SPD安装常见问题及应对方法浅析

摘要：文章针对电涌保护器（SPD）安装时影响SPD保护效果的几个常见问题展开讨论，对安装和使用SPD提出一些简单的看法。针对不同情况，通过精确的选择、科学的配置以及规范化的安装，实现电涌保护器功能得以充分体现的目的，以确保为系统带来应有的保护作用。

关键词：SPD；安装问题；连接导线

中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）20-0054-03

电涌保护器，简称SPD，适用于雷击防护的设备，其内部功能构造使得它可以对瞬间增大的电压及电流进行适当的缓解，从而确保系统不会在雷击时遭受损坏。不过在现实生活中有一部分场合及时配备了高性能的电涌保护器，但是真正遇到雷击的问题，却无法发挥出应有的功能，配备安装意义不能充分实现。所以，假如说有系统配备了电涌保护器，并不能说明这个系统在遇到雷击状况时是绝对安全的。在一个系统当中，电涌保护器的位置并不是固定的，组合方式也不是单一不变的，并且通过不同工艺进行安装，所得到的结果也存在差异性，在投入使用之后电涌保护器也会体现出不同的效果。减小这些不利因素对SPD保护效果的影响，对工作环境要求较高的设备或较重要设备的保护而言尤为重要。

1 SPD的连接导线

1.1 连接导线的长度

SPD连接导线应平直敷设，尽可能短。当遇到雷击的情况下，电流会在电涌保护器的作用下传输到地表，这个时候电涌保护器自身还会存在部分残留的电压，它的存在对于之后设备的运行会带来一定的制约，见图1：

图1

在系统遭到雷击的时候，电流在经过电涌保护器的过程中，产生的残压可以表示如下：U=IR+L（di/dt）l

在上述公式里，I代表雷击所形成的电流（kA）；R代表线路中存在的电阻（Ω）；L代表线路单位长度中所存在的电感大小（通常情况下为1～1.5μH/m）；di/dt代表雷击形成电流的坡比大小（kA/μs）；l代表整个线路的长度（m）。

假如我们设雷击时形成的电流幅值大小是20kA，单位长度内线路中存在的电阻大小是0.01Ω，单位长度内线路中存在的电感大小是1.5μH/m，雷击形成电流的坡比大小是30kA/μs（这个数值最高能够有50kA/μs），那么根据以上的数据，代入公式计算出单位长度线路中接收的电压大小是：

20kA×0.01Ω+1.5μH/m×30kA/μs×1.0m=4.7kV

正常情况下，电子产品所能承受的电压差不多是1.5kV，假如是电涌保护器的线路长度过大的话，就会导致电子产品所接收的电压大小大于其所能承受的范围，这种情况下电涌保护器对于电子产品不仅无法发挥出应有的保护功能，还会带来更大的损害。所以，在进行电涌保护器的安装过程中，如果存在接地端距离过大的问题，要另外设置一个接地点到电涌保护器旁边，确保线路长度不会过大，同时可以选择采取“V”型的接线法来尽可能地使线路变短。

1.2 连接导线的截面积

1.2.1 线路所用导线的横截面大小同样会给其内部存在的电感带来一定的影响作用。

线路所用导线中存在的电感所带来的暂时性的电压降低值可用以下公式表示：UR=L0（di/dt）

在这个公式里面，di/dt代表雷击形成电流的坡比大小（kA/μs）；L0指的是线路中存在的电感大小。

通过上面的公式能够很明显地便显出线路电感和电压降低之间的关系，它们的数值变化成正比。

对于一段圆形截面的导体，其寄生电感L0可按下式估算：

L0=0.002H（2.303lg-0.75）

式中：

L0――连接导线寄生电感

H――导线长度

r――导体半径

由此可以看出：连接导线寄生电感不但与导线长度H有关，还与连接导线的半径r有关。因此，安装SPD时切不可因为节省材料而使用截面积较小的接地线。

1.2.2 连接导线的截面积影响SPD的泄流能力。金属导线的电阻R=ρL/S，ρ为导线电阻率，L为导线长度，S为导线截面积。金属导线的电阻R与导线的截面积S成反比，若导线截面积太小则会增加导线的电阻值从而影响SPD的泄流能力。

2 SPD的接入方法

在安装SPD时，通常将SPD直接并联接入配电系统。可以由图2和图3来比较“V”型接法与“T”型接法的差异：

图2 “V”型接法

图3 “T”型接法

（1）“V”型接法通过电源线的延伸部分来缩短安装连接线长度，减小与保护装置串联的寄生电感，从而减小影响设备的残压值US。

（2）“V”型接法通过减小连接导线所形成的感应回路面积来减小寄生电感，从而减小影响设备的残压值US。连接导线所形成的感应回路的寄生电感可估算为：

L0=0.2S[ln-（2ln+η）+]

式中：

L0――连接导线寄生电感

A――连接导线形成的感应回路面积

连接导线寄生电感产生的暂态压降为：

UR=L0（di/dt）

式中：

L0――连接导线寄生电感

di/dt――雷电流陡度（kA/μs）

由公式可以看出：感应回路的面积A越小，则ln越

大，寄生电感L0越小，连接导线寄生电感产生的暂态压降UR越小。

3 多级SPD之间的配置

在同一电路上，安装两个以上SPD时，应相互协调配合，共同分担施加在它们上面的雷电流，且每个SPD应能承受安装位置上可能出现的放电电流，避免SPD出现过负荷现象。

SPD根据所使用的非线性元件的特性分为电压开关型、电压限制型和组合型三种类型。电压开关型SPD为间隙放电型器件，无电涌时呈高阻状态，当冲击电压达到一定值突然变为低阻抗，如放电间隙、充气放电管等，其泄放雷电流能力大，特别适用于易遭受直接雷击部位的雷电过电压保护。电压限制型SPD在无电涌时呈高阻状态，随着冲击电流及电压的逐步提高，SPD的电阻持续下降，如压敏电阻、抑制二极管等，其抑制过电压能力好，在线路上使用的主要作用是限制过电压。由于电压开关型SPD具有泄流能力大、耐压能力强的特点，而从LPZ0A区进来的线路可能遭受直接雷击而带有部分雷电流，因此，一般在建筑物入口处选用通过I类测试的电压开关型SPD来泄放雷电流效果较好；后级电路仅携带感应电涌，通常选用通过II类测试的电压限制型SPD来限制因前级雷电能流泄放后在后级线路产生的高过电压效果较好。当雷电波来临时，由于前后两级SPD的触发条件可能不一样，前后两级SPD有可能不按我们的理想状态顺序触发，可以采用退耦元件来改变前级SPD的触发条件，实现SPD的顺序触发，以达到预期设计保护效果。

当然，根据所保护的对象的不同特点，可以采用多种多样的组合方式。例如：全部SPD的残压值相同，全部SPD具有连续的电流/电压特性的组合；第一级SPD具有不连续电流/电压特性，后续SPD具有连续的电流/电压特性的组合；第一级SPD采用电压开关型SPD，后续SPD采用电压限制型SPD的组合等等。不管哪种组合，最终目的就是以最快速度、最大限度地抑制雷电波产生的冲击电压和电涌电流，使末端的设备或人员处在安全的工作环境。

4 选择性能良好的SPD，严防SPD造成次生灾害

4.1 SPD的“热脱扣”问题

当冲击电压或电涌电流超过SPD所设计的最大承受能力时，会造成SPD失效或损坏，使线路发生短路或设备爆炸，因此，SPD必须具有失效模式，即失效之后的自我保护模式。SPD的失效模式有两种：开路和短路。处于开路模式时，SPD与配电系统完全断开，被保护设备将不再受到保护，因此SPD在开路模式时必须具有失效指示功能，以便及时更换失效的SPD，确保被保护设备的安全。SPD处于短路模式时，短路电流由配电系统流向失效的SPD，SPD将产生热能而引起燃烧，这种情况下，被保护系统应安装脱离装置――断路器，即我们常说的“热脱扣”。

电涌保护器的热脱扣结构通常是一个温度控制脱扣结构，在导电极与氧化锌压敏电阻连接的部位，使用低温焊锡材料进行焊接，当出现温度超限时，低温焊锡材料熔化，连接部位在储能弹簧的作用下，使其迅速分离脱扣，断开与电源的连接，同时带动SPD失效指示块移动位置，从显示“正常”变为显示“失效”。目前大多数国产SPD的热脱扣技术还不是很成熟，温度达到临界温度或超过临界温度时，SPD不能及时与配电系统脱离，很容易造成SPD发热甚至爆炸，引发火灾。为了解决这个问题，可以在SPD的前端加装一个熔断器，但这个方法存在一定的缺陷，若第一个雷电波强度较强，熔断器动作，则SPD与整个系统就会断开，后续雷电波来时SPD就起不到保护作用。因此，每次雷击过后都要对所安装的SPD及熔断器等设施进行检查，特别是SPD出现发热、变黑等异常情况应及时更换。为了避免被保护设备由于SPD脱离而不再受保护，也可以将装有熔断器的SPD并联使用，即并联一个备用SPD，但这样做的成本过高，可以用于对重要设备的保护。

4.2 SPD的“漏电流”问题

在出现漏电流的情况下，SPD会在漏电流的作用下产生热量，导致出现温漂以及功能退化的问题，甚至会导致设备爆炸。

2008年初我国南方地区遭遇罕见的冰冻灾害天气，连续的低温天气使某SPD生产厂家按正常程序生产的SPD漏电流偏大，由于目前SPD厂家并未对出厂的SPD逐一进行性能测试，用户一般也没有条件对所使用的SPD进行性能测试，因此，这部分SPD由于漏电流过大持续工作而发热，一部分甚至发生爆炸。因此，小小的“漏电流”也可能引来大危害。反映电涌保护器的重要技术指标之一是在多次额定通流后的漏电流变化率，而不是初始漏电流的大小。一个合格的SPD初始漏电流一般不大，多数国产的电涌保护器初始漏电流都很小（多数小于5μA），但承受额定通流放电后，漏电流开始增大，并且随着放电次数的增加，漏电流持续增大，当漏电流增加到一定值时，SPD开始发热，劣化速度变快。因此，选择SPD时，关键是看其承受额定通流放电后漏电流的变化大小，而不应只注重其初始漏电流的大小。

5 结语

总的来说，在电涌保护器的应用过程中，要结合实际情况选择通过不同的方法安装不同的电涌保护器。在电涌保护器通过多级保护的情况下，各级电涌保护器应该进行紧密的配合衔接。通过精确的选择、科学的配置以及规范化的安装，实现电涌保护器功能得以充分体现的目的。

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