Что такое устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП)? Полное руководство по типам, принципам работы и выбору

Что такое устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП)?

Устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) — это электрическое защитное устройство, предназначенное для ограничения переходных перенапряжений и отвода импульсных токов. В нормальных рабочих условиях УЗИП находится в высокоимпедансном состоянии и практически не влияет на электрическую систему. Когда молния, переключения в сети, пуск и остановка двигателей или другие переходные события вызывают внезапное повышение напряжения в линии, УЗИП быстро переключается в низкоимпедансное проводящее состояние. Это обеспечивает путь разряда для импульсного тока, одновременно ограничивая остаточное напряжение, достигающее подключённого ниже по цепи оборудования, тем самым снижая риск пробоя изоляции, повреждения электронных компонентов, отказа оборудования и незапланированных простоев.

Проектирование, испытания рабочих характеристик и практическое применение УЗИП должны соответствовать соответствующим стандартам. IEC 61643-11 устанавливает требования к рабочим характеристикам и методы испытаний устройств защиты от импульсных перенапряжений, подключаемых к низковольтным системам электроснабжения переменного тока, в то время как Статья 242 NFPA 70, Национального электротехнического кодекса (NEC), рассматривает применение защиты от импульсных перенапряжений в электроустановках на территории Соединённых Штатов. Эти стандарты содержат важные указания по испытаниям, выбору и установке УЗИП, способствуя повышению безопасности и надёжности современных низковольтных систем распределения электроэнергии.

Что такое электрический импульс?

Электрический импульс — это кратковременный всплеск напряжения или тока, проходящий через силовую, управляющую или коммуникационную цепь. Обычно он нарастает очень быстро, а затем затухает в течение более длительного периода.
Хотя событие может длиться всего несколько микросекунд, возникающее напряжение может быть достаточно высоким, чтобы повредить изоляцию, электронные компоненты, управляющее оборудование и другие чувствительные нагрузки.
IEC 60050-161 определяет импульс как переходную волну, которая распространяется вдоль линии или цепи и характеризуется быстрым нарастанием с последующим более медленным затуханием.

Что вызывает электрические импульсы?

Электрические импульсы обычно связаны с двумя основными источниками: событиями, связанными с молнией, и коммутационными операциями в энергосистеме.
Молния может вызывать переходные перенапряжения в результате прямых ударов, близких ударов или наведённых напряжений в подключённых проводниках. Коммутационные импульсы могут возникать при включении или отключении двигателей, трансформаторов, конденсаторных батарей, контакторов, реле или других мощных нагрузок.
IEC 61000-4-5 предоставляет стандартизированные методы испытаний помехоустойчивости электрического и электронного оборудования к однонаправленным импульсам, вызванным воздействием молнии и переходными процессами при переключениях в энергосистеме.

СРАВНЕНИЕ ГРОЗОВЫХ И КОММУТАЦИОННЫХ ИМПУЛЬСОВ

Параметр	Грозовой импульс	Коммутационный импульс
Типичные формы волны	10/350 мкс для прямого тока молнии; 8/20 мкс для наведённого импульсного тока; 10/700 мкс для линий связи	Волна напряжения 1,2/50 мкс и волна тока 8/20 мкс
Частота возникновения	Относительно редкие и в основном связаны с грозами	Более частые и могут возникать при каждом включении или выключении электрооборудования
Уровень энергии	Очень высокая энергия, потенциально достигающая сотен килоджоулей и способная вызвать немедленное повреждение оборудования	Обычно более низкая энергия, но многократное воздействие может постепенно разрушать компоненты
Рекомендуемый подход к защите	УЗИП типа 1 на главном вводе, за которым следует согласованная защита от импульсных перенапряжений ниже по цепи	УЗИП типа 2 или типа 3, установленные в распределительных щитах или вблизи чувствительного оборудования
Типичный диапазон перенапряжений	От нескольких киловольт до десятков киловольт	От нескольких сотен вольт до нескольких киловольт
Распространённые источники	Прямые удары молнии, близкие удары, повышение потенциала земли и наведённые молнией эффекты	Двигатели, трансформаторы, конденсаторные батареи, контакторы, реле и другие коммутационные устройства
Типичное воздействие	Пробой изоляции, перекрытие, повреждение кабеля, пожар или немедленный выход оборудования из строя	Деградация электронных компонентов, сбои в системе управления, ошибки данных или сокращение срока службы оборудования

Как работает устройство защиты от импульсных перенапряжений?

Устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) работает как автоматический, сверхбыстрый клапан сброса электрического давления.

В нормальных условиях сети УЗИП действует как разомкнутый выключатель с чрезвычайно высоким внутренним сопротивлением (импедансом), не пропуская через себя ток. Однако когда в систему попадает импульс перенапряжения (вызванный молнией или коммутацией в сети), УЗИП мгновенно реагирует в течение наносекунд, снижая своё сопротивление почти до нуля. Это создаёт безопасный параллельный путь, который отводит огромный импульсный ток от чувствительного оборудования непосредственно в землю.

Трёхэтапный рабочий процесс

1. Нормальное состояние (высокий импеданс): Когда напряжение в линии остаётся в пределах нормальных рабочих значений, внутренние компоненты сохраняют импеданс в несколько мегаом. УЗИП остаётся “невидимым” для цепи и практически не пропускает ток утечки.
2. Импульсное событие (мгновенный низкий импеданс): В момент, когда переходное перенапряжение превышает порог ограничения УЗИП (Uc), нелинейные внутренние элементы переключаются из высокого сопротивления в низкое менее чем за 25 наносекунд.
3. Отвод тока и восстановление (рассеивание энергии): Энергия импульса безопасно отводится через заземляющий проводник (PE). После того как переходный всплеск спадает и напряжение в линии возвращается к норме, внутренние компоненты автоматически восстанавливают своё высокоимпедансное состояние, возвращая цепь к стандартному режиму работы.

Основные внутренние компоненты: MOV и GDT

Рабочий механизм основан на высокопроизводительных нелинейных электрических компонентах, встроенных в модуль:

• Варисторы на основе оксида металла (MOV): Наиболее широко используемый компонент в УЗИП переменного и постоянного тока типа 2. MOV демонстрируют резкое падение электрического сопротивления при увеличении напряжения, обеспечивая исключительную способность поглощения энергии и время отклика менее наносекунды.

• Газоразрядные трубки (GDT): Обычно применяются в искровых архитектурах типа 1 или для защиты линий связи. GDT пробиваются и ионизируют газ при срабатывании, способны отводить большие токи молнии без термического разрушения.

Каковы основные типы устройств защиты от импульсных перенапряжений?

Внезапный удар молнии или переключение и запуск мощного оборудования на промышленном объекте могут вызвать высокоамплитудное переходное перенапряжение за очень короткий промежуток времени. Такие импульсы могут повредить дорогостоящие контроллеры, серверы, частотные преобразователи и другое чувствительное электронное оборудование. В тяжёлых случаях они могут даже привести к остановке всей производственной линии. Однако не каждое устройство защиты от импульсных перенапряжений рассчитано на выдерживание высокоэнергетических токов молнии, и не каждый тип УЗИП подходит для установки в одной и той же точке системы распределения электроэнергии.

Устройство защиты от импульсных перенапряжений можно понимать как “подушку безопасности” электрической системы, но каждый тип УЗИП имеет чётко определённую защитную роль. От первой линии обороны на вводе в здание, где отводятся высокоэнергетические импульсные токи, до промежуточной защиты в распределительных щитах и тонкой защиты вблизи чувствительного оборудования, УЗИП типа 1, типа 2 и типа 3 работают на разных уровнях системы защиты. Кроме того, комбинированные УЗИП типа 1+2 объединяют способность отвода тока молнии устройства типа 1 с характеристиками ограничения напряжения устройства типа 2 в одном корпусе, что делает их практичным решением для вводов в здание и главных распределительных щитов. Эффективная защита от перенапряжений зависит от выбора и координации этих устройств в соответствии с риском системы, местом установки и импульсной стойкостью защищаемого оборудования.

Устройство защиты от импульсных перенапряжений типа 1

УЗИП типа 1 — это устройства первичной защиты от перенапряжений, устанавливаемые на линейной стороне главного ввода (между вторичной обмоткой трансформатора электросети и главным вводным выключателем).

• Основная функция: Рассчитаны на выдерживание высокоэнергетических переходных процессов, вызванных прямыми или близкими ударами молнии и переключениями в электросети, до того как импульс достигнет главного распределительного щита.
• Стандарт испытаний и форма волны: Оценивается по стандартам IEC 61643 с использованием импульсного тока формы волны 10/350 мкс (Iimp), который имитирует разряды с высокой пиковой энергией.

Устройство защиты от импульсных перенапряжений типа 1+2 (комбинированный тип)

УЗИП типа 1+2 (также классифицируемые как класс I+II) объединяют способность к отводу высокоэнергетических импульсных токов устройства типа 1 с низким уровнем напряжения защиты (Up) устройства типа 2 в одном компактном корпусе.

• Основная функция: Непосредственно отводит высокоэнергетические токи прямого удара молнии, одновременно ограничивая низкоуровневые коммутационные перенапряжения, обеспечивая непрерывную защиту без необходимости минимального расстояния развязки между отдельными устройствами типа 1 и типа 2.
• Стандарт испытаний и форма волны: Проходит двойные испытания по стандартам IEC 61643 как на импульсные токи 10/350 мкс (Iimp), так и на номинальные/максимальные разрядные токи 8/20 мкс (In / Imax).

Техническое примечание：
Эффективная защита от перенапряжений основана на скоординированной защите на разных уровнях. УЗИП типа 1 или типа 1+2 отводят высокоэнергетические перенапряжения на вводе в систему, УЗИП типа 2 защищают распределительные цепи, а УЗИП типа 3 обеспечивают тонкую защиту чувствительного оборудования.

УЗИП типа 1, типа 2, типа 3 и типа 1+2: ключевые различия

Характеристика	УЗИП типа 1	УЗИП типа 1+2	УЗИП типа 2	УЗИП типа 3
Main Function	Отводит прямой ток молнии	Сочетает отвод тока молнии и защиту от перенапряжений	Защищает от индуцированных молнией и коммутационных перенапряжений	Окончательная защита чувствительного оборудования
Место установки	Ввод в систему	Ввод в систему или главный распределительный щит	Главный или промежуточный распределительный щит	Вблизи защищаемого оборудования
Форма испытательной волны	10/350 мкс	10/350 мкс и 8/20 мкс	8/20 мкс	Комбинированная волна
Основные параметры	Iimp, Up	Iimp, In, Imax, Up	In, Imax, Up	Uoc, Up
Ступень защиты	Первичная защита	Первичная и вторичная защита	Вторичная защита	Окончательная защита

В таблице выше приведено краткое сравнение четырёх основных типов УЗИП. На практике выбор подходящего устройства защиты от импульсных перенапряжений зависит от места установки, степени воздействия молний, конфигурации системы и требуемого уровня защиты. Во многих электроустановках несколько типов УЗИП согласуются между собой для обеспечения эффективной защиты от перенапряжений во всей электрической системе.

---

Как выбрать подходящее устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП)

Выбор подходящего устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) — это не просто выбор наибольшего номинального разрядного тока. Напряжение системы, место установки, воздействие молний, схема заземления и согласование ступеней защиты играют решающую роль в обеспечении общей эффективности защиты от перенапряжений. Следующий пример показывает, почему правильный выбор УЗИП так важен.

В конце 2023 года сильная гроза прошла над промышленным производственным предприятием в центральном Техасе. Прямой удар молнии поразил линию электропередачи менее чем в 200 метрах от главного распределительного устройства предприятия. На заводе был установлен базовый ограничитель перенапряжений в главном низковольтном распределительном щите, и руководство считало, что производство полностью защищено.

В течение миллисекунд проявилась реальность неполной защиты от перенапряжений:

• Огромные финансовые потери: Первоначальный высокоэнергетический импульс перегрузил единственный щитовой защитный аппарат, и сильный переходный перенапряжение прошло через внутреннюю распределительную сеть.
• Катастрофическое повреждение оборудования: Более 15 частотных преобразователей (ЧП), десятки программируемых логических контроллеров (ПЛК), чувствительные сенсорные системы и компьютеризированные обрабатывающие центры с ЧПУ получили немедленный пробой изоляции и отказ печатных плат.
• Дорогостоящий незапланированный простой: Вся автоматизированная производственная линия была остановлена на 16 дней, пока подбирались и перепроектировались запасные компоненты, что привело к более чем 1,2 миллиона долларов прямых затрат на замену оборудования и потере производительности.

Техническая экспертиза, проведённая после инцидента, выявила основную причину: отсутствие каскадной многоступенчатой защиты от перенапряжений. На объекте использовалось только одно защитное устройство на главном вводе, от которого ожидали одновременного поглощения высокоэнергетических токов молнии и ограничения низковольтных импульсов для чувствительной микроэлектроники ниже по цепи — задача, которую ни одно устройство не способно выполнить в одиночку.

Переходные перенапряжения — возникающие как внешне от прямых или косвенных ударов молнии, так и внутренне от коммутации мощных индуктивных нагрузок — распространяются по предсказуемым физическим путям. Защита промышленной, коммерческой или жилой инфраструктуры требует многоуровневой, ступенчатой архитектуры защиты, определённой признанными международными стандартами, такими как IEC 61643-01 and UL 1449.

Для выбора подходящего УЗИП необходимо учитывать несколько ключевых факторов, включая систему электроснабжения, рабочее напряжение, тип УЗИП, уровень защиты и требования к установке.

Выбор УЗИП: краткий обзор

• Шаг 1: Подтвердите систему электроснабжения и выберите Uc
• Шаг 2: Выберите тип УЗИП в зависимости от места установки и зоны молниезащиты (LPZ)
• Шаг 3: Определите Iimp, In и Imax
• Шаг 4: Проверьте уровень напряжения защиты Up
• Шаг 5: Подтвердите количество полюсов, устройство отключения, дистанционную сигнализацию и резервную защиту
• Шаг 6: Проверьте энергетическую координацию между несколькими УЗИП

В следующих разделах каждый шаг объясняется более подробно и показано, как эти факторы влияют на выбор УЗИП.

Шаг 1: Подтвердите систему электроснабжения и выберите Uc

Система электроснабжения	Типичный выбор Uc	Примечание по выбору
Система 230/400 В TN-S, TN-C-S или TT	275 В переменного тока для защиты L–N	Обычный выбор для стандартных распределительных систем 230 В переменного тока
Система IT 400 В	Выбирайте в соответствии с максимально возможным напряжением между фазой и землёй	Напряжение относительно земли может возрасти при первом повреждении изоляции
Солнечная фотоэлектрическая система постоянного тока	Ucpv должно быть выше максимального напряжения холостого хода фотоэлектрической батареи	Учитывайте повышение Voc при низкой температуре и напряжение системы, например 600 В, 1000 В или 1500 В постоянного тока

Шаг 2: Выберите тип УЗИП в зависимости от места установки и зоны молниезащиты (LPZ)

Типы УЗИП следует выбирать в зависимости от места установки, зоны молниезащиты, риска тока молнии и импульсной стойкости нижестоящего оборудования. К распространённым категориям УЗИП для низковольтных систем относятся УЗИП типа 1, типа 2, типа 3 и комбинированные УЗИП типа 1+2.

УЗИП типа 1 — защита от тока молнии

• Место установки: Ввод в здание, главный низковольтный распределительный щит и граница между LPZ 0 и LPZ 1.
• Основная функция: Отводит высокоэнергетические токи молнии, которые могут попасть в электроустановку через входящий источник питания.
• Ключевые параметры: Испытывается волной 10/350 мкс. Распространённые значения Iimp включают 12,5 кА, 25 кА и выше. Уровень напряжения защиты Up обычно составляет около 2,5 кВ в зависимости от конструкции изделия.
• Типовые области применения: Промышленные предприятия, наружные установки, крупные здания и установки с внешней молниезащитой или высоким риском прямых токов молнии.

УЗИП типа 1 в основном предназначен для отвода энергии больших токов молнии. Для снижения остаточного напряжения, достигающего чувствительного оборудования, может дополнительно потребоваться защита нижестоящими УЗИП типа 2 или типа 3.

УЗИП типа 2 — защита от перенапряжений на распределительном уровне

• Место установки: Главные распределительные щиты, подраспределительные щиты, силовые панели цехов и промышленные шкафы управления.
• Основная функция: Защищает от индуцированных грозовых перенапряжений, коммутационных переходных процессов и остаточной энергии перенапряжения, проходящей через вышестоящий УЗИП типа 1.
• Ключевые параметры: Испытывается волной 8/20 мкс. Распространённые значения включают In 20 кА и Imax 40–80 кА. Уровень напряжения защиты Up обычно составляет от 1,5 до 1,8 кВ.
• Типовые области применения: Жилые здания, коммерческие объекты и общепромышленные системы распределения электроэнергии.

УЗИП типа 2 защищают электрические системы от индуцированных грозовых перенапряжений, коммутационных переходных процессов и остаточной энергии перенапряжения, проходящей через вышестоящий УЗИП типа 1.

УЗИП типа 3 — конечная защита чувствительного оборудования

• Место установки: Вблизи ПЛК, частотно-регулируемых приводов, серверов, приборов, розеточных выводов и другого чувствительного оконечного оборудования.
• Основная функция: Дополнительно ограничивает остаточное перенапряжение и обеспечивает защиту конечной ступени для чувствительного электронного оборудования.
• Ключевые параметры: Испытывается комбинированной волной. Основными параметрами являются Uoc и Up, хотя для некоторых изделий может также указываться номинальный разрядный ток.
• Типовые области применения: Системы автоматизации, связное оборудование, серверы, измерительные приборы и другие чувствительные электронные нагрузки.

УЗИП типа 3 имеют ограниченную способность к отводу энергии и, как правило, должны быть согласованы с вышестоящим УЗИП типа 1, типа 2 или типа 1+2.

Комбинированный УЗИП типа 1+2 — защита от токов молнии и перенапряжений

• Место установки: Вводы в здания, главные распределительные щиты, распределительные панели переменного тока солнечных фотоэлектрических систем, компактные распределительные щиты и установки при модернизации.
• Основная функция: Объединяет способность отвода тока молнии и ограничение перенапряжения в одном устройстве.
• Ключевые параметры: Следует учитывать Iimp, In, Imax и Up. Распространённые значения Iimp включают 12,5 кА и 25 кА на полюс, а In обычно составляет 20 кА или выше. Окончательные значения следует подтверждать в соответствии со спецификациями изделия и требованиями проекта.
• Типовые области применения: Промышленные объекты, коммерческие здания, солнечные фотоэлектрические системы, компактные распределительные щиты и проекты с ограниченным монтажным пространством.

УЗИП типа 1+2 отвечает требованиям защиты как типа 1, так и типа 2 в одном устройстве. Он сочетает способность отвода высокоэнергетического тока молнии с защитой, ограничивающей напряжение.

Руководство по выбору УЗИП по области применения

Условие применения	Рекомендуемый тип УЗИП	Типовое место установки	Ключевые параметры
Здание с внешней системой молниезащиты	Тип 1 или тип 1+2	Ввод в здание или главный распределительный щит	Iimp, Up
Общая жилая или коммерческая распределительная система	Тип 2	Главный или промежуточный распределительный щит	In, Imax, Up
Чувствительное электронное оборудование	Тип 3	Вблизи защищаемого оборудования	Uoc, Up
Промышленный объект с высокой грозовой активностью	Тип 1+2 с нижестоящей защитой типа 2	Главный распределительный щит и подраспределительные щиты	Хромота, Внутрь, Вверх
Система постоянного тока солнечной фотоэлектрической установки	Тип 1+2 постоянного тока или тип 2 постоянного тока	Объединительный бокс фотоэлектрической системы или распределительный щит постоянного тока	Ucpv, Iimp или In, Up
Чувствительные нагрузки, расположенные далеко от главного распределительного щита	Дополнительный Type 2 или Type 3	Вблизи конечного оборудования	Up, координация

Шаг 3: Определите Iimp, In и Imax

Номинальный разрядный ток УЗИП следует выбирать в соответствии с ожидаемой энергией перенапряжения, местом установки, грозовой экспозицией и типом УЗИП. Три основных параметра тока: Iimp, In и Imax.

Iimp – импульсный разрядный ток

Iimp представляет собой импульсный ток молнии, который УЗИП Type 1 или Type 1+2 может отвести при форме волны 10/350 мкс.
It is mainly used to evaluate the SPD’s ability to withstand high-energy lightning currents at the service entrance or LPZ 0–LPZ 1 boundary.

Common In ratings include:

• 10 kA for light-duty terminal protection
• 20 kA for general residential and commercial distribution
• 30–40 kA or higher for industrial and high-exposure installations

For most main and sub-distribution boards, an In rating of 20 kA or higher is commonly selected.

Imax – Maximum Discharge Current

Imax represents the maximum 8/20 μs surge current that an SPD can discharge once or a limited number of times without failing.
Imax is normally higher than In, but it should not be used as the only selection criterion because it does not represent the SPD’s repeated operating capability.

Typical Imax ratings include:

• 20–40 kA for general distribution systems
• 40–80 kA for industrial installations
• Higher values for severe surge environments

Practical Selection Guide

Installation Condition	Recommended Parameter Focus
Building service entrance with lightning protection system	Prioritize Iimp
Главный или промежуточный распределительный щит	Prioritize In and Imax
High lightning exposure industrial facility	Higher Iimp and In
Sensitive terminal equipment	Lower Up is usually more important than a very high current rating
УЗИП типа 1+2	Check Iimp, In, Imax, and Up together

Шаг 4: Проверьте уровень напряжения защиты Up

The voltage protection level, Вверх, indicates the SPD’s ability to limit surge voltage under specified test conditions. It is a declared value provided by the manufacturer and represents the protection level achieved when the SPD discharges the specified impulse current.
A lower Up generally means that less surge voltage is allowed to pass toward downstream equipment. However, Up should not be evaluated alone. It must be considered together with the system voltage, maximum continuous operating voltage Uc, discharge-current capacity, temporary overvoltage withstand capability, and the impulse withstand voltage of the protected equipment.

Compare Up with the Equipment Impulse Withstand Voltage

The selected SPD should limit the surge voltage to a level below the impulse withstand voltage of the downstream equipment.
A practical selection principle is:

• The effective protection level at the equipment should remain below the equipment’s rated impulse withstand voltage.

A sufficient safety margin should be allowed because the actual voltage reaching the equipment may be higher than the Up value stated in the datasheet.

Consider Installation Cable Length

The Up value is measured at the SPD terminals under specified laboratory conditions. In an actual installation, the inductance of the connecting conductors can add extra voltage during surge discharge.

Therefore:

• Keep the connecting conductors as short and direct as possible.
• Avoid unnecessary loops and sharp bends.
• Position the SPD close to the protected circuit.
• Install additional downstream protection when the protected equipment is far from the main SPD.

Long connecting cables can reduce the effectiveness of even a low-Up SPD. Correct installation is therefore just as important as product selection. Phoenix Contact also notes that excessively long connection conductors can create installation problems and recommends attention to cable length and layout. 

Practical Selection Focus

Protection Position	Main Selection Focus
Building service entrance	Balance Iimp and Up
Главный или промежуточный распределительный щит	Check In, Imax, and Up
Чувствительное электронное оборудование	Select a sufficiently low Up and install the SPD close to the load
Type 1+2 combined SPD	Check Iimp, In, and Up together
Long distance between distribution boards	Consider an additional downstream SPD

Техническое примечание：
Do not select an SPD based only on the lowest Up value. An SPD with a low Up but insufficient discharge capacity may be damaged by the expected surge current. Conversely, an SPD with high discharge capacity but an excessively high Up may not adequately protect sensitive equipment.
The final selection should balance:
Uc + Up + Iimp/In/Imax + equipment withstand voltage + installation distance

Шаг 5: Подтвердите количество полюсов, устройство отключения, дистанционную сигнализацию и резервную защиту

After selecting the SPD type and electrical ratings, confirm that the device matches the system configuration and installation requirements. The number of poles, internal disconnection function, remote signaling option, and backup protective device all affect the safety and reliability of the installation.

Confirm the Number of Poles

The SPD pole configuration should match the power system, conductor arrangement, and protection mode.

Система электроснабжения	Common SPD Configuration
Single-phase L–N system	1P+N or 2P
Three-phase three-wire system	3P
Three-phase four-wire system	3P+N or 4P
TN-C system	Protection between phase conductors and PEN
TN-S or TN-C-S system	Protection between L–N and N–PE, depending on the selected circuit
TT system	Commonly uses a 3+1 or 1+1 circuit
DC or PV system	Select the pole configuration according to system voltage, polarity, and grounding arrangement

The number of poles alone is not enough to determine suitability. The protection circuit must also match the system earthing arrangement and the voltage that may appear between conductors.

Check the Disconnection Device

Most SPDs include an internal thermal disconnection device that separates the protective component from the power system when it reaches the end of its service life or overheats.
The disconnection device helps reduce the risk of:

• Thermal runaway
• Overheating
• Short circuit
• Fire caused by a failed MOV or other protective component

The SPD should also provide a clear status indicator so that maintenance personnel can identify when the protection module needs replacement.

Determine Whether Remote Signaling Is Required

A remote signaling contact allows the SPD operating status to be monitored from a control panel, alarm system, PLC, or building management system.

Remote signaling is particularly useful in:

• Unattended substations
• Industrial production lines
• Data centers
• Telecom facilities
• Solar PV plants
• Critical power systems

When remote monitoring is required, check the contact type, terminal arrangement, rated voltage, and rated current of the signaling contact.

Select the Backup Protective Device

An SPD may require an upstream fuse or circuit breaker to protect the circuit if the SPD fails or develops an internal short circuit.

The backup protective device should be selected according to:

• The manufacturer’s specified maximum backup fuse or circuit breaker
• The available short-circuit current at the installation point
• The SPD’s short-circuit current rating
• The type and cross-sectional area of the connecting conductors
• Coordination with the upstream protective device

Do not select the backup fuse or circuit breaker only according to the SPD discharge-current rating. Follow the manufacturer’s coordination table and installation instructions.

Practical Selection Guide

Selection Item	Main Point to Confirm
Number of poles	Match the phase conductors, neutral conductor, and earthing system
Disconnection device	Confirm internal thermal disconnection and visible status indication
Remote signaling	Confirm whether remote alarm or system monitoring is required
Backup protection	Follow the manufacturer’s recommended fuse or circuit-breaker rating
Replaceable module	Check whether the protection cartridge can be replaced without changing the base
Short-circuit rating	Confirm suitability for the prospective short-circuit current

Техническое примечание
An SPD with the correct Uc, Up, and discharge-current rating may still be unsuitable if the pole configuration or backup protection is incorrect. Always verify the complete installation arrangement rather than selecting the SPD only from its front-label parameters.

Шаг 6: Проверьте энергетическую координацию между несколькими УЗИП

When several SPDs are installed at different levels of the electrical system, they must operate in a coordinated sequence. The upstream SPD should discharge the highest surge energy, while the downstream SPD further reduces the residual voltage before it reaches sensitive equipment.
Proper energy coordination prevents a downstream SPD from being overloaded before the upstream device has diverted the main surge current.

Typical Cascaded Protection Arrangement

Protection Level	Typical SPD Type	Типовое место установки	Main Function
First stage	Тип 1 или тип 1+2	Ввод в здание или главный распределительный щит	Discharge high-energy lightning currents
Second stage	Тип 2	Sub-distribution board or control cabinet	Limit residual surges and switching overvoltages
Final stage	Тип 3	Close to sensitive equipment	Further reduce residual voltage

Check the Distance Between SPDs

Cable length between two SPDs affects how surge energy is shared. The inductance of the connecting cable can help create the voltage difference required for the upstream and downstream SPDs to operate in the correct sequence.
However, there is no single spacing rule that applies to every SPD combination. The required distance depends on:

• SPD technology and internal design
• Upstream and downstream Up values
• Discharge-current ratings
• Cable routing and conductor length
• Manufacturer-tested coordination data

Some installations use cable length to provide natural decoupling. Where the available distance is insufficient, a coordinated SPD combination or a specified decoupling element may be required.

Use Manufacturer-Verified Combinations

The safest method is to select upstream and downstream SPDs that have been tested and confirmed as an energy-coordinated combination by the manufacturer.
Check the manufacturer’s documentation for:

• Permitted upstream and downstream SPD combinations
• Minimum separation distance
• Whether an additional decoupling element is required
• Maximum discharge-current capability
• Backup protective device requirements
• Effective voltage protection level at the load

Do not assume that two SPDs are coordinated simply because one is Type 1 and the other is Type 2.

Consider the Distance to the Protected Equipment

When sensitive equipment is located far from the main SPD, an additional downstream SPD may be necessary. Long cables can pick up new induced surges and can also increase the voltage reaching the equipment.
For long distribution circuits, consider installing:

• Type 2 protection in downstream distribution boards
• Type 3 protection close to sensitive terminal equipment
• Additional SPDs where required by the project design or manufacturer’s instructions

Practical Coordination Checklist

Item to Verify	Selection Requirement
SPD sequence	Type 1 or Type 1+2 upstream, followed by Type 2 and Type 3 where required
Energy capacity	Upstream SPD handles the highest surge energy
Voltage limitation	Downstream SPD provides a lower effective protection level
Separation distance	Follow manufacturer-tested requirements
Cable layout	Keep all SPD connections short and direct
Product compatibility	Use verified coordinated combinations where possible
Protected-equipment distance	Add downstream protection when the load is far from the main SPD

Техническое примечание
Energy coordination is not achieved simply by installing several SPDs in series. The devices must share surge energy correctly without overloading the downstream unit.
A poorly coordinated system may cause the Type 2 or Type 3 SPD to operate too early and absorb more energy than it can withstand. Final coordination should therefore follow the manufacturer’s tested combination data and installation instructions.

Where Are Surge Protective Devices Commonly Used?

Surge protective devices are widely used in residential, commercial, industrial, communication, renewable energy, transportation, and outdoor electrical systems. Their main purpose is to protect electrical and electronic equipment from transient overvoltages caused by lightning, switching operations, and power system disturbances.
The required SPD type depends on the system voltage, installation location, earthing arrangement, equipment sensitivity, and expected surge exposure.

Application	Typical Equipment Protected	Common Protection Approach
Residential buildings	Household appliances, computers, security systems, and smart home devices	Type 2 at the main distribution board; Type 1 or Type 1+2 may be required for buildings with external lightning protection
Commercial buildings	Elevators, HVAC systems, fire alarms, CCTV, servers, and building management systems	Type 1 or Type 1+2 at the service entrance, followed by Type 2 protection in downstream boards
Industrial facilities	PLCs, variable-frequency drives, sensors, automation equipment, and production lines	Coordinated Type 1, Type 2, and Type 3 protection
Data centers and communication systems	Servers, UPS systems, network equipment, communication devices, and signal lines	Power-line SPDs combined with dedicated data and signal-line protection
Солнечные фотоэлектрические системы	PV modules, combiner boxes, inverters, and AC/DC distribution circuits	DC SPDs on the PV side and AC SPDs on the inverter output side
EV charging stations	AC chargers, DC fast chargers, controllers, payment modules, and communication equipment	SPD protection at the incoming supply and charging equipment
Wind power and energy storage systems	Converters, inverters, battery management systems, control cabinets, and monitoring equipment	AC and DC SPDs selected according to the system architecture
Outdoor equipment and LED lighting	Streetlights, traffic systems, cameras, electronic signs, and outdoor control cabinets	Local SPD protection close to exposed outdoor equipment

In practice, larger or more complex systems usually require multi-stage surge protection. A high-energy SPD may be installed at the main service entrance, while additional Type 2 or Type 3 SPDs are installed closer to downstream distribution boards and sensitive equipment.

Where Should a Surge Protective Device Be Installed?

The effectiveness of a surge protective device depends not only on selecting the correct SPD type, but also on installing it at the appropriate location within the electrical system. Proper installation helps ensure that surge energy is safely diverted to earth before it reaches sensitive electrical or electronic equipment.
In most low-voltage installations, SPDs are installed in stages to provide coordinated protection from the service entrance to the final load.

Typical SPD Installation Locations

Место установки	Рекомендуемый тип УЗИП	Primary Purpose
Ввод в систему	Тип 1 или тип 1+2	Divert high-energy lightning currents entering the building
Main distribution board	Тип 2	Protect downstream electrical circuits from switching surges and residual lightning surges
Sub-distribution board	Тип 2	Provide additional protection for branch circuits
Close to sensitive equipment	Тип 3	Reduce the remaining surge voltage before it reaches sensitive electronic equipment
Объединительный бокс фотоэлектрической системы или распределительный щит постоянного тока	Тип 1+2 постоянного тока или тип 2 постоянного тока	Protect photovoltaic DC circuits and inverters
Control cabinets and communication systems	Type 2, Type 3, or signal-line SPDs	Protect PLCs, communication equipment, and control electronics

Installation Recommendations

To achieve the best protection performance, SPDs should be installed as close as possible to the equipment or distribution point they protect. The connecting conductors should be short and direct to minimize additional inductive voltage during surge discharge.
When the distance between the main SPD and the protected equipment is relatively long, an additional downstream SPD may be required to maintain an effective protection level.

Common SPD Installation Mistakes

Even a correctly selected surge protective device may fail to provide effective protection if it is installed incorrectly. Common installation mistakes can increase the residual voltage, reduce the SPD’s service life, or prevent the surge current from being safely diverted.The following issues should be checked during installation and commissioning.

Common Mistake	Why It Is a Problem	Recommended Practice
Installing the wrong SPD type	A Type 2 or Type 3 SPD may not be able to withstand the surge energy expected at the service entrance	Match the SPD type to the installation location and surge exposure
Selecting an incorrect Uc	A Uc value that is too low may cause premature operation or damage; a value that is too high may reduce protection effectiveness	Select Uc according to the system voltage and earthing arrangement
Using excessively long connecting conductors	Long conductors add inductive voltage during surge discharge and increase the effective protection level	Keep the connection path short, direct, and free from unnecessary loops
Poor earthing or equipotential bonding	A high-impedance earth path can prevent surge current from being discharged effectively	Ensure reliable earthing and equipotential bonding
Ignoring backup protection	An internal SPD fault may not be safely disconnected from the power system	Install the fuse or circuit breaker specified by the manufacturer
Installing only one SPD in a large system	A single SPD may not provide sufficient protection for distant distribution boards or sensitive loads	Use coordinated multi-stage protection where required
Using an incorrect pole or circuit configuration	The SPD may not protect all required conductors or may be unsuitable for the earthing system	Match the SPD circuit to the phase, neutral, polarity, and grounding arrangement
Failing to coordinate multiple SPDs	A downstream SPD may absorb more surge energy than it can withstand	Use manufacturer-verified coordinated combinations
Installing the SPD too far from the protected equipment	Long downstream cables may allow additional induced surges or increase the voltage reaching the equipment	Add downstream Type 2 or Type 3 protection when necessary
Failing to inspect or replace a failed SPD	Once the SPD reaches end of life, the circuit may no longer be protected	Check the status indicator and replace failed modules promptly

To avoid these mistakes:

• Select the SPD according to the system voltage, earthing arrangement, and installation location.
• Keep the total connection path as short and direct as practical.
• Use the correct backup protective device.
• Ensure reliable earthing and equipotential bonding.
• Verify coordination between upstream and downstream SPDs.
• Inspect the SPD status indicator during routine maintenance.

Техническое примечание
The SPD itself is only one part of the surge protection system. Its actual performance also depends on conductor routing, earthing quality, backup protection, installation distance, and coordination with other SPDs.
A high-performance SPD can still provide poor protection if the installation layout is incorrect.

Frequently Asked Questions About Surge Protective Devices

Can an SPD Be Used Without a Backup Fuse or Circuit Breaker?

It depends on the SPD design and the manufacturer’s installation requirements. Some SPDs require an external backup fuse or circuit breaker, while others may include integrated overcurrent protection.
The backup protective device is used to disconnect the SPD safely if it develops an internal short circuit or reaches the end of its service life. Its rating should not be selected only according to the SPD’s discharge-current rating.
Always follow the manufacturer’s specified maximum backup fuse or circuit-breaker rating, short-circuit current requirements, and coordination instructions.

How Should a Surge Protective Device Be Maintained?

SPD maintenance mainly involves regular inspection rather than internal repair. During routine electrical maintenance, check the status indicator, remote signaling contact, terminal tightness, signs of overheating, and the condition of the backup protective device.
The SPD should also be inspected after severe thunderstorms, lightning events, major power-system faults, or repeated tripping of the upstream protective device.
Replace the SPD or plug-in protection module if:

• The status indicator shows failure.
• A remote alarm is activated.
• The enclosure is discolored, cracked, or overheated.
• The backup fuse or circuit breaker has operated because of an SPD fault.
• The manufacturer’s replacement criteria have been reached.

How Long Does a Surge Protective Device Last?

An SPD does not have a fixed service life. Its lifespan depends on the number, magnitude, and duration of the surges it absorbs, as well as system voltage, temporary overvoltages, environmental conditions, and product quality.
An SPD may remain operational for many years in a low-surge environment, but a single severe surge can significantly reduce its remaining capacity or cause immediate failure.
The status indicator and remote signaling contact should therefore be used to determine whether the SPD is still operational. Replacement should be based on actual condition and manufacturer guidance rather than a fixed number of years alone.

Do I Need Both AC and DC Surge Protection?

Both AC and DC surge protection may be required when a system contains separate AC and DC circuits. An AC SPD cannot automatically replace a DC SPD because the two devices are designed for different voltage characteristics, arc-extinguishing requirements, and system configurations.
For example, a solar PV system may require:

• A DC SPD on the PV array, combiner box, or inverter DC input.
• An AC SPD on the inverter output or AC distribution board.

Energy storage systems, EV charging systems, and industrial DC control circuits may also require separate AC and DC protection.
The selected SPD must be rated for the actual system voltage, polarity, grounding arrangement, and maximum continuous operating voltage.

Can a Damaged SPD Continue Protecting Equipment?

A damaged SPD should not be assumed to provide effective protection. Some SPDs contain an internal disconnection device that isolates the failed protection component while allowing the electrical circuit to remain energized.
In this condition, the connected equipment may continue operating, but surge protection may already be partially or completely lost.
If the status indicator shows failure or the remote alarm is activated, replace the SPD or protection module as soon as possible. Continuing to operate without replacement may leave downstream equipment unprotected.

Are SPDs Required for Solar PV Systems?

SPD requirements for solar PV systems depend on the applicable electrical standard, lightning protection design, installation risk, cable routing, and local regulations.
PV systems are particularly exposed to induced surges because modules and DC cables are usually installed outdoors and may cover a large area. SPDs are commonly installed on the DC side, AC side, or both.
Typical locations include:

• PV combiner boxes
• Inverter DC inputs
• Inverter AC outputs
• Main AC distribution boards

The required SPD type depends on whether the building has an external lightning protection system, the separation distance, the system voltage, and the lightning exposure level.
Therefore, SPDs are not selected simply because the system is photovoltaic. The need, type, and installation position should be determined by the applicable project requirements and risk assessment.

REFERENCES AND TECHNICAL SOURCES

⁠IEC 61643-11:2025 – Low-Voltage Surge Protective Devices – Requirements and Test Methods — International Electrotechnical Commission.

IEC 61643-12 – Low-Voltage Surge Protective Devices – Selection and Application Principles — International Electrotechnical Commission.

UL 1449 – Standard for Surge Protective Devices — UL Solutions.

NFPA 70 – National Electrical Code (NEC) — National Fire Protection Association.

⁠IEEE C62.41.2 – Recommended Practice on Characterization of Surges in Low-Voltage AC Power Circuits — Institute of Electrical and Electronics Engineers.

NEMA – Low Voltage Surge Protective Devices Guidance— National Electrical Manufacturers Association.

⁠IEC 62305-4 – Protection Against Lightning – Electrical and Electronic Systems Within Structures— International Electrotechnical Commission.

IEC 61643-32 – Surge Protective Devices Connected to the DC Side of Photovoltaic Installations— International Electrotechnical Commission.