摘要：在SPD安裝工程中， SPD接地線(xiàn)的安裝往往被忽視，如接地線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)、連接方式不合理等。本文通過(guò)計(jì)算，指出SPD接地線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)帶來(lái)的危害，并簡(jiǎn)單介紹如何通過(guò)凱文式接線(xiàn)法及運(yùn)用多條并聯(lián)導(dǎo)線(xiàn)等方法解決此類(lèi)問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞：SPD,接地線(xiàn),凱文接線(xiàn)法,多條并聯(lián)導(dǎo)線(xiàn)

　　1.引言

　　根據(jù)歷年雷擊災(zāi)害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，感應(yīng)雷引起的雷擊事故(電氣電子設(shè)備損壞或故障)占了事故總數(shù)的絕大多數(shù)。而防御感應(yīng)雷的一個(gè)重要手段就是安裝SPD。但是某些用戶(hù)或工程人員對(duì)SPD的理解存在偏差，以為只要裝上SPD就可以高枕無(wú)憂(yōu)了，往往容易不重視或忽視SPD接地線(xiàn)的問(wèn)題，導(dǎo)致安裝SPD后雷擊事故仍頻頻發(fā)生，多次更換SPD也無(wú)法解決，這其實(shí)有可能就是SPD接地線(xiàn)的問(wèn)題在作祟。

　　2.SPD接地線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)的危害

　　根據(jù)電路理論，任何導(dǎo)體都同時(shí)具有電阻、電感和電容。同樣截面的導(dǎo)體，其長(zhǎng)度越長(zhǎng)電感就越大。一般來(lái)說(shuō)，每米長(zhǎng)的直導(dǎo)線(xiàn)(直徑在0.5mm~2mm范圍)電感約為一到幾個(gè)微亨(μH)。而在交變電路中，導(dǎo)體的電壓降和電流變化速率及導(dǎo)體電感有關(guān)。電感越大，電壓降就隨著電感呈指數(shù)型增大。

　　雷電流屬于高頻電流，完全適用于上述理論。雷電暫態(tài)電流的變化很大，能夠在接地線(xiàn)微小的電感上產(chǎn)生足夠危險(xiǎn)的電壓降。在雷電流作用時(shí)，保護(hù)支路兩端的實(shí)際箝位電壓Uc由兩部分組成：

　　上式中Up為SPD自身的箝位電壓，L1、L2分別為SPD兩端導(dǎo)線(xiàn)的電感。假設(shè)UP為1.5kV，兩端導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)分別為1m和2m。另?yè)?jù)GB/T 21431-2008《建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》第5.8.1.2.1款規(guī)定：“∆U為SPD兩端引線(xiàn)上產(chǎn)生的電壓，一般取1kV/m(8/20μs 20kA 時(shí))。”上式可以簡(jiǎn)化為：

　　Uc=1.5+1+2=4.5(kv)

　　也就是說(shuō)，在這一假設(shè)條件下的雷電流過(guò)程中，SPD實(shí)際提供的電壓保護(hù)水平是4.5kV,其中SPD接地線(xiàn)造成的電壓降就為3kV，是SPD本身箝位電壓的2倍。

　　為了保證SPD能在暫態(tài)過(guò)電壓的作用下及時(shí)而可靠地限壓，在防雷器的安裝說(shuō)明書(shū)和防雷規(guī)范中，對(duì)于接地線(xiàn)的線(xiàn)徑和長(zhǎng)度都有明確的要求。如：GB50343規(guī)定:“浪涌保護(hù)器連接導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)平直,其長(zhǎng)度不宜大于0.5m”;GB 50057規(guī)定:電涌保護(hù)器的最大箝壓加上其兩端引線(xiàn)上的感應(yīng)電壓應(yīng)與所屬系統(tǒng)的基本絕緣水平和設(shè)備允許的最大電涌電壓協(xié)調(diào)一致。

　　實(shí)際工作中由于SPD或被保護(hù)設(shè)備的位置原因，SPD接地線(xiàn)有時(shí)很難達(dá)到規(guī)范的要求。在這些情況下，我們可以運(yùn)用一些特別的形式“縮短”SPD接地線(xiàn)的長(zhǎng)度。

　　3. 運(yùn)用凱文接線(xiàn)法縮短接地線(xiàn)

　　凱文接線(xiàn)法是將保護(hù)支路或保護(hù)元件與被保護(hù)系統(tǒng)線(xiàn)路的并聯(lián)連接點(diǎn)盡量靠近保護(hù)元件的兩引頭端來(lái)設(shè)置。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這種做法就是通過(guò)合理地延伸系統(tǒng)線(xiàn)路來(lái)縮短保護(hù)支路的接地線(xiàn)長(zhǎng)度。圖1是SPD凱文接線(xiàn)法原理圖。 由圖可見(jiàn)，SPD連接線(xiàn)及接地線(xiàn)上的電感有一部份從與SPD串聯(lián)的位置移到被保護(hù)設(shè)備的電源或信號(hào)線(xiàn)上去，這樣在保護(hù)支路中的電感就可以得到較大幅度的縮小。

　　圖1 凱文接線(xiàn)法原理圖

　　圖2(a)是一個(gè)比較常見(jiàn)的在配電柜中安裝SPD的實(shí)例示意圖。按照該圖中的接地線(xiàn)方法，SPD兩端接地線(xiàn)的長(zhǎng)度顯然不能滿(mǎn)足規(guī)范要求。如圖2(b)所示，在不改變配電柜內(nèi)原有元件布置的情況下，用凱文接線(xiàn)法對(duì)SPD接地線(xiàn)進(jìn)行重新布置。這里將接地干線(xiàn)與SPD的接地端連接后再通過(guò)大截面的引線(xiàn)與接地母排相連接，作用仍然是為了避開(kāi)SPD接地引線(xiàn)電感產(chǎn)生的電壓降和由于接地電阻產(chǎn)生的電壓降。

　　圖2 配電柜中凱文接線(xiàn)法實(shí)際應(yīng)用

　　以上例子是在比較理想的情況下對(duì)凱文接線(xiàn)法的運(yùn)用，但是并不是所有地方都可以采用該方法，它的最大缺陷是在大容量的配電系統(tǒng)中由于母線(xiàn)線(xiàn)徑很大(或采用銅排)，而SPD的接線(xiàn)端子容量有限，無(wú)法作此種方式連接。另外，由于凱文接線(xiàn)法不可避免的增加了接頭的數(shù)量，這就增加了系統(tǒng)因接頭故障(接觸不良、接點(diǎn)氧化、松脫等)而發(fā)生意外的風(fēng)險(xiǎn)。但是由于該方法不因接線(xiàn)距離造成系統(tǒng)殘余電壓升高，我們需要根據(jù)實(shí)際情況選擇性地利用。

　　4.采用多條并聯(lián)導(dǎo)線(xiàn)泄放雷電流

　　金屬導(dǎo)線(xiàn)的電感主要由導(dǎo)線(xiàn)導(dǎo)體截面的幾何形狀及導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度有關(guān)。對(duì)于一段圓形截面的導(dǎo)體，其電感可按下式來(lái)估算：

　　上式中L0為電感(單位：μH)，l和r分別為導(dǎo)體的長(zhǎng)和半徑(單位：m)。下表為根據(jù)上式計(jì)算出的不同截面和長(zhǎng)度的導(dǎo)線(xiàn)電感，以及估算出在8/20μs、20kA浪涌電壓作用下導(dǎo)線(xiàn)電感可能產(chǎn)生的壓降：

　　表1 不同截面和長(zhǎng)度的導(dǎo)線(xiàn)電感及電感壓降估算

　　圓形截面的導(dǎo)體電感主要由其長(zhǎng)度H來(lái)決定，其半徑r對(duì)電感影響相對(duì)較小(相同長(zhǎng)度導(dǎo)線(xiàn)截面由1 mm2增加到10 mm2，電感才下降10%~15%)。實(shí)際SPD安裝工程中，當(dāng)SPD接地線(xiàn)長(zhǎng)度確實(shí)不能滿(mǎn)足要求時(shí)，安裝人員一般通過(guò)增大接地線(xiàn)截面的方法進(jìn)行彌補(bǔ)，通過(guò)上面的分析我們知道用增加截面積的辦法來(lái)減少接地線(xiàn)上的電壓降效果是很有限的。

　　當(dāng)由于條件限制不得不通過(guò)增加導(dǎo)線(xiàn)截面減少接地線(xiàn)電感時(shí)我們可以考慮用另外一種方法代替，即采用多條導(dǎo)線(xiàn)組成并聯(lián)導(dǎo)線(xiàn)束(相互絕緣)來(lái)代替一根粗導(dǎo)線(xiàn)。這種方法主要有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)通過(guò)多條導(dǎo)線(xiàn)分流，提供多條并聯(lián)的雷電流泄放路徑，減小每條導(dǎo)線(xiàn)上的雷電流負(fù)擔(dān);

　　(2)減小等效電感。以4根10米長(zhǎng)的2.5 mm2導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)為例，在不考慮它們之間的互感的情況下，它們的并聯(lián)后的等效電感降低為原來(lái)的1/4，即4.635μH。即使考慮到它們之間的互感，這個(gè)數(shù)值也要比同等長(zhǎng)度的10 mm2導(dǎo)線(xiàn)電感(17.16μH)要小很多;

　　(3)增加導(dǎo)線(xiàn)的有效通流截面。在交變電流(雷電流是大電流高頻交變脈沖波)的作用下，導(dǎo)體會(huì)呈現(xiàn)出集膚效應(yīng)。即導(dǎo)體中的電流在截面上的分布不均勻，表現(xiàn)為越靠近導(dǎo)體表面電流密度越大，而導(dǎo)體芯上的電流密度為零。此種特性隨電流交變頻率、強(qiáng)度、導(dǎo)線(xiàn)截面積的增大愈加明顯。就是說(shuō)導(dǎo)線(xiàn)在交變電流情況下呈現(xiàn)出空心狀態(tài)，可以把它看成一根空心的管子，僅用其管壁來(lái)傳導(dǎo)電流。在雷電流的極端條件下，我們可以假定管壁的厚度都是一樣的，那么此時(shí)導(dǎo)線(xiàn)的有效通流截面就由其截面周長(zhǎng)決定。仍以2.5 mm2導(dǎo)線(xiàn)和10 mm2導(dǎo)線(xiàn)為例比較，4根2.5 mm2導(dǎo)線(xiàn)與10 mm2導(dǎo)線(xiàn)的總截面積一樣，但是4根2.5 mm2導(dǎo)線(xiàn)的截面周長(zhǎng)和為22.4 mm，而1根10 mm2導(dǎo)線(xiàn)的截面周長(zhǎng)為11.21 mm，即有效通流截面僅為前者的50% 。

　　如果工程條件和投資允許，SPD的接地線(xiàn)可采用多芯聚氯乙烯絕緣或橡膠軟線(xiàn)或多芯電纜代替單芯聚氯乙烯絕緣軟線(xiàn)作為浪涌保護(hù)器的接地線(xiàn)(包括相線(xiàn)、中性線(xiàn)和地線(xiàn))。

　　5.結(jié)語(yǔ)

　　SPD的安裝雖然是個(gè)老生常談的問(wèn)題，但是每年還是有不少設(shè)備因?yàn)镾PD限壓水平不夠或來(lái)不及動(dòng)作而損壞，因此SPD的接地線(xiàn)問(wèn)題必須引起我們足夠的注意�，F(xiàn)今防雷界如凱文接線(xiàn)法這類(lèi)的各種新技術(shù)、新方法不斷涌現(xiàn)。這也促使我們從事防雷工作的人員通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)，提高防雷技術(shù)，盡最大的努力保障防雷工程質(zhì)量。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB 50343-2004

　　[2]《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50057-94(2000 版)

　　[3] 張小青 編.建筑物內(nèi)電子設(shè)備的防雷保護(hù).北京:北京電子工業(yè)出版社,2002

　　[4] 梅衛(wèi)群,江燕如 編.建筑防雷工程與設(shè)計(jì).北京:氣象出版社,2004