[转帖]异议SPD配置的有关问题--许颖

通天雷神

异议SPD配置的有关问题

摘  要：本文主要对GB50057-94《建筑物防雷设计规范》（2000年版）中有关SPD配置提出三个方面的异议： （1）建筑物分区配置SPD是不能优化防雷保护系统的。其结果是，配置的SPD不多就少。SPD多了是“花钱买SPD损坏率”，少了是增加被保护物损坏率。 （2）通过第1级SPD的雷电流波形不可能再保持是首次雷击的雷电流原型波形——10/350μs。 （3）规定通过SPD的标称放电电流（In）波形，第1级为10/350μs，第2级为8/20μs，SPD检验也使用这样的波形，这是不符合侵入雷电波行程规律的。是完全没有必要的。     关键词：建筑物防雷  SPD  雷电流波形     GB 50057—94《建筑物防雷设计规范》（2000年版）对有关SPD 的配置做了明确规定，笔者从以下三个方面提出异议：（1）建筑物分区配置SPD；（2）通过第1级SPD的雷电流波形为10/350μs；（3）通过第2级SPD的雷电流波形为8/20μs。     1.建筑物分区配置SPD不能优化防雷保护系统 在雷电放电时，在建筑物内各个空间产生的电磁场强度是不等的，在各种导电体（含各种导线）上以及各种仪器设备上产生雷电的流动波（或叫行波），重则损坏各种绝缘和元件，轻则也会干扰电子信息系统正常工作。为了形象化，划分很多不同的防雷区（LPZ），告诫人们如何做好屏蔽、接地和等电位连接，这是必要的。但作为配置SPD是不充分的，达不到优化防雷保护系统的目的。这是因为在同一区内不同空间点（位置）的电磁场场强是不等的（完全金属密闭体除外）。 建筑物电子信息系统是一个复杂网络（含接地网），在各个节点（含地网）之间有电位差。所谓等电位连接，只是电位差减小的连接，并不能达到真正的等电位。 雷电波侵入到建筑物（含构筑物）电子信息网络的渠道通常有：一是沿各种导电金属体；二是电容耦合，又称静电感应；三是电感耦合，又称电磁耦合；四是分开接地的接地装置，由一个接地装置上地电位升高，在另一个接地装置上产生的电位升高，通常称为阻性耦合。 雷电波通过上述四条渠道侵入到电子信息网络中，在各个节点上产生折射和反射，各节点上形成的波形是振荡衰减波形。IEC 62305-4附录D中也指出是“振荡现象”。节点上这种波形，既不是侵入原型波形——10/350μs，也不是8/20μs波形。 各个节点上呈现的电压幅值和波形，与侵入波幅值和陡度、SPD残压以及各节之间的电气距离（不是几何距离）有关。根据各节点上的过电压Uex（这是随机变量），按绝缘配合原则（即基于实践运行统计的经验基础上总结出本国可接受的风险率）来优化配置SPD。怎么能不管侵入雷电波幅值和陡度、各节之间距离、被保护物的绝缘水平，简单地分区配置SPD呢？这样配置SPD，其结果不是SPD多了就是少了。SPD多了，因它本身是器件，有一定的损坏率，多了就是“花钱买事故”。SPD少了，增加被保护物的损坏率。 据笔者所知，在3kV及以上电网中，应用如下所说的配置方法，已有70多年历史[1、，2]，经不断研发，今天这套配置方法已达到非常完善的地步,分析结线采用变电所与架空线路为电气一体的防雷保护分析统计方法，雷击概率采用蒙特卡洛法（Monte Carlo）统计试验方法；已有电子计算机专用程序——电磁暂态计算程序（EMTP）。这些都可“借鉴”和“参考”。在IEC 62305-4附录C亦推荐“需要用网络分析软件进行计算机仿真”。

[此贴子已经被作者于2006-12-31 16:03:55编辑过]

通天雷神

2.通过第1级SPD的雷电流波形不可能再保持是首次雷击的雷电流原型波形——10/350μs

 

GB50057-94（2000年版）附表6.1中规定：首次雷击的雷电流波形为10/350μs。也就是说，雷击建筑物或直击进入建筑物的架空线路上，假定雷电流原型波形为10/350μs。又规定通过第1级SPD的雷电流波形为10/350μs，这一规定是不对的。笔者在本文第1节已叙述，建筑物电子信息系统是一个复杂网络（含接地网），SPD是配置在这个复杂网络中一个节点上（复杂网络中的一个分支系统上）。在IEC62305-4附录C中亦指出：“单个SPD只承受总雷电流的一部分”。怎么会是原型波形10/350μs和一些人炒作的所谓3I_n=3×80kA=240kA或3×60kA=180A呢？难道SPD配置串联在建筑物接闪器上吗？即使SPD配置在进入建筑物220～380V架空线路上，在首次雷击的雷电流幅值在1kA以上时架空线路都会发生对地闪络。只要一闪络，就不可能再保持仍然是原型波形10/350μs。在本文第1节已论述，不论侵入的首次雷击的雷电流何种波形，在建筑物电子信息系统中各个节点上是振荡衰减波形。这是建筑物电子信息网络中节点之间导线（含设备）电感和电容形成的n个振荡回路所致。也是被大量试验证明的事实。不知GB50057-94（2000年版）怎样论证通过第1级SPD的冲击电流波形仍是首次雷击的雷电流原型波形——10/350μs？

通天雷神

3 .规定通过SPD的标称雷电放电电流（I_n）波形是没有必要的

第1级为10/350μs，第2级为8/20μs，SPD检验也要用这样波形，这是不符合侵入雷电波形行程规律的。这是完全没有必要的。

笔者从如下三方面来论述：

（1）雷电波从SPD第1级行走到第2级时会衰减变形。至今，国内外试验证明，雷电波在导线上行走一段行程后，发生的衰减变形是：波头（波前）部分受电晕影响变平拉长，不可能从10μs变成8μs缩短，幅值衰减，波尾部分发生反电晕而拉长，不可能从350μs变成20μs缩短。除非从SPD第1级到第2级之间行波被截断。但实践证明，多数是在SPD第1级前截断，少见SPD第1级至第2级之间截断。

（2）国内外试验均证明，对MOV的SPD在I_n的残压，主要与I_n波头长度（波前时间）有关，随波头长度（波前时间）增大而降低，与波尾无关。也就是说，在10/350μs和8/20μs波形的相同I_n值下的残压几乎相同。从残压试验来看，没有必要规定SPD第1级为10/350μs，第2级为8/20μs。

从绝缘配合要求，用8/20μs的I_n下的残压，仅是对绝缘在全波（1.2/50μs）冲击电压下的绝缘配合。因通过MOV的SPD和WGMOA的雷电流是随机变量，因此IEC 60099-4:2001和国标GB 11032-2000(等同于 IEC60099-4:1991)规定WGMOA，在型式试验和例行试验（出厂试验）中，雷电冲击电流下的残压应在0.5I_n、1.0I_n、2.0I_n范围内进行多点测量以便绘制稳态伏安（V -I）特性，用于优化防雷系统风险评估。侵入的雷电流陡度也是随机变量，例如近区雷击，侵入波可能很陡。IEC 60099-4:2001和国标GB11032-2000还规定，要对WGMOA要进行在陡波（波前时间为1μs）冲击电流I_n下的残压测量,用于与绝缘在截波冲击电压下的配合。

在国内气象防雷中心草拟的气象行业防雷的《电涌保护器（SPD）的检测技术规范》（征求意见稿）§5.1.1中，LPZ0与LPZ1区交界处第一级放电电流，A级SPD为大于10/350μs20kA和大于8/20μs80kA，可任选其一。[笔者注：事实上这是承诺：不同波形的冲击电流的能量（kJ）可以互相替代的]。从这一规定看来，这显然不是指残压试验关系。因为8/20μs80kA下残压远大于10/350μs20kA下的残压。同时，冲击电流10/350μs下的残压波形远大于1.2/50μs冲击电压波尾。不符合绝缘配合用的冲击电压波形（全波）。

规定I_n用10/350μs和8/20μs两种波形，是从能量出发。IEC62305-4附录C中明确指出：“波形为10/350μs的冲击试验电流，主要用于测试SPD的能量配合”。笔者下面将分析从能量看，亦没有必要这样规定。

（3）IEC规定冲击电流用10/350μs和8/20μs两种波形，显然是为能量（kJ）试验而设计的。能量（kJ）试验，国内外试验证明，不论用什么电流波形，只要通过的电流幅值和冲击次数足够，都能达到要求的能量（kJ）值。这在国际大电网（CIGRE），Electra，No.133，1990年公布的CIGR SC-33·WG33-06报告中已有详细阐述。笔者在文[3]中阐述了金属氧化物非线性电阻器（MOV）是具有“能量资源”安秒（I-t）特性。文[4]介绍了用工频60Hz电流0.8A（峰值）至600A（峰值）和人工雷电冲击电流4kA至35kA对三个制造厂生产的大批量的MOR试品进行了试验，每种电流施加到直至破坏时为止，得到MOR的电流平均值（I）对数与破坏时间平均值（t）对数之间的线性关系：即

logI+logt=k（常数）

常州创捷防雷电子有限公司张南法总工程师告诉我，他们得到类似试验结果。MOV的MOR能流能力（能量资源——安秒I-t特性）是：

式中：  I_p—冲击电流峰值；

—冲击电流时间宽度；

n—冲击次数；

a、b和c是常数。

综合上述行波衰减、残压试验、能量（kJ）试验等三方面分析，SPD第1级没有必要一定用10/350μs波形。

现在还存在一种炒作作倾向。即炒作提高SPD标称放电电流（I_n）。笔者在文[5]中对这种倾向作了分析，是纯粹的夸大和商业行为。

通天雷神

3 .规定通过SPD的标称雷电放电电流（I_n）波形是没有必要的

第1级为10/350μs，第2级为8/20μs，SPD检验也要用这样波形，这是不符合侵入雷电波形行程规律的。这是完全没有必要的。

笔者从如下三方面来论述：

（1）雷电波从SPD第1级行走到第2级时会衰减变形。至今，国内外试验证明，雷电波在导线上行走一段行程后，发生的衰减变形是：波头（波前）部分受电晕影响变平拉长，不可能从10μs变成8μs缩短，幅值衰减，波尾部分发生反电晕而拉长，不可能从350μs变成20μs缩短。除非从SPD第1级到第2级之间行波被截断。但实践证明，多数是在SPD第1级前截断，少见SPD第1级至第2级之间截断。

（2）国内外试验均证明，对MOV的SPD在I_n的残压，主要与I_n波头长度（波前时间）有关，随波头长度（波前时间）增大而降低，与波尾无关。也就是说，在10/350μs和8/20μs波形的相同I_n值下的残压几乎相同。从残压试验来看，没有必要规定SPD第1级为10/350μs，第2级为8/20μs。

从绝缘配合要求，用8/20μs的I_n下的残压，仅是对绝缘在全波（1.2/50μs）冲击电压下的绝缘配合。因通过MOV的SPD和WGMOA的雷电流是随机变量，因此IEC 60099-4:2001和国标GB 11032-2000(等同于 IEC60099-4:1991)规定WGMOA，在型式试验和例行试验（出厂试验）中，雷电冲击电流下的残压应在0.5I_n、1.0I_n、2.0I_n范围内进行多点测量以便绘制稳态伏安（V -I）特性，用于优化防雷系统风险评估。侵入的雷电流陡度也是随机变量，例如近区雷击，侵入波可能很陡。IEC 60099-4:2001和国标GB11032-2000还规定，要对WGMOA要进行在陡波（波前时间为1μs）冲击电流I_n下的残压测量,用于与绝缘在截波冲击电压下的配合。

在国内气象防雷中心草拟的气象行业防雷的《电涌保护器（SPD）的检测技术规范》（征求意见稿）§5.1.1中，LPZ0与LPZ1区交界处第一级放电电流，A级SPD为大于10/350μs20kA和大于8/20μs80kA，可任选其一。[笔者注：事实上这是承诺：不同波形的冲击电流的能量（kJ）可以互相替代的]。从这一规定看来，这显然不是指残压试验关系。因为8/20μs80kA下残压远大于10/350μs20kA下的残压。同时，冲击电流10/350μs下的残压波形远大于1.2/50μs冲击电压波尾。不符合绝缘配合用的冲击电压波形（全波）。

规定I_n用10/350μs和8/20μs两种波形，是从能量出发。IEC62305-4附录C中明确指出：“波形为10/350μs的冲击试验电流，主要用于测试SPD的能量配合”。笔者下面将分析从能量看，亦没有必要这样规定。

（3）IEC规定冲击电流用10/350μs和8/20μs两种波形，显然是为能量（kJ）试验而设计的。能量（kJ）试验，国内外试验证明，不论用什么电流波形，只要通过的电流幅值和冲击次数足够，都能达到要求的能量（kJ）值。这在国际大电网（CIGRE），Electra，No.133，1990年公布的CIGR SC-33·WG33-06报告中已有详细阐述。笔者在文[3]中阐述了金属氧化物非线性电阻器（MOV）是具有“能量资源”安秒（I-t）特性。文[4]介绍了用工频60Hz电流0.8A（峰值）至600A（峰值）和人工雷电冲击电流4kA至35kA对三个制造厂生产的大批量的MOR试品进行了试验，每种电流施加到直至破坏时为止，得到MOR的电流平均值（I）对数与破坏时间平均值（t）对数之间的线性关系：即

logI+logt=k（常数）

常州创捷防雷电子有限公司张南法总工程师告诉我，他们得到类似试验结果。MOV的MOR能流能力（能量资源——安秒I-t特性）是：

式中：  I_p—冲击电流峰值；

—冲击电流时间宽度；

n—冲击次数；

a、b和c是常数。

综合上述行波衰减、残压试验、能量（kJ）试验等三方面分析，SPD第1级没有必要一定用10/350μs波形。

现在还存在一种炒作作倾向。即炒作提高SPD标称放电电流（I_n）。笔者在文[5]中对这种倾向作了分析，是纯粹的夸大和商业行为。

通天雷神

4 .结论 （1）建筑物分区配置SPD是不能优化防雷保护系统。结果是，配置SPD不多就少。SPD 多了是“花钱买SPD损坏率”，SPD少了是增加被保物损坏率。 （2）通过第1级SPD的雷电流波形不可能再保持是首次雷击的雷电流原型波形——10/350μs。 （3）规定通过SPD的标称雷电放电电流（In）波形，第1级为10/350μs，第2级为8/20μs，SPD检验也要用这样波形，这是不符合侵入雷电波形行程规律的。这是完全没有必要的。IEC第37A分技术委员会（TC-37A）制订的“SPD性能要求和试验方法”规范中就不搞10/350μs和8/20μs两套人工冲击电流波形   参考文献 1.ПРОФ. Л.И.СИРОТИНСКИЙ　ПЕРЕНАПРЯЖЕНЕНИЯ　И　ЗАЩИТА　ОТ　ПЕРЕНАПРЯЖЕИЙ　В　ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ　УСТАНОВКАХ ОНТИ, ГЭИ, 1932, МОСКВА 2.РУКОВОДЯЩИЕ　УКАЗАНЛЯ　ПО　ЗАЩИТЕ　ОТ　ПЕРЕНАРЯЖЕНИЙ　ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК　ПЕРЕМЕНОГО　ТОКА　ОТ　З　КВ　И　ВЫШЕ ГЭИ, 1938 3. WGMOA正名和新技术条件要求.中国雷电与防护，2003年第2期 4. Ringler K.G: Kirkly P: Erven C.C etal; The energy absoption Capability and time-to-failure of varistors used in station-class metal-oxide surge arresters.  IEEE Transaction on power Dilivery Vol.12, No.1 January 1997 5. 许颖.进言SPD的标称放电电流（In）和通流能量检验方法的确定，雷电防护与标准化，2004年第4期

许 颖  中国电力科学研究院

通天雷神

的确是篇猛文！！但是，仅仅是老人家个人观点。

通天雷神

http://www.cedan.com.cn/html/xslw/2006-7/20/16_59_19_320.shtml

此为：《过电压保护器标称放电电流（I_n）和通流容量的检验方法》一文。

也是一篇猛文。

许工是喜欢在学术上发脾气的，他和梅老先生曾为同事，且脾气都差不多大。呵呵。

难得啊！应该好好看看。

风雷剑

应该好好看看。

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通天雷神

以下是引用风雷剑在2007-1-13 22:32:00的发言：

应该好好看看。

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多谢支持！

zj_vx07

[em11][em11][em11]  不错的文章...如果文中说的是对的,那我们一直以来生产的避雷器所依赖的避雷原理都是错的了!!