作者：周歧斌1，2， 邓寅1 ， 邵斌2 ， 张熠鹏2
（1．上海电力大学电气工程学院；2．上海大学机电工程与自动化学院）
摘要：
随着现代社会科技的发展，建筑趋向高层化、绿色化和智能化。伴随着大量敏感电子设备在智能建筑的电气、信号和通信系统中的使用，雷电电涌和雷电电磁脉冲对智能建筑的危害越来越突出，安装电涌保护器是防护雷电电涌和电磁脉冲的主要措施。智能电涌保护器是在常规电涌保护器的基础上通过增加了感知功能和通信功能，组网后实现在线监测的新型防雷产品，近几年在智能建筑领域得以快速发展。在国际电工委员会 IEC SC37A 的 2021 年会上，通过了由中国代表牵头制定“智能电涌保护器”相关 IEC 标准的决议，这代表“智能电涌保护器”被国际市场所普遍认可。文章基于现代智能建筑发展现状，介绍了智能电涌保护器的工作原理、设计思路、性能要求、测试方法并给出了其在多种场景下的应用情况。最后对智能电涌保护器的发展现状进行总结，并对其发展前景进行展望。
电涌保护器；智能建筑；物联网；标准化
全文发表在《电瓷避雷器》2021年第6期
0 引言
现代高层建筑首先从美国兴起，1883 年在芝加哥建造了第一幢砖石自承重和钢框架结构的 11 层保险公司大楼［1］ 。随着人们的需求日渐提升，于1984年1 月在美国康涅狄格州的 City Place 大楼的宣传资料中，首次出现“ 智能建筑” 的说法，标志着“ 智能建筑” 概念的形成。智能建筑可以实现通信、办公自动化以及自动防火防灾等功能［2］。自1999年美国首次提出物联网的概念并广泛应用于工业、电网、建筑等领域，国内对智能建筑物联网的关注度逐渐升温，在国家和地方政策的持续推动下，智能建筑物联网实现了大发展，发展路径日渐清晰。
随着建筑行业的发展，节能、环保、智能化成为了现代建筑发展的核心目标。智能建筑中大量节能环保型材料、自动化设备以及计算机等投入使用，其具有集成度高、功率小、耐压等级低、耐电流能力差等特点。当发生雷击时，会在雷击点处形成强电场与强磁场，在雷击点附近的电气设备中会产生较强的电磁脉冲，从而在系统中形成过电压，极易损坏建筑中广泛应用的电力电子元件，以及日常生活中的家用电器设备。因此，为了防止智能建筑物联网中的设备受到过电压侵袭，保障设备系统安全可靠的运行成为一项重要的工作。现行国家标准GB / T 21431－2015《建筑物防雷装置检测技术规范》 中规定了对建筑的接闪器、引下线、接地装置、电磁屏蔽、电涌保护器（ Surge Protection Device，简称SPD） 等项目的周期性检测［3］。人工检测设备的成本高、耗时长，在检测周期内无法保证防雷系统的安全运行。
近几年，随着智能建筑物联网的快速发展，智能 SPD 应运而生。笔者介绍了国内外智能SPD 的发展现状及其在线监测的原理与方法，同时还简述了智能 SPD 的标准化进程及内容规划，最后对智能SPD 现存问题及发展趋势进行了总结和展望。
1 国内外智能低压电器发展现状
传统的 SPD 在雷电或者操作过电压过程中，会有多次幅值较高的冲击电流流过，SPD 在短时间内将这些过电流吸收并泄放到地面，同时由于吸收了大量的短路能量导致压敏电阻持续发热，而长时间承受过电压的冲击会降低电涌保护器的工作性能，最终因为能力过载而发生劣化，故需要经常对SPD进行繁杂的人工检测。而智能 SPD 能够在带电的正常工作状态下实现在线实时监测，降低了SPD 失效的可能性。
1．1 国外智能低压电器发展现状
日本科学家首次采用泄漏电流传感器来对 SPD进行在线监测［4］。之后，国外研究人员开始不仅仅局限于泄漏电流的测量。通过局部放电测试、运行温度测试等方法分析 SPD 的运行情况、绝缘状态与运行时间、放电情况、环境条件等影响因素之间的关系［5］。目前随着人工智能技术的发展成熟，可以采用机器学习的方法来分析SPD 的运行条件及使用寿命［6］。
1．2 国内智能 SPD 发展现状
随着我国大力推动通信、 微电子等领域的发展，智能 SPD 在线监测技术已经在智能建筑物联网中得到广泛使用。文献［7］介绍了一种 SPD 智能监控系统，其结构包括电涌保护器和监控服务器，二者间设置互连的SPD 雷电监控模块和雷电传感器，将雷电传感器采集到的雷电流信号采集到 SPD雷电监控模块，通过 RS485 总线将数据报文实时传送给监控服务器， 处理被雷电击中的相关信息。文献［8］ 设计了一种带计数功能的 SPD，与现有技术相比具有结构简单、成本较低，安装维护方便，避免SPD 本体老化开裂，延长 SPD 本体使用寿命。
2 智能 SPD 在线监测原理与方法
2．1 全电流法
全电流法又称总泄漏电流法， 是最早采用的SPD 在线监测方法之一。总泄漏电流一般指电涌保护器在正常工作状态下的压敏电阻容性电流与阻性电流矢量和。该方法既能测量流过 SPD 的全电流，还能记录SPD 的动作次数，见图 1。
一般阻性电流为容性电流的 10%左右。但是当电涌保护器出现老化、受潮等劣化情况时，阻性电流会显著增大，而容性电流几乎不变［9］。由于容性分量远大于阻性分量，且二者基波相位角的相位差为 270°，故总泄漏电流不会发生明显变化。该方法虽然简单易行，但并不能及时反映 SPD 的前期的老化和受潮情况。此外全电流法还容易受到工作环境温度的影响，间接导致前期监测数据结果的准确性无法保证，从而对整个防雷系统的安全造成不利影响。全电流法主要适用于负载电压稳定等级高的应用场合。
2．2 容性电流补偿法（略）
由于全电流法的阻性电流分量变化前期无法监测，国际上逐渐开始采用容性电流补偿法。容性电流法是通过外接补偿电路提供方向相反的容性电流，消除电涌保护器总泄漏电流中的电容电流分量，得到它的阻性电流成分［10］ 。
2．3 温度测量法
除了采用直接监测泄漏电流的方法，还有通过温度变化反应泄漏电流的监测方法［11］ 。
SPD 中的压敏电阻如果发生受潮或者老化等情况，会使流过 SPD 的阻性电流增大，造成压敏电阻的温度不断上升，情况严重会使发热猛增，引起周围多个元件也有一定的温升。因此在对电涌保护器的监测中，可以把温度的异常上升作为判断电涌保护器是否正常工作一项监测标准［12－13］。但该方法也存在有一定的局限性，温度传感器所监测到的温度上升有可能是环境温度变化造成，也可能是电场中其他故障产生，并不能作为判断电涌保护器是否正常工作的唯一标准［14］ 。
2．4 双电流互感器法（略）
基于上述监测方法存在的误差情况，最近十年国外最新研制出基于双电流互感器法的 SPD 在线监测系统。
3 智能 SPD 的标准化
3．1 智能 SPD 国内外标准化进程
随着智能 SPD 的发展和市场的扩大，对其开展合格评定的需求也与日俱增。但是，相关标准的缺乏严重阻碍了智能 SPD 的合格评定工作。2016 年，本文作者在国际电工委员 IECSC37A 的年会上，。为此，IEC⁃SC37A 成立了 AHG9 工作组，承担了“智能SPD”的标准化研究工作。与此同时，国内也同步启动过了“智能 SPD”相关的行业标准起草工作。2009 年发布了能源部行业标准 NB/ T 10284－2019 《 SPD 智能监测装置的性能要求和测试方法》 。在IEC⁃SC37A，本文作者经过五年的推动工作，终于了2021年的年会上，通过了由 AHG9 专项工作组启动制定“Smart SPD（智能电涌保护器）”相关IEC 标准IEC TS 61643－05的决议，正式启动了智能 SPD 相关IEC 标准的起草工作。
3．2 智能SPD的标准内容规划
3．2．1 智能SPD的定义
“ 智能”主要体现在感知、分析、判断、交流和执行的过程中。国内外对于智能 SPD 还没有统一的定义，但是智能 SPD 这一说法已经在实践当中被研发设计人员和广大用户所认可。智能 SPD 是与在线监测系统互联的 SPD，能够通过软件对现场各项数据实时动态监控和处理。
3．2．2 智能SPD的结构特点及实例
智能 SPD 通常将电涌保护单元、监控单元和通信单元以不同的方式集成在一起，见图3。
在智能建筑物联网中，智能 SPD 在线监测管理系统由SPD 数据采集终端、组网通信模块、监测中心管理设备和寿命智能监控管理软件组成。
例如，中国最高的建筑——上海中心大厦就被设计为智能建筑［17］。上海中心大厦安装了2000多套智能 SPD。北京和云南国家电网部分智能变电站已采用智能 SPD，见图 4。部分变电站、收费站、高速公路沿线道路 / 隧道监控设备处安装智能 SPD，构建智能交通系统。
3．2．3 智能SPD的附加功能说明
首先，智能 SPD 应该具备传统 SPD 的正常功能，并能满足 IEC 61643 系列的性能要求（ 如电气性能、机械性能、环境和材料、特殊SPD 设计的附加要求等） 并通过相应测试。其附加模块和附件不应影响作为基本 SPD 的正常功能。
此外，智能 SPD 的附加功能包括故障监测与告警功能、SPD 工作状态监控功能、浪涌监测功能、其他信息监控功能、可通信及网络化功能等。
其中故障检测与告警功能可以在 SPD 出现劣化、炸裂和穿孔等失效情况时迅速定位故障发生地点并向运维人员发送告警信号，由系统和人工进行综合判断该处SPD 是否需要进一步检查和维护。SPD 工作状态监控功能可以监测到SPD 的触发次数、隔离开关状态、工作漏电流、SPD 温度、系统电压及性能劣化趋势。浪涌监测功能可以监测到浪涌的次数、峰值、波形、能量等。其他信息监控功能监测环境的温湿度以及电能质量。可通信和网络化功能指能够无需添加其他外加设备可以直接组网，实现与远程监测系统间的数据传输。
3．2．4 智能SPD的额外安全测试
智能 SPD 除了要满足传统 SPD 的基本安全要求外还应进行额外的安全测试。
当监控模块和通信模块的电路与主电路电气隔离时，应保证电路之间的隔离和绝缘耐压，并通过绝缘电阻、绝缘耐压和电击保护试验进行检查。
监控和通信模块通常由敏感的微电子集成电路构成，主电路上浪涌产生的电磁干扰可能会损坏这些敏感的微电子电路。监控模块和通信模块除了满足 IEC 61000 系列的常规电磁兼容要求外，还应测试主电路附近存在电磁脉冲时的抗扰性能。
4智能 SPD 的问题和发展趋势
4．1 智能 SPD 现存问题
4．1．1 相间干扰
SPD 三相中存在杂散的分布电容。相邻相电压会因为杂散的分布电容对 SPD 造成耦合干扰。由于相间干扰的存在，泄漏电流的相位会发生一定程度的变化。正常工作状态下中间相会受到另外两相的影响，两边相对中间相的影响会部分抵消，对于相位和幅值的影响程度相对较小。但相对而言，两侧边相的相位和幅值受到的影响程度较为明显［18］ 。
由于相间干扰对容性电流分量的影响不大，而对阻性电流分量的影响程度较为明显，最后造成的结果是全电流变化程度不大［19］ 。
4．1．2 电网谐波
电网中存在的谐波是普遍存在且无法消除的，智能 SPD在运行过程中会受到电网谐波的影响［20］ 。
当不考虑系统内部谐波分量存在的情况下，流过 SPD 的泄漏电流会产生谐波电流。而在谐波电压的作用下在 SPD 上会产生相应的谐波电流。这两种电流之间存在相位交叉关系，持续运行在该条件下会对SPD 造成损伤。此外，谐波电压作用在SPD 上会形成较大的容性谐波，导致泄漏电流与阻性电流谐波分量不一致，导致最后得到的监测数据与实际情况不一致，可能会造成系统误动作［21］ 。
4．1．3 环境因素
在 SPD 正常运行时， 工作环境尤其是温度对SPD 的性能有较大影响。原因是它特殊的微观结构会受到温度的影响。SPD 的核心器件是氧化锌压敏电阻，从材料学角度来看，氧化锌压敏电阻是一种“Ⅱ－Ⅵ族氧化物半导体”，其具有良好的非线性性质和较大的通流容量［22］。氧化锌具有晶界层，由于特殊的晶格结构所致，流经该器件的泄漏电流对温度十分敏感。
SPD 所处的环境温差 20 ℃ 左右时，SPD 监测的多种特征量会产生显著变化。环境温差 40 ℃ 时，监测的特征量会发生突变。该现象会导致在线监测系统对 SPD 所处状态的诊断产生一定的困难［23］ 。
4．1．4 老化劣化
氧化锌压敏电阻的劣化是由于大电流的冲击会打破晶界上的电荷平衡，当没有电流冲击时电荷会进行重组分布，但是很难恢复到原本的状态，在长期变化以后会影响势垒高度，势垒高度产生变化影响压敏电阻的性能，从而引起压敏电阻的劣化［24］ 。
此外当 SPD 工作在湿度较高的环境下容易受潮，影响势垒的高度和电子的移动，从而影响压敏电阻的性能引起劣化［25］ 。当氧化锌压敏电阻在受潮劣化以后，其阻性泄漏电流和总电流数值也会上升，造成压敏电阻的严重发热器件性能下降。当超过一定界限，压敏电压变小并逐渐失去其非线性特性直至最后失效。
4．2 智能 SPD 的发展方向
当前国内外对智能 SPD 的发展趋势主要分为两种，一种是改进监测方法，另一种是改进现有的在线监测系统。
当前监测的特征量均基于电信号，主要采集的是电流信号和电压信号。SPD 的劣化往往会引起阻性泄漏电流的增大，故主要是针对阻性泄漏电流信号。复杂的电磁环境会使得电力系统中存在谐波干扰、相间干扰、电压波动等现象对采集和传输信号造成很大的干扰。对于改进监测方法，当下研究人员通过其他特征量来实现对 SPD 状态的监测，如红外线测温法等方法对 SPD 内部运行温度变量进行监测。该方法适用于交直流系统以及任何电压等级的 SPD。
对于改进在线监测系统，随着 5G 时代的到来，信息传输速率得到提升，信息传递量迅速增大。全世界将在物联网的引领下实现高速发展，国内外研究重心逐步朝着物联网互联的方向进行［26］ 。
传统的 SPD 防雷设施已经能较为全面的满足雷电防护的要求，但它依然存在诸多不足之处。传统 SPD 防雷设施仅能做到回应式和预防式阶段水平，而这在防雷减灾中，仍停留在“被动防护” 范畴。不能保证运维人员在雷击前便能够获知防雷设备是否处于正常工作状态，从而排查出防雷系统隐患。
智能 SPD 防雷系统将机器学习、移动互联和物联网等最先进的计算机技术引入防雷领域，将防雷系统直接提升到预测式，甚至依靠人工智能各种前瞻式的算法提升可靠性，进而将防雷减灾上升到“主动预防”范畴，给防雷行业带来一场深刻的变革［27］ 。
5 结语
智能 SPD 技术凭借其智能化、便捷化等领先的技术优势和用户体验， 大大简化防雷系统运维流程、节约运维成本、提高检修效率、提升防雷效果，保障客户业务系统安全正常运营及人员生命财产安全，避免客户因遭受雷击给企业带来的难以估量的经济损失与社会负面效应。
参考文献（略）：
自然界中的雷电不可能消失
人类对技术进步的向往和冲动也不可能终止
技术进步带来的潜在威胁
只能靠技术的继续进步来解决