電涌保護器防護效果的研究

陳科企，李 莊

（上海辰竹儀表有限公司，上海 201612）

0 引言

雷電發生時，雷擊電磁脈沖會在線路上產生瞬態過電壓過電流。一旦產生的過電壓超過用電設備的絕緣耐沖擊電壓UW，就會造成用電設備的故障甚至起火。為降低此類風險，可通過設置電涌保護器（Surge Protective Device，SPD)、電磁屏蔽、合理布線以及等電位連接等措施進行防護[1]。其中，設置SPD的是唯一一種可以在基礎工程實施后采取的防護手段，一般安裝在用電設備的前端，起到就近保護的作用，相當于“門神”。其防護原理是當雷電流出現時，SPD內部的非線性元器件能在極短的時間內導通，將雷電流經接地系統泄放到大地，同時將用電設備兩端的電壓限制在設備能接受的安全水平[2]。

實際應用中，在安裝了電壓保護水平Up合適的SPD后，仍出現了用電設備損壞的現象，多是因為接線長度和方式的不合理，導致施加在用電設備上的有效電壓保護水平Up/f過高，超過設備UW。而對于現場儀表使用的SPD自帶的導線長度，目前既沒有相應的標準規范，也鮮有相關研究，廠家大多直接參照進口SPD的導線長度進行設計生產。本文基于Up和UW關系的理論分析，分析導線長度對SPD保護效果的影響，通過測試給出了導線長度的建議。

1 電涌保護器SPD

1.1 工作原理

SPD內部包含至少一個非線性元件。當電涌出現時，SPD能在極短的時間導通，將電流泄放到地，其響應時間為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，起到保護設備的作用，可以把SPD理解為一個“瞬時接地設備”，對于不帶電的物體，如設備外殼、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 組成及分類

SPD內部常用的非線性元器件主要有瞬態抑制二極管（TVS）、壓敏電阻（MOV）和氣體放電管（GDT）。這幾種元件中，TVS響應速度最快，但放電電流較小；GDT放電能力大，但是響應速度較慢；MOV的放電能力和響應速度均居中。

從應用的角度，SPD一般分為信號網絡SPD和電源SPD。

信號SPD主要用于信號設備的雷電防護，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，一般采用串聯安裝方式，采用GDT和TVS兩級保護。

電源SPD主要用于供配電系統中用電設備的雷電防護，例如變壓器、匯流箱、逆變器、充電樁、風力發電機組、UPS、盾構機、岸橋等，適用于直流電源，IT、TT、TN-C、TN-S等交流電源系統，一般采用并聯安裝，采用MOV單級保護。

1.3 關鍵參數

最大持續工作電壓Uc表示可連續地施加在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值必須高于系統可能出現的最大持續工作電壓，否則會有持續的電流流經SPD，導致電涌來臨前SPD就已經損壞，甚至可能引起火災事故。

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表示在規定時間內流過SPD規定的電荷和規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表示由于施加規定陡度的沖擊和規定幅值及波形的沖擊電流而在SPD兩端之間預期出現的最大電壓，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。Uc越大或沖擊電流越大，Up越大。

2 Up與UW關系的理論分析

2.1 用電設備的UW

UW反映了電子產品對過電壓的耐受能力。低壓配電系統和電子系統中的設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備UW見表1，可以看到計算機UW僅為1.5kV[3]。而工業場所所用設備信號端口，例如I/O信號端口根據標準要求承受1kV的電涌沖擊，承受能力較弱，容易損壞[4]。

表1 220V/380V配電系統中設備UWTable 1 Equipment's UW in 220V/380V power distribution system

2.2 電涌保護器的UP

Up反映了SPD限制電壓的能力，是選型時的主要指標之一[5]。

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規格也可逐級降低，直到將過電壓限制在被保護設備能承受的電壓能力內[1]。建筑物內部的線路上不同位置的設備可根據被保護設備的UW選擇合適Up值的SPD，見表2。

表2 UW與Up的匹配關系 Table 2 Relationship between UW and Up

SPD的Up與Uc、In、Iimp正相關，這也是為什么SPD要分級設置，要與設備Uw匹配的原因，另一方面也是出于經濟性的考慮。辰竹等知名品牌SPD做了良好的設計與匹配，性能高、性價比好。

2.3 有效電壓保護水平Up/f

Up/f在Up的基礎上算上了連接導線上的感應電壓，即Up/f=ΔUL1+Up+ΔUL2，其中ΔUL1和ΔUL2為連接導線上的感應電壓，如圖1[6]。有時設備Uw與SPD的Up已經做了匹配，但仍出現設備損壞的情況，往往就是因為忽略了導線上的感應電壓降。

圖1 有效電壓保護水平Up/fFig.1 Effective voltage protection level Up/f

當SPD與被保護的用電設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路上的感應過電壓，此時Up/f≤Uw/2即可[7]。

可以看到，SPD與要保護的設備之間線路長度影響了Up/f和Uw之間的比例關系。這是因為SPD和被保護設備間的線路過長，尤其是超過10m時雷電的傳播會產生振蕩現象，那么設備端會產生振蕩電壓，導致設備端子上的電壓升高。為保證設備端電壓不超過設備Uw，就需要更低的Up/f值，才能保證雷電防護效果。

因此，雷電電涌發生時，要使得被保護設備兩端的電壓能限制在設備Uw值以下，不僅需要選用Up值較低的SPD，同時也應注意縮短連接SPD的導體長度和方式，如此才能得到有效的防護作用[8]。

3 電源SPD的防護效果

目前來看，辰竹等知名品牌的電源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，導線的連接長度、接線方式顯得尤為重要。實際安裝時，連接導線應平直，且盡可能短。并聯安裝的電源SPD的接地線（包括上引線和下引線）總長度L應不超過0.5m[9]。按照一般接線方式（見圖2），L為3段導線的總長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僅為單段導線的長度。V型接線不會使接線導線產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備上的過電壓。

圖2 一般接線Fig.2 General wiring

圖3 V型接線Fig.3 V type wiring

綜上，采用辰竹等知名品牌與各級用電設備配備的電源SPD，通過較短的導線連接，結合V型接線法可以有效達到雷電防護的效果。

4 信號SPD的防護效果

4.1 信號SPDUP 的選擇

石油化工、環保等自動化行業涉及現場數據傳導，需要安裝大量的信號SPD。除了室內控制柜外，現場也需要在電磁閥、定位器等儀表上安裝SPD以避免雷電電涌侵襲造成的數據傳輸中斷甚至儀表損壞。對于24V直流工作電壓的儀表，信號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SPD進行防護[10]。

4.2 信號SPD的導線連接長度和方式

目前，現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。

現場儀表所用的SPD本身自帶有導線，安裝時直接接入被保護設備的對應的接線端子上即可，如圖4。由于多余的導線長度會增加額外的導線電壓降，導致Up/f較高，因而SPD的導線應盡可能短，不應彎曲或有多余的長度。為得到有效防護效果下的導線長度，使用上海辰竹品牌的現場儀表用SPD進行測試。

圖4 CZLBX接線示意圖Fig.4 Wiring diagram of CZLBX

4.2.1 試驗條件

環境溫度：19℃。

試驗類別：C2。

試驗樣品：CZLBX-48現場儀表用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CZLBX-48的相線和接地線分別連接到復合波電涌發生器對應接口上，用示波器抓取波形，讀取數據，記錄沖擊過程中的波形。

圖5 雷電模擬試驗示意圖Fig.5 Schematic diagram of lightning simulation test

4.2.3 實驗結果及分析

實驗數據見表3，在導線長度為100mm時，Up/f為0.45kV。導線越長，Up/f越大，保護能力逐漸減弱；當導線長度為1000mm時，Up/f為2.75kV。而工業用設備信號端口的抗電涌能力為1kV，相對應的導線長度為350mm，考慮到20%的余量，導線長度不超過300mm為宜。

表3 不同導線長度下的施加到設備上的電壓水平Table 3 Voltage levels applied to equipment under different wire lengths

5 結束語

綜上所述，Up值大小、連接導線的長度和接線方式都會影響SPD的雷電防護效果。因此，為了對設備的有效防護，不僅要關注SPD的Up，同時在安裝時接線應該平直，不宜過長，可采用V型接線。而對于現場儀表用SPD，結合試驗結果和分析，為達到可靠的防護效果建議其導線長度不超過300mm。