电涌保护器防护效果的研究

2022-08-30陈科企

仪器仪表用户 2022年9期

陈科企，李庄

（上海辰竹仪表有限公司，上海 201612）

0 引言

雷电发生时，雷击电磁脉冲会在线路上产生瞬态过电压过电流。一旦产生的过电压超过用电设备的绝缘耐冲击电压UW，就会造成用电设备的故障甚至起火。为降低此类风险，可通过设置电涌保护器（Surge Protective Device，SPD)、电磁屏蔽、合理布线以及等电位连接等措施进行防护[1]。其中，设置SPD的是唯一一种可以在基础工程实施后采取的防护手段，一般安装在用电设备的前端，起到就近保护的作用，相当于“门神”。其防护原理是当雷电流出现时，SPD内部的非线性元器件能在极短的时间内导通，将雷电流经接地系统泄放到大地，同时将用电设备两端的电压限制在设备能接受的安全水平[2]。

实际应用中，在安装了电压保护水平Up合适的SPD后，仍出现了用电设备损坏的现象，多是因为接线长度和方式的不合理，导致施加在用电设备上的有效电压保护水平Up/f过高，超过设备UW。而对于现场仪表使用的SPD自带的导线长度，目前既没有相应的标准规范，也鲜有相关研究，厂家大多直接参照进口SPD的导线长度进行设计生产。本文基于Up和UW关系的理论分析，分析导线长度对SPD保护效果的影响，通过测试给出了导线长度的建议。

1 电涌保护器SPD

1.1 工作原理

SPD内部包含至少一个非线性元件。当电涌出现时，SPD能在极短的时间导通，将电流泄放到地，其响应时间为ns级（10-9s），而电涌的上升速度一般为μs级（10-6s）。因此，SPD可以把电压限制在安全的水平，起到保护设备的作用，可以把SPD理解为一个“瞬时接地设备”，对于不带电的物体，如设备外壳、管道、桥架等，一般直接接地，而对于带电的线路，必须通过SPD来“瞬时接地”。

1.2 组成及分类

SPD内部常用的非线性元器件主要有瞬态抑制二极管（TVS）、压敏电阻（MOV）和气体放电管（GDT）。这几种元件中，TVS响应速度最快，但放电电流较小；GDT放电能力大，但是响应速度较慢；MOV的放电能力和响应速度均居中。

从应用的角度，SPD一般分为信号网络SPD和电源SPD。

信号SPD主要用于信号设备的雷电防护，如PLC、DCS、SCADA、变送器、流量计、电磁阀等，适用于AI、AO、DI、DO、RS485、RS232、RS422、热电阻、热电偶等信号，一般采用串联安装方式，采用GDT和TVS两级保护。

电源SPD主要用于供配电系统中用电设备的雷电防护，例如变压器、汇流箱、逆变器、充电桩、风力发电机组、UPS、盾构机、岸桥等，适用于直流电源，IT、TT、TN-C、TN-S等交流电源系统，一般采用并联安装，采用MOV单级保护。

1.3 关键参数

最大持续工作电压Uc表示可连续地施加在SPD保护模式上的最大交流电压有效值或直流电压，也称最大工作电压。SPD的Uc值必须高于系统可能出现的最大持续工作电压，否则会有持续的电流流经SPD，导致电涌来临前SPD就已经损坏，甚至可能引起火灾事故。

标称放电电流In表示流过SPD的8μs/20μs电流波形峰值，SPD能承受该电流冲击至少10次。

冲击放电电流Iimp表示在规定时间内流过SPD规定的电荷和规定的能量的电流波形，通常为10/350波形，SPD能承受该电流冲击至少1次。

电压保护水平Up表示由于施加规定陡度的冲击和规定幅值及波形的冲击电流而在SPD两端之间预期出现的最大电压，即In或Iimp冲击时的残压。理论上，Up越小越好。但实际上，Up和Uc、Iimp有关。Uc越大或冲击电流越大，Up越大。

2 Up与UW关系的理论分析

2.1 用电设备的UW

UW反映了电子产品对过电压的耐受能力。低压配电系统和电子系统中的设备对外界的电压波动较为敏感，抗干扰能力较弱。220V/380V三相配电线路中各类别设备UW见表1，可以看到计算机UW仅为1.5kV[3]。而工业场所所用设备信号端口，例如I/O信号端口根据标准要求承受1kV的电涌冲击，承受能力较弱，容易损坏[4]。

表1 220V/380V配电系统中设备UWTable 1 Equipment's UW in 220V/380V power distribution system

2.2 电涌保护器的UP

Up反映了SPD限制电压的能力，是选型时的主要指标之一[5]。

由总配电箱引入后级的线路，由于空间屏蔽等作用，可能遭受的过电压将逐渐减小，需要安装的SPD规格也可逐级降低，直到将过电压限制在被保护设备能承受的电压能力内[1]。建筑物内部的线路上不同位置的设备可根据被保护设备的UW选择合适Up值的SPD，见表2。

表2 UW与Up的匹配关系 Table 2 Relationship between UW and Up

SPD的Up与Uc、In、Iimp正相关，这也是为什么SPD要分级设置，要与设备Uw匹配的原因，另一方面也是出于经济性的考虑。辰竹等知名品牌SPD做了良好的设计与匹配，性能高、性价比好。

2.3 有效电压保护水平Up/f

Up/f在Up的基础上算上了连接导线上的感应电压，即Up/f=ΔUL1+Up+ΔUL2，其中ΔUL1和ΔUL2为连接导线上的感应电压，如图1[6]。有时设备Uw与SPD的Up已经做了匹配，但仍出现设备损坏的情况，往往就是因为忽略了导线上的感应电压降。

图1 有效电压保护水平Up/fFig.1 Effective voltage protection level Up/f

当SPD与被保护的用电设备之间的线路长度很短时，此时Up/f值近似于Up，当Up＜Uw，用电设备便能得到保护。当线路长度不大于10m时，这种情况在实际应用中更为常见，此时需要Up/f≤0.8Uw。当线路长度大于10m，如果建筑物已采取电磁屏蔽措施，那么可以忽略线路环路上的感应过电压，此时Up/f≤Uw/2即可[7]。

可以看到，SPD与要保护的设备之间线路长度影响了Up/f和Uw之间的比例关系。这是因为SPD和被保护设备间的线路过长，尤其是超过10m时雷电的传播会产生振荡现象，那么设备端会产生振荡电压，导致设备端子上的电压升高。为保证设备端电压不超过设备Uw，就需要更低的Up/f值，才能保证雷电防护效果。

因此，雷电电涌发生时，要使得被保护设备两端的电压能限制在设备Uw值以下，不仅需要选用Up值较低的SPD，同时也应注意缩短连接SPD的导体长度和方式，如此才能得到有效的防护作用[8]。

3 电源SPD的防护效果

目前来看，辰竹等知名品牌的电源SPD其Up能满足要求并留有余量，同时达到雷电流冲击能力的要求。在实际使用当中，导线的连接长度、接线方式显得尤为重要。实际安装时，连接导线应平直，且尽可能短。并联安装的电源SPD的接地线（包括上引线和下引线）总长度L应不超过0.5m[9]。按照一般接线方式（见图2），L为3段导线的总长L= a+b+c 。为此在实际使用中，推荐采用凯文接线方式（V型接线法，见图3），此时L仅为单段导线的长度。V型接线不会使接线导线产生由寄生电阻电感引起的电压降，从而降低了加在被保护设备上的过电压。

图2 一般接线Fig.2 General wiring

图3 V型接线Fig.3 V type wiring

综上，采用辰竹等知名品牌与各级用电设备配备的电源SPD，通过较短的导线连接，结合V型接线法可以有效达到雷电防护的效果。

4 信号SPD的防护效果

4.1 信号SPDUP 的选择

石油化工、环保等自动化行业涉及现场数据传导，需要安装大量的信号SPD。除了室内控制柜外，现场也需要在电磁阀、定位器等仪表上安装SPD以避免雷电电涌侵袭造成的数据传输中断甚至仪表损坏。对于24V直流工作电压的仪表，信号SPD的Up不得超过60V。而对于RS485接口等低电压通信类仪表，其电压耐受能力更小，需要安装Up不超过30V的信号SPD进行防护[10]。