SPD安裝常見問題及應(yīng)對(duì)方法淺析

蔣平凡　蔣莉萍

摘要：文章針對(duì)電涌保護(hù)器（SPD）安裝時(shí)影響SPD保護(hù)效果的幾個(gè)常見問題展開討論，對(duì)安裝和使用SPD提出一些簡(jiǎn)單的看法。針對(duì)不同情況，通過精確的選擇、科學(xué)的配置以及規(guī)范化的安裝，實(shí)現(xiàn)電涌保護(hù)器功能得以充分體現(xiàn)的目的，以確保為系統(tǒng)帶來應(yīng)有的保護(hù)作用。

關(guān)鍵詞：SPD；安裝問題；連接導(dǎo)線

中圖分類號(hào)：TM862 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）20-0054-03

電涌保護(hù)器，簡(jiǎn)稱SPD，適用于雷擊防護(hù)的設(shè)備，其內(nèi)部功能構(gòu)造使得它可以對(duì)瞬間增大的電壓及電流進(jìn)行適當(dāng)?shù)木徑?，從而確保系統(tǒng)不會(huì)在雷擊時(shí)遭受損壞。不過在現(xiàn)實(shí)生活中有一部分場(chǎng)合及時(shí)配備了高性能的電涌保護(hù)器，但是真正遇到雷擊的問題，卻無法發(fā)揮出應(yīng)有的功能，配備安裝意義不能充分實(shí)現(xiàn)。所以，假如說有系統(tǒng)配備了電涌保護(hù)器，并不能說明這個(gè)系統(tǒng)在遇到雷擊狀況時(shí)是絕對(duì)安全的。在一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，電涌保護(hù)器的位置并不是固定的，組合方式也不是單一不變的，并且通過不同工藝進(jìn)行安裝，所得到的結(jié)果也存在差異性，在投入使用之后電涌保護(hù)器也會(huì)體現(xiàn)出不同的效果。減小這些不利因素對(duì)SPD保護(hù)效果的影響，對(duì)工作環(huán)境要求較高的設(shè)備或較重要設(shè)備的保護(hù)而言尤為重要。

1 SPD的連接導(dǎo)線

1.1 連接導(dǎo)線的長度

SPD連接導(dǎo)線應(yīng)平直敷設(shè)，盡可能短。當(dāng)遇到雷擊的情況下，電流會(huì)在電涌保護(hù)器的作用下傳輸?shù)降乇?，這個(gè)時(shí)候電涌保護(hù)器自身還會(huì)存在部分殘留的電壓，它的存在對(duì)于之后設(shè)備的運(yùn)行會(huì)帶來一定的制約，見圖1：

圖1

在系統(tǒng)遭到雷擊的時(shí)候，電流在經(jīng)過電涌保護(hù)器的過程中，產(chǎn)生的殘壓可以表示如下：U=IR+L（di/dt）l

在上述公式里，I代表雷擊所形成的電流（kA）；R代表線路中存在的電阻（Ω）；L代表線路單位長度中所存在的電感大?。ㄍǔＧ闆r下為1～1.5μH/m）；di/dt代表雷擊形成電流的坡比大小（kA/μs）；l代表整個(gè)線路的長度（m）。

假如我們?cè)O(shè)雷擊時(shí)形成的電流幅值大小是20kA，單位長度內(nèi)線路中存在的電阻大小是0.01Ω，單位長度內(nèi)線路中存在的電感大小是1.5μH/m，雷擊形成電流的坡比大小是30kA/μs（這個(gè)數(shù)值最高能夠有50kA/μs），那么根據(jù)以上的數(shù)據(jù)，代入公式計(jì)算出單位長度線路中接收的電壓大小是：

20kA×0.01Ω+1.5μH/m×30kA/μs×1.0m=4.7kV

正常情況下，電子產(chǎn)品所能承受的電壓差不多是1.5kV，假如是電涌保護(hù)器的線路長度過大的話，就會(huì)導(dǎo)致電子產(chǎn)品所接收的電壓大小大于其所能承受的范圍，這種情況下電涌保護(hù)器對(duì)于電子產(chǎn)品不僅無法發(fā)揮出應(yīng)有的保護(hù)功能，還會(huì)帶來更大的損害。所以，在進(jìn)行電涌保護(hù)器的安裝過程中，如果存在接地端距離過大的問題，要另外設(shè)置一個(gè)接地點(diǎn)到電涌保護(hù)器旁邊，確保線路長度不會(huì)過大，同時(shí)可以選擇采取“V”型的接線法來盡可能地使線路變短。

1.2 連接導(dǎo)線的截面積

1.2.1 線路所用導(dǎo)線的橫截面大小同樣會(huì)給其內(nèi)部存在的電感帶來一定的影響作用。

線路所用導(dǎo)線中存在的電感所帶來的暫時(shí)性的電壓降低值可用以下公式表示：UR=L0（di/dt）

在這個(gè)公式里面，di/dt代表雷擊形成電流的坡比大?。╧A/μs）；L0指的是線路中存在的電感大小。

通過上面的公式能夠很明顯地便顯出線路電感和電壓降低之間的關(guān)系，它們的數(shù)值變化成正比。

對(duì)于一段圓形截面的導(dǎo)體，其寄生電感L0可按下式估算：

L0=0.002H（2.303lg-0.75）

式中：

L0——連接導(dǎo)線寄生電感

H——導(dǎo)線長度

r——導(dǎo)體半徑

由此可以看出：連接導(dǎo)線寄生電感不但與導(dǎo)線長度H有關(guān)，還與連接導(dǎo)線的半徑r有關(guān)。因此，安裝SPD時(shí)切不可因?yàn)楣?jié)省材料而使用截面積較小的接地線。

1.2.2 連接導(dǎo)線的截面積影響SPD的泄流能力。金屬導(dǎo)線的電阻R=ρL/S，ρ為導(dǎo)線電阻率，L為導(dǎo)線長度，S為導(dǎo)線截面積。金屬導(dǎo)線的電阻R與導(dǎo)線的截面積S成反比，若導(dǎo)線截面積太小則會(huì)增加導(dǎo)線的電阻值從而影響SPD的泄流能力。

2 SPD的接入方法

在安裝SPD時(shí)，通常將SPD直接并聯(lián)接入配電系統(tǒng)。可以由圖2和圖3來比較“V”型接法與“T”型接法的差異：

圖2 “V”型接法

圖3 “T”型接法

（1）“V”型接法通過電源線的延伸部分來縮短安裝連接線長度，減小與保護(hù)裝置串聯(lián)的寄生電感，從而減小影響設(shè)備的殘壓值US。

（2）“V”型接法通過減小連接導(dǎo)線所形成的感應(yīng)回路面積來減小寄生電感，從而減小影響設(shè)備的殘壓值US。連接導(dǎo)線所形成的感應(yīng)回路的寄生電感可估算為：

L0=0.2S[ln-（2ln+η）+]

式中：

L0——連接導(dǎo)線寄生電感

A——連接導(dǎo)線形成的感應(yīng)回路面積

連接導(dǎo)線寄生電感產(chǎn)生的暫態(tài)壓降為：

UR=L0（di/dt）

式中：

L0——連接導(dǎo)線寄生電感

di/dt——雷電流陡度（kA/μs）

由公式可以看出：感應(yīng)回路的面積A越小，則ln越

大，寄生電感L0越小，連接導(dǎo)線寄生電感產(chǎn)生的暫態(tài)壓降UR越小。

3 多級(jí)SPD之間的配置

在同一電路上，安裝兩個(gè)以上SPD時(shí)，應(yīng)相互協(xié)調(diào)配合，共同分擔(dān)施加在它們上面的雷電流，且每個(gè)SPD應(yīng)能承受安裝位置上可能出現(xiàn)的放電電流，避免SPD出現(xiàn)過負(fù)荷現(xiàn)象。

SPD根據(jù)所使用的非線性元件的特性分為電壓開關(guān)型、電壓限制型和組合型三種類型。電壓開關(guān)型SPD為間隙放電型器件，無電涌時(shí)呈高阻狀態(tài)，當(dāng)沖擊電壓達(dá)到一定值突然變?yōu)榈妥杩?，如放電間隙、充氣放電管等，其泄放雷電流能力大，特別適用于易遭受直接雷擊部位的雷電過電壓保護(hù)。電壓限制型SPD在無電涌時(shí)呈高阻狀態(tài)，隨著沖擊電流及電壓的逐步提高，SPD的電阻持續(xù)下降，如壓敏電阻、抑制二極管等，其抑制過電壓能力好，在線路上使用的主要作用是限制過電壓。由于電壓開關(guān)型SPD具有泄流能力大、耐壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)，而從LPZ0A區(qū)進(jìn)來的線路可能遭受直接雷擊而帶有部分雷電流，因此，一般在建筑物入口處選用通過I類測(cè)試的電壓開關(guān)型SPD來泄放雷電流效果較好；后級(jí)電路僅攜帶感應(yīng)電涌，通常選用通過II類測(cè)試的電壓限制型SPD來限制因前級(jí)雷電能流泄放后在后級(jí)線路產(chǎn)生的高過電壓效果較好。當(dāng)雷電波來臨時(shí)，由于前后兩級(jí)SPD的觸發(fā)條件可能不一樣，前后兩級(jí)SPD有可能不按我們的理想狀態(tài)順序觸發(fā)，可以采用退耦元件來改變前級(jí)SPD的觸發(fā)條件，實(shí)現(xiàn)SPD的順序觸發(fā)，以達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)保護(hù)效果。

當(dāng)然，根據(jù)所保護(hù)的對(duì)象的不同特點(diǎn)，可以采用多種多樣的組合方式。例如：全部SPD的殘壓值相同，全部SPD具有連續(xù)的電流/電壓特性的組合；第一級(jí)SPD具有不連續(xù)電流/電壓特性，后續(xù)SPD具有連續(xù)的電流/電壓特性的組合；第一級(jí)SPD采用電壓開關(guān)型SPD，后續(xù)SPD采用電壓限制型SPD的組合等等。不管哪種組合，最終目的就是以最快速度、最大限度地抑制雷電波產(chǎn)生的沖擊電壓和電涌電流，使末端的設(shè)備或人員處在安全的工作環(huán)境。

4 選擇性能良好的SPD，嚴(yán)防SPD造成次生災(zāi)害

4.1 SPD的“熱脫扣”問題

當(dāng)沖擊電壓或電涌電流超過SPD所設(shè)計(jì)的最大承受能力時(shí)，會(huì)造成SPD失效或損壞，使線路發(fā)生短路或設(shè)備爆炸，因此，SPD必須具有失效模式，即失效之后的自我保護(hù)模式。SPD的失效模式有兩種：開路和短路。處于開路模式時(shí)，SPD與配電系統(tǒng)完全斷開，被保護(hù)設(shè)備將不再受到保護(hù)，因此SPD在開路模式時(shí)必須具有失效指示功能，以便及時(shí)更換失效的SPD，確保被保護(hù)設(shè)備的安全。SPD處于短路模式時(shí)，短路電流由配電系統(tǒng)流向失效的SPD，SPD將產(chǎn)生熱能而引起燃燒，這種情況下，被保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)安裝脫離裝置——斷路器，即我們常說的“熱脫扣”。

電涌保護(hù)器的熱脫扣結(jié)構(gòu)通常是一個(gè)溫度控制脫扣結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)電極與氧化鋅壓敏電阻連接的部位，使用低溫焊錫材料進(jìn)行焊接，當(dāng)出現(xiàn)溫度超限時(shí)，低溫焊錫材料熔化，連接部位在儲(chǔ)能彈簧的作用下，使其迅速分離脫扣，斷開與電源的連接，同時(shí)帶動(dòng)SPD失效指示塊移動(dòng)位置，從顯示“正常”變?yōu)轱@示“失效”。目前大多數(shù)國產(chǎn)SPD的熱脫扣技術(shù)還不是很成熟，溫度達(dá)到臨界溫度或超過臨界溫度時(shí)，SPD不能及時(shí)與配電系統(tǒng)脫離，很容易造成SPD發(fā)熱甚至爆炸，引發(fā)火災(zāi)。為了解決這個(gè)問題，可以在SPD的前端加裝一個(gè)熔斷器，但這個(gè)方法存在一定的缺陷，若第一個(gè)雷電波強(qiáng)度較強(qiáng)，熔斷器動(dòng)作，則SPD與整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)斷開，后續(xù)雷電波來時(shí)SPD就起不到保護(hù)作用。因此，每次雷擊過后都要對(duì)所安裝的SPD及熔斷器等設(shè)施進(jìn)行檢查，特別是SPD出現(xiàn)發(fā)熱、變黑等異常情況應(yīng)及時(shí)更換。為了避免被保護(hù)設(shè)備由于SPD脫離而不再受保護(hù)，也可以將裝有熔斷器的SPD并聯(lián)使用，即并聯(lián)一個(gè)備用SPD，但這樣做的成本過高，可以用于對(duì)重要設(shè)備的保護(hù)。

4.2 SPD的“漏電流”問題

在出現(xiàn)漏電流的情況下，SPD會(huì)在漏電流的作用下產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致出現(xiàn)溫漂以及功能退化的問題，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備爆炸。

2008年初我國南方地區(qū)遭遇罕見的冰凍災(zāi)害天氣，連續(xù)的低溫天氣使某SPD生產(chǎn)廠家按正常程序生產(chǎn)的SPD漏電流偏大，由于目前SPD廠家并未對(duì)出廠的SPD逐一進(jìn)行性能測(cè)試，用戶一般也沒有條件對(duì)所使用的SPD進(jìn)行性能測(cè)試，因此，這部分SPD由于漏電流過大持續(xù)工作而發(fā)熱，一部分甚至發(fā)生爆炸。因此，小小的“漏電流”也可能引來大危害。反映電涌保護(hù)器的重要技術(shù)指標(biāo)之一是在多次額定通流后的漏電流變化率，而不是初始漏電流的大小。一個(gè)合格的SPD初始漏電流一般不大，多數(shù)國產(chǎn)的電涌保護(hù)器初始漏電流都很?。ǘ鄶?shù)小于5μA），但承受額定通流放電后，漏電流開始增大，并且隨著放電次數(shù)的增加，漏電流持續(xù)增大，當(dāng)漏電流增加到一定值時(shí)，SPD開始發(fā)熱，劣化速度變快。因此，選擇SPD時(shí)，關(guān)鍵是看其承受額定通流放電后漏電流的變化大小，而不應(yīng)只注重其初始漏電流的大小。

5 結(jié)語

總的來說，在電涌保護(hù)器的應(yīng)用過程中，要結(jié)合實(shí)際情況選擇通過不同的方法安裝不同的電涌保護(hù)器。在電涌保護(hù)器通過多級(jí)保護(hù)的情況下，各級(jí)電涌保護(hù)器應(yīng)該進(jìn)行緊密的配合銜接。通過精確的選擇、科學(xué)的配置以及規(guī)范化的安裝，實(shí)現(xiàn)電涌保護(hù)器功能得以充分體現(xiàn)的目的。

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