电涌保护器防护效果的研究

作者：上海辰竹仪表有限公司:陈科企 李庄

本文发表在《仪器仪表用户》2022.9

摘要：

电涌保护器能将瞬态过电压限制在一定水平内，而电压保护水平是衡量电涌保护器限制瞬态过电压能力的重要参数。当前在供配电设计电涌保护器时往往只关注了电压保护水平，忽视了实际应用过程中安装接线也会导致一定的电压施加在设备两端，从而降低电涌保护器的防护效果。对此，着重分析阐述了接线长度和接线方式对防护效果的影响，梳理了合理的接线长度、接线方式、电压保护水平与设备耐冲击电压额定值的理论关系。对电涌保护器进行接线长度对防护效果影响的测试，结果表明 ：为确保将设备两端的过电压限制在耐冲击电压额定值内，现场仪表用电涌保护器的导线长度不超过 300mm 为宜，为石油化工行业的防雷工程设计人员选型和安装提供了参考。

关键词：电涌保护器；耐冲击电压额定值；电压保护水平

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 U W ，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]。

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。

SPD 的 Up 与 Uc、In、imp 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。

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。

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]。

4.2 信号SPD的导线连接长度和方式

目前，现场信号类仪表一般安装在室外，更容易遭受雷电流的冲击，与电源端口相比，信号端口耐压水平更弱，一般只能承受 1kV/0.5kA 的电涌，更需要 SPD 的防护。

现场仪表所用的 SPD 本身自带有导线，安装时直接接入被保护设备的对应的接线端子上即可，如图 4。由于多余的导线长度会增加额外的导线电压降，导致 Up/f 较高，因而 SPD 的导线应尽可能短，不应弯曲或有多余的长度。为得到有效防护效果下的导线长度，使用上海辰竹品牌的现场仪表用 SPD 进行测试。

4.2.1 试验条件

环境温度 ：19℃。

试验类别 ：C 2 。

试验样品 ：CZLBX-48 现场仪表用 SPD，In ：10kA。

4.2.2 试验方法

雷电模拟冲击试验示意图如图 5，将 CZLBX-48 的相线和接地线分别连接到复合波电涌发生器对应接口上，用示波器抓取波形，读取数据，记录冲击过程中的波形。

4.2.3 实验结果及分析

实验数据见表3，在导线长度为100mm时，Up/f 为0.45kV。导线越长，Up/f 越大，保护能力逐渐减弱 ；当导线长度为 1000mm 时，Up/f 为 2.75kV。而工业用设备信号端口的抗电涌能力为 1kV，相对应的导线长度为 350mm，考虑到 20% 的余量，导线长度不超过 300mm 为宜。

5 结束语

综上所述，Up值大小、连接导线的长度和接线方式都会影响 SPD 的雷电防护效果。因此，为了对设备的有效防护，不仅要关注 SPD 的 Up，同时在安装时接线应该平直，不宜过长，可采用 V 型接线。而对于现场仪表用 SPD，结合试验结果和分析，为达到可靠的防护效果建议其导线长度不超过 300mm。

参考文献：

[1] 林明理,任亚文.浅谈民用建筑电气设计中电涌保护器的选用要点[J].中国设备工程,2022(04):237-238.

[2]孟陈,李雪.雷电过电压对低压配电系统的影响探析[J].安徽建筑,2021,28(08):147-148.

[3]吴容,张远扬,黄晟,等.电气系统中电涌保护器的检测及技术参数分析[J].电子测试,2021(17):106-108,90.

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫局,中国国家标准化管理委员会.测量、控制和实验室用的电设备 电磁兼容性要求 第1部分:通用要求:GB/T 18268.1-2010[S].北京:中国标准出版社,2010.

[5]陈谦.防雷术语例举分析[J].建筑电气,2021,40(02):3-8.

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫局.建筑物电子信息系统防雷技术规范:GB 50343-2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[7]李国会,张晶,刘明,等.SPD保护距离与电压保护水平相互影响的分析探讨[J].现代建筑电气,2021,12(10):41-47.

[8]中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫局.建筑物防雷设计规范:GB 50057-2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[9]曾睿.浪涌保护器在石化装置中的选择和应用[J].中国石油大学胜利学院学报,2021,35(02):34-37.

[10]蒋臣.仪表用电涌防护器的选择[J].石油化工自动化,2021,57(S1):221-223

自然界中的雷电不可能消失

人类对技术进步的向往和冲动也不可能终止

技术进步带来的潜在威胁

只能靠技术的继续进步来解决