关于电涌保护器选择的探讨
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中油辽河工程有限公司的研究人员梅东亮，在2017年第5期《电气技术》杂志上撰文，介绍各级电涌保护器电压保护水平和最大持续运行电压这两个重要参数的选择依据，分别列举建筑物内第一级电涌保护器和第二级电涌保护器的冲击（放电）电流的三种计算方法并做比较，给出结论。
电涌保护器在防雷击损害的过程中承担着至关重要的角色，低压配电系统的雷电过电压防护中，根据防雷区分类和设备耐压水平的不同划分了多个保护等级。为保证各保护等级内电气设备安全，需设置多级电涌保护器以实现对不同设备进行分级保护。
笔者曾参与北方地区一栋六层综合办公楼(第二类防雷建筑物)的电气设计，该综合办公楼一层设配电室一间，两路电源进线，电源进线处分别设第一级电涌保护器。低压配电系统采用放射式，配电室引出电力电缆沿电缆桥架敷设至各楼层配电箱。三层弱电机房的动力配电箱内设第二级电涌保护器；机房的UPS电源引自机房动力配电箱，UPS配出柜内设第三极电涌保护器。
本文以为此综合办公楼为例介绍各级电涌保护器选择依据。
1 电涌保护器的主要参数
1.1 设备耐冲击电压额定值Uw。
设备制造商给与的设备耐冲击电压额定值，表征其绝缘防过电压得耐受能力。GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》[1]第6.4.4条规定见表1。
表1 建筑物内220/380V配电系统中设备绝缘耐冲击电压额定值
1.2 电压保护水平Up
表征电涌保护器限制接线端子间电压的性能参数，其值应大于所测量的限制电压的最高值。对电压开关型电涌保护器指规定陡度下最大放电电压，对电压限制型电涌保护器指规定电流波形下的最大残压。
1.3 最大持续运行电压Uc
可持续加于电气系统电涌保护器模式的最大方均根电压或直流电压；可持续加于电子系统电涌保护器端子上，且不致引起电涌保护器传输特性减低的最大方均根电压或直流电压，其值等于电涌保护器的额定电压。
1.4 冲击流通能量
电涌保护器不发生实质性破坏，每模块能通过规定次数、规定波形模拟雷电波的最大冲击电流峰值。对I级分类试验的电涌保护器以冲击电流Iimp来表征；对II、III级分类试验的电涌保护器以最大放电电流Imax来表征，一般约为标称放电电流In的2~2.5倍。用于配电线路电涌保护器放电电流参数，JGJ16-2008 《民用建筑电气设计规范》[2]的规定见表2。
表2 配电线路电涌保护器最大放电电流参数
2 第一级电涌保护器的选择
2.1 选型依据
第二类防雷建筑物，参照GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》第4.3.8条：在电气接地装置与防雷接地装置共用或相连的情况下，应在低压电源线路引入的总配电箱、配电柜处装设I级试验的电涌保护器。
参照GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》[3]第5.4.3条：进入建筑物的交流供电线路，在线路的总配电箱等LPZ0A或LPZ0B与LPZ1区交界处，应设置I类试验的浪涌保护器或II类试验的浪涌保护器作为第一级保护。
雷电防护区（LPZ）是用来划分雷击电磁环境的区域，其中LPZ0A区是指建筑外部受直接雷击威胁的区域；LPZ0B区是指建筑外部在直接雷击的防护区域内，但仍然受到全部雷电电磁场威胁的区域；LPZ1区是指建筑内部由于边界处分流和电涌保护器的作用使电涌电流受到限制的区域。
综合以上两本规范的规定并结合本例，笔者认为在建筑物周边没有贴临建筑的情况下，低压电源线路引入的总配电箱、配电柜处应装设I级试验的电涌保护器更为稳妥。
2.2 确定第一级电涌保护器冲击电流
方法一：参照GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》第4.2.4条计算公式，民用建筑低压配电系统电源进线采用铠装电缆埋地入户，可按照有屏蔽层计算
（1）
式中：I ——雷电流(kA)；n——地下和架空引入的外来金属管道和线路的总数；m——每一线路内导体芯线的总根数；Rs——屏蔽层每公里的电阻(Ω/km)， YJV22-1.0kV 4芯电缆屏蔽层每公里电阻见表3[4];Rc——芯线每公里的电阻(Ω/km)，铜导体芯线每公里电阻见表4[5]。
表3 屏蔽层每公里电阻(Ω/km)
本例中综合办公楼为第二类防雷建筑物，埋地引入的外来金属管道包括：2条DN150采暖管线，2条DN150消火栓管线，1条DN100消防喷淋管线，2条YJV22-1.0kV4×185mm2电力电缆。
各参数取值：雷电流I=150kA，地下和架空引入的外来金属管道和线路的总数n=7，每一线路内导体芯线的总根数m=4，屏蔽层每公里的电阻Rs=1.30Ω/km，芯线每公里的Rc=0.118Ω/km，计算本例第一级电涌保护器的冲击电流为：
(2)
方法二：参照GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》第5.4.3条计算公式，
（3）
式中：n1——埋地金属管、电源及信号线缆的总数目；n2——架空金属管、电源及信号线缆的总数目；
本例中无架空金属管、电源及信号线，故得出冲击电流值与方法一相同。
方法三：参照表2，根据不同防护等级，选择第一级冲击电流，本例中综合办公楼并未在A、B、C三类适用建筑物范围内，因此按D类防护等级选择，第一级冲击电流等于或大于12.5kA。
对比方法一、方法二和方法三，可以看出在有多芯埋地电缆和多条埋地管道的情况下，冲击电流值要明显小于规范的要求，因此确定第一级电涌保护器的冲击电流参数可直接按照规范要求选取，即≥12.5kA即可满足设计要求。
表4 铜导体芯线每公里电阻(Ω/km)
2.3 确定第一级电涌保护器电压保护水平Up
第二类防雷建筑物，参照GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》第4.3.8条第4款强制条文：在低压电源线路引入的总配电箱、配电柜处安装设I级试验的电涌保护器。电涌保护器的电压保护水平值应小于或等于2.5kV。
2.4 确定第一级电涌保护器最大持续运行电压Uc
本例综合办公楼，建筑物的接地形式为TN-C-S系统，参照GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》附录J，最大持续运行电压的最小值Uc≥1.15Uo=253V，笔者查阅了几家电涌保护器生产厂家的样本，最大持续运行电压为255V或者275V，均满足设计要求。
3 第二级电涌保护器的选择
3.1 第二级电涌保护器的安装条件校验
表1中特殊需要保护的设备（I类耐冲击电压类别）指含有电子电路的设备，如计算机等设备，此类设备的耐冲击电压额定值为1.5kV。因此需要校验第一级电涌保护器的有效电压保护水平Up/f。
根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》第6.4.6条公式，对于电压开关型电涌保护器，应取Up/f=Up或Up/f=ΔU中的最大值；对于限压型电涌保护器Up/f=Up+ΔU。
从以上公式可以看出，第一级电涌保护器的有效电压保护水平的数值至少要大于或等于其电压保护水平值，而第一级电涌保护器的电压保护水平值一般小于或等于2.5kV，无法有效保护特殊需要保护的设备（耐冲击电压额定值1.5kV）。因此对于有计算机等弱电设备设备的建筑物，应设置第二级电涌保护器。
3.2 选型依据
参照GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》第6.4.5条：靠近需要保护的设备处，即LPZ2区和更高区的界面处，当需要安装电涌保护器时，对电气系统宜选用Ⅱ级或Ⅲ级试验的电涌保护器。
3.3 确定第二级电涌保护器放电电流
方法一：参照GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》第6.4.5条：电涌保护器应与同一线路上游的电涌保护器在能量上配合，电涌保护器在能量上配合的资料应由制造商提供。若无此资料，Ⅱ级试验的电涌保护器，其标称放电电流不应小于5kA；Ⅲ级试验的电涌保护器，其标称放电电流不应小于3kA。
方法二：参照表2，根据D类防护等级，选择第二级电涌保护器放电电流，表2中参数是最大放电电流Imax≥10kA。
方法三：根据制造商提供的电涌保护器的能量配合资料，笔者查阅某品牌的产品样本中电涌保护器冲击电流参数推荐值，D类防护等级建筑物，位于LPZ1与LPZ2边界的分配电箱标称放电电流In≥20kA，LPZ2与LPZ3及后续防护区边界的设备机房配电箱处标称放电电流In≥10kA。
对比以上三种方法，电涌保护器放电电流参数取值越大，说明电涌保护器能承受预期通过它的雷电流能量越大，电涌保护器的可靠性越高，但有效的电压保护水平也越高，对要保护的电气设备不利。设计人员需要在电涌保护器的可靠性和对电气设备的可靠保护之间权衡，笔者认为需要保护的设备在做好等电位连结的情况下，可适当放大电涌保护器放电电流参数取值以增加电涌保护器的可靠性。本例综合办公楼的三层设有弱电机房，机房动力配电箱电源直接引自一层配电间，可按照方法二取第二级电涌保护器标称放电电流In≥10kA。
3.4 确定第二级电涌保护器最大持续运行电压的最小值
选择方法同2.4节，按照电涌保护器接于TN-S系统进行选择。
4 第三级及后续等级的电涌保护器的选择
选择的方法同第3节，仍需要校验安装条件、确定电涌保护器放电电流和最大持续运行电压。需要考虑限压型SPD之间的安装距离要求，参见JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》第11.9.4条。
5 结论
电涌保护器的选择，未必是将参数选越大越好，应根据各建筑的防雷等级、进入建筑物的管道数量和电力电缆的型号计算电涌保护器冲击流通能量，以此作为依据并结合规范的要求进行更有针对性的选择，使电涌保护器对建筑内被保护设备具有更有效的保护。