實(shí)際應(yīng)用中，在安裝了電壓保護(hù)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?yàn)榻泳€長(zhǎng)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(hù)水平Up/f過(guò)高，超過(guò)設(shè)備UW。而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)儀表使用的信號(hào)浪涌保護(hù)器SPD自帶的導(dǎo)線長(zhǎng)度，目前既沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，也鮮有相關(guān)研究，廠家大多直接參照進(jìn)口SPD的導(dǎo)線長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)。本文基Up和UW關(guān)系的理論分析，分析導(dǎo)線長(zhǎng)度對(duì)SPD保護(hù)效果的影響，通過(guò)測(cè)試給出了導(dǎo)線長(zhǎng)度的建議。
1、電涌保護(hù)器SPD
1.1 電涌保護(hù)器工作原理
電涌保護(hù)器SPD內(nèi)部包含至少一個(gè)非線性元件。當(dāng)電涌出現(xiàn)時(shí)，SPD能在極短的時(shí)間導(dǎo)通，將電流泄放到地，其響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)(10-9s)，而電涌的上升速度一般為μs級(jí)(10-6s)。因此，SPD可以把電壓限制在安全的水平，起到保護(hù)設(shè)備的作用，可以把SPD理解為一個(gè)“瞬時(shí)接地設(shè)備”，對(duì)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(duì)于帶電的線路，必須通過(guò)SPD來(lái)“瞬時(shí)接地”。
1.2 電涌保護(hù)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(hào)電涌保護(hù)器SPD和電源電涌保護(hù)器SPD。
信號(hào)電涌保護(hù)器SPD主要用于信號(hào)設(shè)備的雷電防護(hù)，如PLC、DCS、SCADA、變送器、流量計(jì)、電磁閥等，適用于AI、AO、DI、DO、RS485、RS232、RS422、熱電阻、熱電偶等信號(hào)，信號(hào)電涌保護(hù)器一般采用串聯(lián)安裝方式，采用GDT和TVS兩級(jí)保護(hù)。
電源電涌保護(hù)器SPD主要用于供配電系統(tǒng)中用電設(shè)備的雷電防護(hù)，例如變壓器、匯流箱、逆變器、充電樁、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、UPS、盾構(gòu)機(jī)、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(hù)器一般采用并聯(lián)安裝，采用MOV單級(jí)保護(hù)。
1.3 電涌保護(hù)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(hù)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(huì)有持續(xù)的電流流經(jīng)SPD，導(dǎo)致電涌來(lái)臨前SPD就已經(jīng)損壞，甚至可能引起火災(zāi)事故。
標(biāo)稱放電電流In表示流過(guò)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(shí)間內(nèi)流過(guò)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(hù)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(shí)的殘壓。
理論上，Up越小越好。但實(shí)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(hù)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(duì)過(guò)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(duì)外界的電壓波動(dòng)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(jiàn)表1，可以看到計(jì)算機(jī)UW僅為1.5kV。而工業(yè)場(chǎng)所所用設(shè)備信號(hào)端口，例如I/O信號(hào)端口根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(hù)器的UP
Up反映了電涌保護(hù)器SPD限制電壓的能力，是電涌保護(hù)器選型時(shí)的主要指標(biāo)之一。
由總配電箱引入后級(jí)的線路，由于空間屏蔽等作用，可能遭受的過(guò)電壓將逐漸減小，需要安裝的SPD規(guī)格也可逐級(jí)降低，直到將過(guò)電壓限制在被保護(hù)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(hù)設(shè)備的UW選擇合適Up值的SPD，見(jiàn)表2。
SPD的Up與Uc、In、Iimp正相關(guān)，這也是為什么SPD要分級(jí)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(jì)性的考慮。昌暉儀表、辰竹等品牌SPD做了良好的設(shè)計(jì)與匹配，性能高、性價(jià)比好。
2.3 有效電壓保護(hù)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(shí)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?yàn)楹雎粤藢?dǎo)線上的感應(yīng)電壓降。
圖1 有效電壓保護(hù)水平UP/f
當(dāng)SPD與被保護(hù)的用電設(shè)備之間的線路長(zhǎng)度很短時(shí)，此時(shí)Up/f值近似于Up，當(dāng)Up＜Uw，用電設(shè)備便能得到保護(hù)。當(dāng)線路長(zhǎng)度不大于10m時(shí)，這種情況在實(shí)際應(yīng)用中更為常見(jiàn)，此時(shí)需要Up/f≤0.8Uw。當(dāng)線路長(zhǎng)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(guò)電壓，此時(shí)Up/f≤Uw/2即可。
可以看到，SPD與要保護(hù)的設(shè)備之間線路長(zhǎng)度影響了Up/f和Uw之間的比例關(guān)系。這是因?yàn)镾PD和被保護(hù)設(shè)備間的線路過(guò)長(zhǎng)，尤其是超過(guò)10m時(shí)雷電的傳播會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，那么設(shè)備端會(huì)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(guò)設(shè)備Uw，就需要更低的Up/f值，才能保證雷電防護(hù)效果。
因此，雷電電涌發(fā)生時(shí)，要使得被保護(hù)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(hù)器SPD，同時(shí)也應(yīng)注意縮短連接SPD的導(dǎo)體長(zhǎng)度和方式，如此才能得到有效的防護(hù)作用。
3、電源電涌保護(hù)器SPD的防護(hù)效果
目前來(lái)看，知名品牌的電源SPD其Up能滿足要求并留有余量，同時(shí)達(dá)到雷電流沖擊能力的要求。在實(shí)際使用當(dāng)中，導(dǎo)線的連接長(zhǎng)度、接線方式顯得尤為重要。實(shí)際安裝時(shí)，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(zhǎng)度L應(yīng)不超過(guò)0.5m。按照一般接線方式(見(jiàn)圖2)，L為3段導(dǎo)線的總長(zhǎng)L=a+b+c 。為此在實(shí)際使用中，推薦采用凱文接線方式(V型接線法，見(jiàn)圖3)，此時(shí)L僅為單段導(dǎo)線的長(zhǎng)度。V型接線不會(huì)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(hù)設(shè)備上的過(guò)電壓。
圖2 SPD一般接線
圖3 電涌保護(hù)器V型接線
綜上，采用知名品牌與各級(jí)用電設(shè)備配備的電源電涌保護(hù)器SPD，通過(guò)較短的導(dǎo)線連接，結(jié)合V型接線法可以有效達(dá)到雷電防護(hù)的效果。
4、信號(hào)電涌保護(hù)器的防護(hù)效果
4.1 信號(hào)電涌保護(hù)器UP的選擇
石油化工、環(huán)保等自動(dòng)化行業(yè)涉及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳導(dǎo)，需要安裝大量的信號(hào)電涌保護(hù)器SPD。除了室內(nèi)控制柜外，現(xiàn)場(chǎng)也需要在電磁閥、定位器等儀表上安裝信號(hào)電涌保護(hù)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?yè)p壞。對(duì)于24V直流工作電壓的儀表，信號(hào)電涌保護(hù)器SPD的Up不得超過(guò)60V。而對(duì)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(guò)30V的信號(hào)電涌保護(hù)器進(jìn)行防護(hù)。
4.2 信號(hào)電涌保護(hù)器的導(dǎo)線連接長(zhǎng)度和方式
目前，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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(hào)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(hù)。
現(xiàn)場(chǎng)儀表用SPD本身自帶有導(dǎo)線，安裝時(shí)直接接入被保護(hù)設(shè)備的對(duì)應(yīng)的接線端子上即可，如圖4。由于多余的導(dǎo)線長(zhǎng)度會(huì)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(zhǎng)度。為得到有效防護(hù)效果下的導(dǎo)線長(zhǎng)度，使用昌暉品牌的現(xiàn)場(chǎng)儀表用SPD進(jìn)行測(cè)試。
4.2.1 試驗(yàn)條件
環(huán)境溫度 ：19℃。
試驗(yàn)類別 ：C2。
試驗(yàn)樣品 ：現(xiàn)場(chǎng)儀表用SPD，In ：10kA。
4.2.2 試驗(yàn)方法
雷電模擬沖擊試驗(yàn)示意圖如圖5，將信號(hào)浪涌保護(hù)器的相線和接地線分別連接到復(fù)合波電涌發(fā)生器對(duì)應(yīng)接口上，用示波器抓取波形，讀取數(shù)據(jù)，記錄沖擊過(guò)程中的波形。
4.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，在導(dǎo)線長(zhǎng)度為100mm時(shí)，Up/f為0.45kV。導(dǎo)線越長(zhǎng)，Up/f越大，保護(hù)能力逐漸減弱 ；當(dāng)導(dǎo)線長(zhǎng)度為1000mm時(shí)，Up/f為2.75kV。而工業(yè)用設(shè)備信號(hào)端口的抗電涌能力為1kV，相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線長(zhǎng)度為350mm，考慮到20%的余量，導(dǎo)線長(zhǎng)度不超過(guò)300mm為宜。
5、結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，Up值大小、連接導(dǎo)線的長(zhǎng)度和接線方式都會(huì)影響SPD的雷電防護(hù)效果。因此，為了對(duì)設(shè)備的有效防護(hù)，不僅要關(guān)注SPD的Up，同時(shí)在安裝時(shí)接線應(yīng)該平直，不宜過(guò)長(zhǎng)，可采用V型接線。而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)儀表用SPD，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和分析，為達(dá)到可靠的防護(hù)效果建議其導(dǎo)線長(zhǎng)度不超過(guò)300mm。
作者：陳科企，李莊
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