實際應(yīng)用中，在安裝了電壓保護水平Up合適的SPD后，仍出現(xiàn)了用電設(shè)備損壞的現(xiàn)象，多是因為接線長度和方式的不合理，導(dǎo)致施加在用電設(shè)備上的有效電壓保護水平Up/f過高，超過設(shè)備UW。而對于現(xiàn)場儀表使用的信號浪涌保護器SPD自帶的導(dǎo)線長度，目前既沒有相應(yīng)的標準規(guī)范，也鮮有相關(guān)研究，廠家大多直接參照進口SPD的導(dǎo)線長度進行設(shè)計生產(chǎn)。本文基Up和UW關(guān)系的理論分析，分析導(dǎo)線長度對SPD保護效果的影響，通過測試給出了導(dǎo)線長度的建議。
1、電涌保護器SPD
1.1 電涌保護器工作原理
電涌保護器SPD內(nèi)部包含至少一個非線性元件。當電涌出現(xiàn)時，SPD能在極短的時間導(dǎo)通，將電流泄放到地，其響應(yīng)時間為ns級(10-9s)，而電涌的上升速度一般為μs級(10-6s)。因此，SPD可以把電壓限制在安全的水平，起到保護設(shè)備的作用，可以把SPD理解為一個“瞬時接地設(shè)備”，對于不帶電的物體，如設(shè)備外殼、管道、橋架等，一般直接接地，而對于帶電的線路，必須通過SPD來“瞬時接地”。
1.2 電涌保護器組成及分類
SPD內(nèi)部常用的非線性元器件主要有瞬態(tài)抑制二極管(TVS)、壓敏電阻(MOV)和氣體放電管(GDT)。這幾種元件中，TVS響應(yīng)速度最快，但放電電流較小 ；GDT放電能力大，但是響應(yīng)速度較慢 ；MOV的放電能力和響應(yīng)速度均居中。
從應(yīng)用的角度，SPD一般分為信號電涌保護器SPD和電源電涌保護器SPD。
信號電涌保護器SPD主要用于信號設(shè)備的雷電防護，如PLC、DCS、SCADA、變送器、流量計、電磁閥等，適用于AI、AO、DI、DO、RS485、RS232、RS422、熱電阻、熱電偶等信號，信號電涌保護器一般采用串聯(lián)安裝方式，采用GDT和TVS兩級保護。
電源電涌保護器SPD主要用于供配電系統(tǒng)中用電設(shè)備的雷電防護，例如變壓器、匯流箱、逆變器、充電樁、風力發(fā)電機組、UPS、盾構(gòu)機、岸橋等，適用于直流電源，IT、TT、TN-C、TN-S等交流電源系統(tǒng)，電源電涌保護器一般采用并聯(lián)安裝，采用MOV單級保護。
1.3 電涌保護器關(guān)鍵參數(shù)
最大持續(xù)工作電壓Uc表示可連續(xù)地施加在SPD保護模式上的最大交流電壓有效值或直流電壓，也稱最大工作電壓。SPD的Uc值必須高于系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大持續(xù)工作電壓，否則會有持續(xù)的電流流經(jīng)SPD，導(dǎo)致電涌來臨前SPD就已經(jīng)損壞，甚至可能引起火災(zāi)事故。
標稱放電電流In表示流過SPD的8μs/20μs電流波形峰值，SPD能承受該電流沖擊至少10次。
沖擊放電電流Iimp表示在規(guī)定時間內(nèi)流過SPD規(guī)定的電荷和規(guī)定的能量的電流波形，通常為10/350波形，SPD能承受該電流沖擊至少1次。
電壓保護水平Up表示由于施加規(guī)定陡度的沖擊和規(guī)定幅值及波形的沖擊電流而在SPD兩端之間預(yù)期出現(xiàn)的最大電壓，即In或Iimp沖擊時的殘壓。
理論上，Up越小越好。但實際上，Up和Uc、Iimp有關(guān)。Uc越大或沖擊電流越大，Up越大。
2、電源電涌保護器的Up與UW關(guān)系的理論分析
2.1 用電設(shè)備的UW
UW反映了電子產(chǎn)品對過電壓的耐受能力。低壓配電系統(tǒng)和電子系統(tǒng)中的設(shè)備對外界的電壓波動較為敏感，抗干擾能力較弱。220V/380V三相配電線路中各類別設(shè)備UW見表1，可以看到計算機UW僅為1.5kV。而工業(yè)場所所用設(shè)備信號端口，例如I/O信號端口根據(jù)標準要求承受1kV的電涌沖擊，承受能力較弱，容易損壞 。
2.2 電涌保護器的UP
Up反映了電涌保護器SPD限制電壓的能力，是電涌保護器選型時的主要指標之一。
由總配電箱引入后級的線路，由于空間屏蔽等作用，可能遭受的過電壓將逐漸減小，需要安裝的SPD規(guī)格也可逐級降低，直到將過電壓限制在被保護設(shè)備能承受的電壓能力內(nèi)。建筑物內(nèi)部的線路上不同位置的設(shè)備可根據(jù)被保護設(shè)備的UW選擇合適Up值的SPD，見表2。
SPD的Up與Uc、In、Iimp正相關(guān)，這也是為什么SPD要分級設(shè)置，要與設(shè)備Uw匹配的原因，另一方面也是出于經(jīng)濟性的考慮。昌暉儀表、辰竹等品牌SPD做了良好的設(shè)計與匹配，性能高、性價比好。
2.3 有效電壓保護水平Up/f
Up/f在Up的礎(chǔ)上算上了連接導(dǎo)線上的感應(yīng)電壓，即Up/f=ΔUL1+Up+ΔUL2，其中ΔUL1和ΔUL2為連接導(dǎo)線上的感應(yīng)電壓，如圖1。有時設(shè)備Uw與SPD的Up已經(jīng)做了匹配，但仍出現(xiàn)設(shè)備損壞的情況，往往就是因為忽略了導(dǎo)線上的感應(yīng)電壓降。
圖1 有效電壓保護水平UP/f
當SPD與被保護的用電設(shè)備之間的線路長度很短時，此時Up/f值近似于Up，當Up＜Uw，用電設(shè)備便能得到保護。當線路長度不大于10m時，這種情況在實際應(yīng)用中更為常見，此時需要Up/f≤0.8Uw。當線路長度大于10m，如果建筑物已采取電磁屏蔽措施，那么可以忽略線路環(huán)路上的感應(yīng)過電壓，此時Up/f≤Uw/2即可。
可以看到，SPD與要保護的設(shè)備之間線路長度影響了Up/f和Uw之間的比例關(guān)系。這是因為SPD和被保護設(shè)備間的線路過長，尤其是超過10m時雷電的傳播會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，那么設(shè)備端會產(chǎn)生振蕩電壓，導(dǎo)致設(shè)備端子上的電壓升高。為保證設(shè)備端電壓不超過設(shè)備Uw，就需要更低的Up/f值，才能保證雷電防護效果。
因此，雷電電涌發(fā)生時，要使得被保護設(shè)備兩端的電壓能限制在設(shè)備Uw值以下，不僅需要選用Up值較低的電涌保護器SPD，同時也應(yīng)注意縮短連接SPD的導(dǎo)體長度和方式，如此才能得到有效的防護作用。
3、電源電涌保護器SPD的防護效果
目前來看，知名品牌的電源SPD其Up能滿足要求并留有余量，同時達到雷電流沖擊能力的要求。在實際使用當中，導(dǎo)線的連接長度、接線方式顯得尤為重要。實際安裝時，連接導(dǎo)線應(yīng)平直，且盡可能短。并聯(lián)安裝的電源SPD的接地線(包括上引線和下引線)總長度L應(yīng)不超過0.5m。按照一般接線方式(見圖2)，L為3段導(dǎo)線的總長L=a+b+c 。為此在實際使用中，推薦采用凱文接線方式(V型接線法，見圖3)，此時L僅為單段導(dǎo)線的長度。V型接線不會使接線導(dǎo)線產(chǎn)生由寄生電阻電感引起的電壓降，從而降低了加在被保護設(shè)備上的過電壓。
圖2 SPD一般接線
圖3 電涌保護器V型接線
綜上，采用知名品牌與各級用電設(shè)備配備的電源電涌保護器SPD，通過較短的導(dǎo)線連接，結(jié)合V型接線法可以有效達到雷電防護的效果。
4、信號電涌保護器的防護效果
4.1 信號電涌保護器UP的選擇
石油化工、環(huán)保等自動化行業(yè)涉及現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳導(dǎo)，需要安裝大量的信號電涌保護器SPD。除了室內(nèi)控制柜外，現(xiàn)場也需要在電磁閥、定位器等儀表上安裝信號電涌保護器以避免雷電電涌侵襲造成的數(shù)據(jù)傳輸中斷甚至儀表損壞。對于24V直流工作電壓的儀表，信號電涌保護器SPD的Up不得超過60V。而對于RS485接口等低電壓通信類儀表，其電壓耐受能力更小，需要安裝Up不超過30V的信號電涌保護器進行防護。
4.2 信號電涌保護器的導(dǎo)線連接長度和方式
目前，現(xiàn)場信號類儀表一般安裝在室外，更容易遭受雷電流的沖擊，與電源端口相比，信號端口耐壓水平更弱，一般只能承受1kV/0.5kA的電涌，更需要SPD的防護。
現(xiàn)場儀表用SPD本身自帶有導(dǎo)線，安裝時直接接入被保護設(shè)備的對應(yīng)的接線端子上即可，如圖4。由于多余的導(dǎo)線長度會增加額外的導(dǎo)線電壓降，導(dǎo)致Up/f較高，因而SPD的導(dǎo)線應(yīng)盡可能短，不應(yīng)彎曲或有多余的長度。為得到有效防護效果下的導(dǎo)線長度，使用昌暉品牌的現(xiàn)場儀表用SPD進行測試。
4.2.1 試驗條件
環(huán)境溫度 ：19℃。
試驗類別 ：C2。
試驗樣品 ：現(xiàn)場儀表用SPD，In ：10kA。
4.2.2 試驗方法
雷電模擬沖擊試驗示意圖如圖5，將信號浪涌保護器的相線和接地線分別連接到復(fù)合波電涌發(fā)生器對應(yīng)接口上，用示波器抓取波形，讀取數(shù)據(jù)，記錄沖擊過程中的波形。
4.2.3 實驗結(jié)果及分析
實驗數(shù)據(jù)見表3，在導(dǎo)線長度為100mm時，Up/f為0.45kV。導(dǎo)線越長，Up/f越大，保護能力逐漸減弱 ；當導(dǎo)線長度為1000mm時，Up/f為2.75kV。而工業(yè)用設(shè)備信號端口的抗電涌能力為1kV，相對應(yīng)的導(dǎo)線長度為350mm，考慮到20%的余量，導(dǎo)線長度不超過300mm為宜。
5、結(jié)束語
綜上所述，Up值大小、連接導(dǎo)線的長度和接線方式都會影響SPD的雷電防護效果。因此，為了對設(shè)備的有效防護，不僅要關(guān)注SPD的Up，同時在安裝時接線應(yīng)該平直，不宜過長，可采用V型接線。而對于現(xiàn)場儀表用SPD，結(jié)合試驗結(jié)果和分析，為達到可靠的防護效果建議其導(dǎo)線長度不超過300mm。
作者：陳科企，李莊
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