摘要：在SPD安裝工程中， SPD接地線的安裝往往被忽視，如接地線過(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)凱文式接線法及運(yùn)用多條并聯(lián)導(dǎo)線等方法解決此類問(wèn)題。

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

　　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)憂了，往往容易不重視或忽視SPD接地線的問(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接地線的問(wèn)題在作祟。

　　2.SPD接地線過(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(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)線的電感。假設(shè)UP為1.5kV，兩端導(dǎo)線長(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)明書和防雷規(guī)范中，對(duì)于接地線的線徑和長(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接地線的長(zhǎng)度。

　　3. 運(yùn)用凱文接線法縮短接地線

　　凱文接線法是將保護(hù)支路或保護(hù)元件與被保護(hù)系統(tǒng)線路的并聯(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)線路來(lái)縮短保護(hù)支路的接地線長(zhǎng)度。圖1是SPD凱文接線法原理圖。 由圖可見，SPD連接線及接地線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 凱文接線法原理圖

　　圖2(a)是一個(gè)比較常見的在配電柜中安裝SPD的實(shí)例示意圖。按照該圖中的接地線方法，SPD兩端接地線的長(zhǎng)度顯然不能滿足規(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，用凱文接線法對(duì)SPD接地線進(jìn)行重新布置。這里將接地干線與SPD的接地端連接后再通過(guò)大截面的引線與接地母排相連接，作用仍然是為了避開SPD接地引線電感產(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)中由于母線線徑很大(或采用銅排)，而SPD的接線端子容量有限，無(wú)法作此種方式連接。另外，由于凱文接線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)線泄放雷電流

　　金屬導(dǎo)線的電感主要由導(dǎo)線導(dǎo)體截面的幾何形狀及導(dǎo)線的長(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)線電感，以及估算出在8/20μs、20kA浪涌電壓作用下導(dǎo)線電感可能產(chǎn)生的壓降：

　　表1 不同截面和長(zhǎng)度的導(dǎo)線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接地線長(zhǎng)度確實(shí)不能滿足要求時(shí)，安裝人員一般通過(guò)增大接地線截面的方法進(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)線截面減少接地線電感時(shí)我們可以考慮用另外一種方法代替，即采用多條導(dǎo)線組成并聯(lián)導(dǎo)線束(相互絕緣)來(lái)代替一根粗導(dǎo)線。這種方法主要有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)通過(guò)多條導(dǎo)線分流，提供多條并聯(lián)的雷電流泄放路徑，減小每條導(dǎo)線上的雷電流負(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)線電感(17.16μH)要小很多;

　　(3)增加導(dǎo)線的有效通流截面。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)線截面積的增大愈加明顯。就是說(shuō)導(dǎo)線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)線和10 mm2導(dǎo)線為例比較，4根2.5 mm2導(dǎo)線與10 mm2導(dǎo)線的總截面積一樣，但是4根2.5 mm2導(dǎo)線的截面周長(zhǎng)和為22.4 mm，而1根10 mm2導(dǎo)線的截面周長(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的接地線可采用多芯聚氯乙烯絕緣或橡膠軟線或多芯電纜代替單芯聚氯乙烯絕緣軟線作為浪涌保護(hù)器的接地線(包括相線、中性線和地線)。

　　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的接地線問(wèn)題必須引起我們足夠的注意。現(xiàn)今防雷界如凱文接線法這類的各種新技術(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