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信號浪涌保護器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 電涌保護器工作原理
電涌保護器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 電涌保護器組成及分類
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，電源電涌保護器一般采用并聯安裝，采用MOV單級保護。
1.3 電涌保護器關鍵參數
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、電源電涌保護器的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。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 。
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。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。
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。昌暉儀表、辰竹等品牌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。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/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。
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值較低的電涌保護器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。
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。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 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備配備的電源電涌保護器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、環保等自動化行業涉及現場數據傳導，需要安裝大量的信號電涌保護器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信號電涌保護器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。
現場儀表用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，使用昌暉品牌的現場儀表用SPD進行測試。
4.2.1 試驗條件
環境溫度 ：19℃。
試驗類別 ：C2。
試驗樣品 ：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，將信號浪涌保護器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。
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。
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。
作者：陳科企，李莊
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