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：
USG＝U1＋UDE (1)
一旦USG(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Wmax之前，MOV上的电压U1与电感LDE两端压降之和必须超过放电间隙的放电电压Uov-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Wmax决定)，因而放电间隙两端压降的陡度也取决于最大电流IX。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LDE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Wmax)，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LDE-10/350及LDE-0.1kA/μs中的较大者。
图A.7和A.8给出确定LDE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：LDE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。
