浪涌保护器的作用是什么？

Question

如题所述

Answer 1

1 电气设备的供电线路雷电感应保护要取得良好的防护作用，除了要有完善的电涌保护设计和采用质量合格的浪涌保护器（SPD）外，还取决于电源SPD的规范安装接线。SPD在并接到电源线路上时，与供电线路连接线称之为相线，与接地装置的接线端子连接线称之为地线。只有这两段连接线的长度和线径设计施工符合规范要求，电源SPD才能起到保护电气设备的良好效果。

2 关于安装电源SPD的接地线长度规定
浪涌保护器连接导线应短直，其总长度不宜大于0．5m.
电源线路的各级浪涌保护器（SPD）连接导线应平直，其长度不宜超过0．5m.

3 关于电源SPD接线长产生影响的分析

在防雷技术规范中规定，电源SPD连接导线长度不宜超过0.5m，这是因为，如果防雷施工不规范，安装电源SPD2接地导线过长，在雷击瞬间产生冲击暂态阻抗Z.由于阻抗Z的存在，雷击瞬间使电源SPD2设计的能量配合遭到破坏，可使电源SPD2的启动电压增加Zi3（kV），不能正常启动。

3．1 电源SPD接地线长度产生影响分析

供电系统多级防护能量配合有了正确设计，并不能保证在雷击瞬间多级SPD正常运作，还和施工规范安装有直接关系[4]。下文以开关型SPD和限压型SPD之间能量配合为例（见图1）进行简单分析。

如果防雷施工不规范，安装电源SPD2接地导线过长，在雷击瞬间产生冲击暂态阻抗Z.由于阻抗Z的存在，雷击瞬间使电源SPD2设计的能量配合遭到破坏，可使电源SPD2的启动电压增加Zi3（kV），不能正常启动。

3．2 电源SPD接地导线0.5m的计算结果

在防雷施工中，将电源SPD末级接地导线安装成6mm2 BVR导线，长度L=0.5m，电流散流线长度L=20m，土壤电阻率р=100 Ω•m,响应时间t=8μ末级电源SPD接地线长应小于0.5m，线径6mm2(d=2.7mm)，土壤电阻率50Ω•m，电源SPD额定放电电流按20kA计算,响应时间t=8μs，BVR导线电阻率ρ1=0.017Ω/m,其电阻为r=ρ1L/S=0.017×0.5/6=0.0014(Ω).其计算方法为[2]以下几种：

①冲击暂态分布电感量
LH=[2ρLog(2L2/d)]×10-7（1）
=[2×50×Log(2×0.5/2.7×10-3)]×10-7
=25.6×10-6(H)
②暂态冲击电阻量
R=（ρ/2πL1）×Log(2L2/d)（2）
其中，L1-土壤电阻率测试仪器测试线长度20（m）；
L2—末级电源SPD接地线长度0.5（m）.
=（50/2×3.14×20）×Log(2×0.5/2.7×10-3)=0.398×2.569
=1.02(Ω)
③冲击暂态阻抗Z
Z=(LHR/4t+Rr)1/2（3）
=[(25.6×10-6×1.02/4×8×10-6)+1.02×0.0014]1/2
=0.9(Ω)
可见，在雷击瞬间，接地线长为0.5m时，串接导泄流元件的阻抗为0.9(Ω)，不会影响泄流元件正常导通。

4 电源SPD2接地导线3m产生的影响

在防雷施工中，将电源SPD2接地导线安装成16 mm2 BVR导线，长度L=3m，土壤电阻率р=100Ω•m, 响应时间t=8μs,BVR导线电阻率ρ1=0.017Ω/m，其电阻为r=ρ1 L/S=0.017×3/16=0.003Ω/m，雷击电流按20kA计算，分流系数取5，则冲击暂态阻抗Z计算步骤为:

①冲击暂态分布电感量
LH=[2ρLog(2L/d)]×10-7
=[2×100×Log(2×3/4.5×10-3)]×10-7
=62.4×10-6(H)
②冲击暂态冲击电阻量
R=（ρ/2πL1）×Log(2L2/d)
=（100/2×3.14×20）×Log(2×3/4.5×10-3)
=2.55(Ω)
其中，L1-土壤电阻率测试仪器测试线长度20（m）；
L2—末级电源SPD接地线长度3（m）.
③冲击暂态阻抗Z
Z=(LHR/4t+Rr)1/2
=[(62.4×10-6×2.55/4×8×10-6)+2.55×0.003]1/2
=2.23(Ω)
当接地线长为3m时，雷击瞬间，串接导泄流元件的阻抗为2.23（Ω），致使泄流元件不能正常导通。
当雷电波形上升使末级电源SPD导通后，根据 参考文献[2]EC61312-1：1995雷电流分配有关条款假定：雷电流i的50%进入的各种设施，变压器低压侧三相五线供电线路n=5，分流系数取5，则在16mm2 BVR长度L=3m的导线上产生的瞬间脉冲幅度为[3]：
u=Z×（i/5）=2.23×(20/5)=8.92(kV)

可见，如果雷击瞬间末级电源SPD导通，由于接地导线3m产生瞬间脉冲幅度有8.92kV,其结果使电源SPD2对地的电压升高8.92kV,电源SPD2对地的电压升高8.92kV,使其有效保护水平增高到8.92kV，远远超出设备耐受能力。这就是施工不规范导致设备被击毁的原因之一。

5 某小学在雷击事故的原因分析

在某小学防雷施工中，将电源SPD接地导线安装成16mm2 BVR导线，长度L=30m，电流散流线长度l=20m，土壤电阻率р=100Ω•m，响应时间t=8μs,BVR导线电阻率ρ1=0.017Ω/m，其电阻为r=ρ1 L/S=0.017×30/16=0.03Ω，雷击电流按20kA计算，分流系数取5，则冲击暂态阻抗Z计算步骤为:
①冲击暂态分布电感量
LH=[2ρLog(2L/d)]×10-7
=[2×100×Log(2×30/4.5×10-3)]×10-7
=82.5×10-6(H)
②冲击暂态冲击电阻量
R=（ρ/2πl）×㏒(2L/d)
=（100/2×3.14×20）×log(2×30/4.5×10-3)
=3.28(Ω)
③冲击暂态阻抗Z
Z=(LHR/4t+Rr)1/2
=[(82.5×10-6×3.28/4×8×10-6)+3.28×0.003]1/2
=2.91(Ω)

则在16mm2 BVR长度L=30m的导线上，雷电导通时产生的瞬间脉冲幅度为：

u=Z×（i/5）=2.91×20/5)=11.64(kV)

某小学在设计综合防雷工程时做了三级防护，工程完工后半年时间内发生雷击事故，导致设备损坏。经多方查找和分析事故原因发现，由于是老式的电源配电箱，无等电位接地母排，一级电源SPD连接导线长度大约为30m，由于连接导线过长，在接地导线上产生的瞬间脉冲电压过高，使电源SPD对地的电压也过高。因为有了退耦元件，电源SPD对地的电压升高太多,导致SPD无法启动。即使能够启动，由于前一级SPD的限制电压进入下一级SPD或直接进入被保护设备，导致下一级SPD或被保护设备损坏，这就是施工不规范导致某级SPD不启动或某级SPD被击毁的主要原因之一。后来通过整改，在地网处将接地母排用40×4镀锌扁铁引至电源配电箱处，这样连接导线长度低于0.5m，以后没有出现雷击事故。

可见，在雷击瞬间，由于连接导线0.5m产生瞬间脉冲幅度有3.6kV,雷击瞬间由于连接导线3m产生瞬间脉冲幅度有8.92kV，雷击瞬间由于连接导线30m产生瞬间脉冲幅度有11.64kV,其结果说明，连接导线越长，在接地导线上产生的瞬间脉冲电压越高，使电源SPD对地的电压也越高。因为有了退耦元件，电源SPD对地的电压升高太多,导致SPD无法启动。即使能够启动，由于前一级SPD的限制电压进入下一级SPD或直接进入被保护设备，导致下一级SPD或被保护设备损坏。另外，说明接地线和连接线越长，阻抗就越高，所产生的残压也就随之增加，残压过高易引发后端设备损坏。所以连接线和接地线是越短越好。这是施工不规范导致某级SPD不启动或某级SPD被击毁的原因之一。

6 实现0．5m原则的解决办法

（1）当采用模块式电源SPD时，用轨道安装的电源SPD连接线一般易满足小于0．5m.

（2）当采用箱式电源SPD时，接地线很长。解决的办法是用40×4的扁钢将接地线接到配电箱的接地排上，电源SPD的接地线就小于0．5m，以达到防雷规范要求。

（3）采用凯文接线法，在防雷上凯文汇流排是凯文接线的一种汇流形式，如果SPD的接线距离等于零，就是标准的凯文接线，凯文接线的优点是消灭接线电缆上因雷电流通过时自身的寄生电阻电感产生的电压降再附加给被保护设备负载的一种方式，这也是国家国际标准要求的。

7 结束语

由上述计算和分析可以看出，SPD连接地线长度对SPD雷击瞬间启动有很大的影响。通过计算得出：在雷击瞬间接地线长为0.5m时，串接导泄流元件的阻抗为0.9(Ω)，不会影响泄流元件正常导通；当接地线长为3m时，遭到雷击的瞬间，串接导泄流元件的阻抗为2.23(Ω)，就使泄流元件不能正常导通；在某小学防雷施工中，将电源SPD接地导线安装成16mm2 ，BVR导线长度L=30m时，发生了雷击事故。

因此，工程设计师和施工人员不但要对每一项工程进行规范设计，还一定要按照规范施工。SPD接地线长度需符合防雷规范的要求，且尽量短而直。