录A中也提及雷击风险评估，但与文献[1]和IEC相关标准有很大差异。50343规定：“当N≤NC时，可不安装防雷装置”。其中N是建筑物年预计雷击次数，其计算方法抄自文献[1]中的附录一。
     
      　　关于NC在50343中给出了NC=5.8×10-1.5/C这一公式，其出处可能是QX3-2000中附录A中NC=5.8×10-3/C，也可能如50343条文说明（4.2条中）的NFC17-102中的附录B。估且不说NFC17-102：1995“闪电保护 应用提前放电接闪器向建筑物与开阔地区提供闪电保护”是一在国际上很有争议的法国标准，看其内容，附录B的“闪电危险评估指南”均指的是直击雷防护。如B2.2“预期的直接闪电电击频率Nd”，B2.3“建筑物的允许闪击频率（NC）”。无论是NFC17-102的题目，还是其“提要”中“此标准说明如何应用提前放电避雷导体来保护建筑物免受闪电直接电击的主要方法”均与防LEMP无关。QX3是“气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范”，做为行业标准其要求应高于国标要求，且只对本行业有效，怎幺能推而广之到我国各行各业呢？文献[1]中N值计算出后，配合使用第2.0.3条和第2.0.4条中内容，规定了第二类防雷建筑物有：预计N＞0.06次/α的部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物：预计N＞0.3次/α的住宅、办公楼等一般性民用建筑物。第三类防雷建筑物有：预计N≥0.012次/α且N≤0.06次/α的部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物；预计N≥0.06次/α且小于或等于0.3次/α的住宅、办公楼等一般性民用建筑物；预计N≥0.06次/α的一般性工业建筑物。之后在第三至第五章中规定了相应的防直击雷措施。这与电气和电子系统是否需防LEMP没有直接关系。当一个第二类防雷建筑物内没有电气和电子系统，按50343要求，在N≤NC时，可不安装雷电防护装置；按GB50057则要求安防雷装置，且只安装接闪器、引下线和接地装置这些外部防雷装置。
     
      　　50343条文说明第4.2.2条称：“电子信息系统设备因雷击损坏可接受的最大年平均雷击次数NC值，至今，国内外尚无一个统一的标准”。这句话说的太武断了，笔者手头便有IEC62305-2“雷电防护 第2部分：风险管理”的英文版，长达106页！其“前言”中便指出雷云对地放电“可以令设备发生故障，尤其是电气及电子系统”、“这些防护措施是否需要以及需要的程度都应通过风险评估来决定”， IEC62305-2就是风险评估的标准，在下文中会做介绍。最近，邱传睿先生著文说：“关先生在这里犯了两个错误。一是没有看IEC62305-2的适用范围。IEC62305-2在适用范围里明确说：‘本标准适用于由雷击导致的建筑物内或公共设施内的风险评估，’也就是说，该标准本来就是讲雷击对建筑物及公共设施的影响的，没有讲雷电对建筑物内的电气、电子系统的影响。……大家可以仔细的阅读IEC62305-2的英文原文，不难发现关先生对该标准理解的偏差”[3]。难道邱先生没有注意到该标准“前言”中“尤其是电气及电子系统”这句话吗？而且在“4.风险评估方法”中多次提到“内部装置”（3.23条定义为建筑物内的电气和电子系统），“D3：电气和电子系统失效”，“雷击对公共设施的影响可能是提供服务的设施本身（线路或管道），或是与其相连的电气和电子系统”。在此，也劝邱先生可以仔细阅读IEC62305-2的英文原文，看看是谁理解上有偏差。
     
      　　50343的风险评估和确定雷电防护等级（A、B、C、D）与GB50057和IEC标准是矛盾的。试问一座位于少雷区，以平房（别墅）为主的五星级宾馆，一定要按50343的规定列为A级，要在电源上安4级，传输线上安3级SPD吗？可能这座五星级宾馆连外部防雷装置都不一定需要。
     
      2．建筑物内电气和电子系统是否均需安装SPD？
     
      　　SPD是等电位连接技术和防雷装置的一种，在IEC62305-4中定义为：“用以限制瞬态过电压和分走电涌电流的器件。它至少含有一非线性文件。”SPD在IEC/TC37标准及等同采用的GB18802.1和GB18802.21中被分为连接至低压配电系统的SPD和连接至电信和信号网络的SPD两大类。在50343中却多出一个“天馈浪涌保护器”这一与50343主编单位的生产厂商生产SPD系列相配套的类型，难道天馈线传输的不是信号吗，为什幺要专门分出一类来？
     
      　　在建筑物内电气和电子系统并非都要使用SPD进行保护。《建筑物电气装置 第4部分：安全防护 第44章：过电压保护 第443节：大气过电压或操作过电压保护》（GB16895.12-2001/idt IEC60364-4-443）中规定：在建筑物电气装置仅防由配电系统传导来的大气瞬态过电压以及操作过电压时（注：这种雷击线路附近地面而传导来的过电压在IEC62305-2中被描述为S4型），“在电气装置全部由低压地下系统而不含架空线供电的情况下，依据表44.B所规定的设备耐冲击电压值（注：对220/380V三相系统，分别为6、4、2.5、和1.5kv）便足够了，而不需要附加的大气过电压保护”（3.1.1条），“在电气装置由低压架空线供电或含有低压架空线供电的情况下，且外界环境影响为AQ1（雷暴日数＜25日/年＝时，不需要附加的大气过电压保护”（3.1.2条）。这里需说明的是，规定所指为S4型，不含建筑物可能遭受直接雷击的S1型。同时该标准中对3.1.2注明：“在要求可靠性较高或预期有较高的危险性（如火灾）的情况下，可考虑增设大气过电压保护”，这里的“大气过电压”指的是雷击过电压，上述技术措施称之为“过电压的自身抑制”（靠系统本身绝缘水平）。只有在“电气装置由架空线或含有架空线的线路供电，且当地雷电活动符合外界影响条件AQ2（雷暴日数＞25日/年）时，应装设大气过电压保护。保护装置的保护水平不应高于表44.B列出的Ⅱ类过电压水平（注：2.5kv）”（3.2.1条）。此时不是依靠系统本身绝缘水平的自身抑制，而是靠SPD的保护抑制。在该标准3.2.2条中指出，保护措施可“按照IEC60364-5-534安装具有Ⅱ类保护水平的电涌防护器；或通过其它方法提供至少等效的电压衰减量”。
     
      　　在IEC62305-2中给出了如下图表（见表1）。
      　
      
      　
      根据雷击点位置划分的损害来源
      　　——S1：雷击建筑物；
      　　——S2：雷击建筑物的邻近区域；
      　　——S3¬：雷击公共设施（电力和通信线路上）；
      　　——S4：雷击公共设施的邻近区域（电力和通信线路附近的地面）。
     
      　　损害类型
     
      　　——D1：接触和跨步电压导致的人员伤亡（活体遭电击）；
      　　——D2：实体损害；
      　　——D3：过压导致的电气和电子系统的失效。
     
      　　损失类型
     
      　　——L1：生命损失；
      　　——L2：向大众服务的公共设施的损失；
      　　——L3：文化遗产损失；
      　　——L4：经济损失。
     
      　　*为医院和有爆炸风险的建筑物的情况；
      　　**为农业财产情况（牲畜损失）。
     
      　　与IEC60364-4-443对应的为S4型。通信行业标准YD5098依据上述标准把少雷区的雷暴日数界定在不超过25天/年的地区，而后做了相应的防雷要求，是符合客观实际的。但50343却毫无依据的把少雷区减了5天，规定为20天/年以下。
      　　
      　　除上所述外，我们可以假定；为保护室外一个带云台的摄像机，可能要在电源、信号线及视频线上加装SPD，其投资会远远大于摄像头，而且安全度不会是百分之百。此时，如不是特别重要和安防系统不能停顿，完全可以不安SPD。打坏一个摄像头，再换一个新的就行了。
     
      3．SPD应该安装多少级？
     
      　　按IEC和GB50057标准进行评估分析后，某建筑物可能需要在电气和电子系统上（不是50343标题中的“信息系统”，该词从2002年以后IEC标准中已不再使用）安装SPD。50343中按N与NC之比或信息系统的重要性和使用性质规定了需要1～4级SPD。而文献[1]在第6.4.4条原则规定“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：通过电涌时的最大钳压，有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流”。并仅对LPZO¬A或LPZOB区与LPZ1区交界处安装Ⅰ级分类试验的SPD提出了具体按第6.3.4条规定确定通过SPD的10/350μs雷电流幅值的要求。为解决一旦出现第一级SPD安装后SPD的电压保护水平加上线路上感应过电压不足以保护设备的问题，第6.4.8条规定在这种情况下“尚应在被保护设备处装设SPD，其标称放电电流Ⅰn不宜小于8/20μs3kA”。在GB50057中对低压配电系统上安SPD最多只提到2级。
     
      　　2002年10月上海召开的“首届中国防雷论坛”上天津中力孙巍巍先生发言指出在被保护线路上安装了3～4级SPD是不合理的。2004年10月MCG的葛豪龙先生在“第三届中国防雷论坛”上先是跨大步从讲台一端走一到另一端，随后又用十几个小步走了回去。他说：这段距离可以用几步跨过时为什么要走十几个小步呢？葛先生用生动的形体语言说明了他对安装多级SPD的看法。
     
      　　究竟需要安装几级SPD才是适当的？核心是SPD的电压保护水平Up和受保护设备的耐冲击过电压额定值Uw的关系。在IEC62305-4的D1.1中说明：“如果受保护设备的耐冲击电压额定值Uw大于或等于SPD的Up，还必须加上安全裕量，此裕量主要是考虑到连接导体的影响和SPD与受保护设备之间回路的长度影响。一般认为，有20%的裕量是足够的，除非有更详细的研究。
     
      　　　　1.2Up≤Uw
     
      　　在SPD和受保护设备很靠近时，对限压型SPD而言，有效的防护UP（f）应考虑为UP+△U；对开关型SPD而言，UP（f）应考虑U¬P或△U（选取其中较大值）。
     
      　　△U为连接导体的感应电压，设定为△U为1kV/m。”
     
      　　在《连接至低压配电系统的SPD 选型和应用原则》IEC/TC37（IEC61643-12：2002）中6.1.1条“当受保护设备具有足够的过电压承受能力，或在靠近配电干线的配电盘处，一个SPD可能就足够了”，第6.1.4条中重复了这段话后又有如下内容“在某些特殊情况下，在靠近受保护设备处可能需要附加的保护，如：有非常敏感的设备处；建筑物入口处安装的SPD与受保护设备之间距离太长；建筑物内部有雷击放电和内部干扰源所产生的电磁感应场。必须考虑受保护系统中最敏感设备的UW。最靠近这类设备的SPD的UP至少要求比设备的UW低20%。如果建筑物入口处SPD的UP加上6.1.2中所提到的影响（注：指安装距离产生的振荡现象），由于SPD和受保护设备间的距离导致在设备处产生的感应电压低于0.8UW，则不需要在靠近设备处增设第二级SPD”。
     
      　　为说明以上内容，IEC61643-12还用图示进行了说明，见图1。
     
      　
      
      　
      　　图例：
     
      　　如果Up1×k < 0.8×UW，仅需要SPDNo.1（安装在装置入口处）。
      　　如果Up1×k > 0.8×UW，除了SPDNo.1还应该安装SPD No.2（Up2 < 0.8UW）。
      　　Eq是电压耐受能力为UW的设备，如IEC 60664-1中所定义。
      　　k是考虑到可能的振荡得出的系数（1 < k < 2，见6.1.2）。
      　　　　　　　　　　　　　　　图1 是否需要附加保护的图例
     
      　　IEC61643-22《连接至电信和信号网络的SPD 选型和应用原则》中对SPD的级数是这样规定的，“选择SPD应根据过电压/过电流威胁水平和SPD的特性来进行，一个单独的SPD能被用于建筑物内设备保护。即便需要对多个防雷区进行保护，也可以通过在单个SPD中组合防护电路来实现。”（7.3.1.1条），“表3中防雷区（LPZ）的选择是假定在LPZO/LPZ1区处部分雷电流IB通过SPD（j）（局部雷电流IPC）阻性耦合进入信息技术设备，在该系统中传导雷电流因布线系统和SPD而改变。如果SPD（j）的UP高于设备的UW，则可以额外安装一个有适当UP的SPD，这个SPD与SPD（j）应有良好的配合。另一种选择是，换一个有适当UP的SPD来替代SPD（j）”（7.3.1.2条）。
     
      　　由此可知，无论是低压配电系统还是电子系统中，SPD可以只在建筑物入口处安装一级，只有在1.2UP＞UW时（或其他特殊情况下），才需要附加的（额外的）SPD2。在IEC相关标准中用很大的篇幅说明多级SPD相配合时需注意的事项，这也是一种常识，用一句俗话说：龙多了不治水。SPD的系统越复杂，麻烦就越多。
     
      4．SPD的正确选择
     
      　　除文献[1]的规定外，GB16895.22-2004中对低压配电系统上SPD的安装做出如下规定：
     
      　　——“对防止大气过电压（由间接的、远处的雷击引起的）（注：指S4型）和操作过电压的保护。通常这种保护是装设通过Ⅱ级试验的SPD来提供，在必要时靠通过Ⅲ级试验的SPD来提供”。此规定中只提到2级SPD，且用了“必要时”的界定。在其后之中规定SPD对每一保护模式的Ⅰn（标称放电电流）不应小于5kA（8/20μs）。在使用“3+1”形式时，三相系统中N线与PE线间的SPD，其Ⅰn值不应小于20kA(8/20μs),单相系统中不应小于10kA（8/20μs）。SPD的Up应小于2.5kv。
     
      　　——“在建筑物装有防雷装置（注：LPS即接闪器、引下线和接地装置）的情况下使用SPD以防止直接雷击（注：指S1型）或者建筑物邻近处被雷击引起的瞬态过电压（注：指S2型）SPD应“符合IEC61643-1的雷击冲击电流Ⅰimp应根据IEC61312-1计算，更具体的要求在IEC61643-12中给出。如果电流值无法确定，则每一保护模式的Ⅰimp值不应小于12.5kA”。Ⅰimp在IEC标准和GB18802.1中试验波形为10/350μs。在使用“3+1”安装形式时“接在N线和PE线间SPD的Ⅰimp值应类似上述的标准计算（注：为L-N的Ⅰimp值的4倍）。如果电流值无法确定，则对于三相系统Ⅰimp¬¬不应小于50kA，对于单相系统Ⅰimp不应小于25kA”。在建筑物入口配电盘上安装的SPD的Up应小于2.5kV。
     
      　　Uc、UTOV、耐受预期短路电流、多级SPD之间的配合、SPD失效后的保护、间接接触防护、SPD的状态指示、连接导线等详细要求，GB16895.22与GB50057、IEC62305、IEC61643标准均相同，详细请参看文献[4]。由于IEC/T37、TC64、TC81的一致性，本文不再一一引用。电信和信号网络中SPD的选择见文献[5]。
     
      　　在50343中把10/350μs试验波形放到了“标称放电电流”栏中是不对的，GB18802.1中Ⅰimp为冲击电流，而Ⅰn才是标称放电电流，是“流过SPD具有8/20波形的电流峰值”。在50343中条文说明4.5.1条使用IEC61312标准中雷电流参数（也可见GB50057附录六）计算公式：
     
      　　　　W/R=（1/2）×（1/0.7）×I¬2×T2 （J/Ω）
     
      　　并由此式推导出；在单位能量相同的条件下，Ⅰn与Ⅰimp的比值为：1:4.18，即：
     
      　　　　I2（20）×T2（20）= I2（350）×T2（350）
     
      　　从表面上看，数学推导无误，但是推导人忘记了一个重要条件，在IEC62305-1附录A中A.3给出这个公式前规定：只有在T1<<<350，在8/20μs波形时，8和20之间达不到远远大于这一条件。基本条件不符，此计算能有效吗？因此，50343中表5.4.1-2在LPZ0/LPZ1区选用8/20μs 80kA、60k A和50kA的In均达不到IEC标准规定的“能承受预期通过它们的雷电流”的要求。
     
      小结
     
      　　1） SPD是防雷装置的一种，在建筑物内电气和电子系统能通过本身的绝缘水平进行过电压自身抑制时，不一定需要安装。
      　　2）当建筑物装有外部防雷装置时或建筑物本身无外部防雷装置，但邻近的与其有电气联系的建筑物上有防雷装置时，应按GB16895.22的规定在入户处配电盘上安装SPD。
      　　3）一般情况下SPD安装1级就可以了，安装第2级时应考虑各种因素的影响及两级SPD的配合。
      　　4）由于50343中的明显错误，防雷工程的设计者在发现标准之间的矛盾时应以GB50057、GB18802、GB16895等国标为准进行设计和安装。
      
      参考文献
      　　[1]《建筑物防雷设计规范》GB50057-1994（2000年版）
      　　[2] 林维勇 “闪电击中建筑物防雷装置时10/350μs雷电流在低压系统中的分配”《中国雷电与防护》2003 N0.3
      　　[3] 邱传睿“‘对GB50343若干技术问题的质疑’的质疑”《防雷世界商情》2005.3
      　　[4]《建筑物电气装置 第5-53部分：电气设备的选择和安装 隔离、开关和控制设备 第534部分：过电压保护电器》GB16895.22-2004/IEC6364-5-53：2001 A1：2002 中国标准出版社
      　　[5] 郭晋、关象石“通信和信号网络上SPD的选择和使用”《中国雷电与防护》2004 No.4