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LPZ0A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Iimp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Imax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。Imax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
IES 通过遭雷击建筑物接地系统的雷电流
IET 通过低压变压器接地系统的雷电流
Ilightning 总的雷电流(简化计算方法)
ILV 通过低压系统的雷电流
Imains 通过遭雷击建筑物配电系统的雷电流
Ineutral 通过中性线的雷电流
Ipeak 峰值电流
isc SPD的短路输出电流(LTE配合方法)
Iphase1-3 通过各条相线的雷电流
lcc 连接电缆的长度
L(1-3) 两个SPD之间的线路电感
LCC 电信屏蔽电缆的电感
LCT 电力电缆的电感
LDE 去耦元件的电感
LEC 电信分局接地系统的电感
LES 遭雷击建筑物接地系统的电感
LET 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
Lwp 水管的电感
Qs (短时雷击的)放电电荷
RCC 电信屏蔽电缆的电阻
RCT 电力电缆的电阻
RDE 去耦元件的电阻
Rearth/g 遭雷击建筑物接地系统的电阻(简化计算方法)
Rearth/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)
REC 电信分局接地系统的电阻
RES 遭雷击建筑物接地系统的电阻
RET 低压变压器接地系统的电阻
Rmains 整个低压电源网络的电阻
RN 低压变压器中性线的电阻
RTL 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
RWP 水管的接地电阻
R(1-3) 两个SPD间的线路电阻
Sn 低压变压器的视在功率
T1 波前时间
T2 半峰值时间
UARC 放电间隙的弧光电压
UDE 去耦元件两端的压降
UOC SPD的开路输出电压(LTE配合方法)
ULOAD 负载上的压降
UN 系统的标称电压
Umax 最大电压值
Uref(1mA) 使MOV流过1mA直流电流时的电压
USG 放电间隙两端的压降
Wmax 最大耐受能量
W／R 单位能量
Zi 组合波发生器的“虚拟”阻抗
Zmains 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LPZ0A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LPZ0A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LPZ0A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。
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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