摘要：在SPD安裝工程中， SPD接地線的安裝往往被忽視，如接地線過長、連接方式不合理等。本文通過計算，指出SPD接地線過長帶來的危害，并簡單介紹如何通過凱文式接線法及運用多條并聯導線等方法解決此類問題。

　　關鍵詞：SPD,接地線,凱文接線法,多條并聯導線

　　1.引言

　　根據歷年雷擊災害統計數據，感應雷引起的雷擊事故(電氣電子設備損壞或故障)占了事故總數的絕大多數。而防御感應雷的一個重要手段就是安裝SPD。但是某些用戶或工程人員對SPD的理解存在偏差，以為只要裝上SPD就可以高枕無憂了，往往容易不重視或忽視SPD接地線的問題，導致安裝SPD后雷擊事故仍頻頻發生，多次更換SPD也無法解決，這其實有可能就是SPD接地線的問題在作祟。

　　2.SPD接地線過長的危害

　　根據電路理論，任何導體都同時具有電阻、電感和電容。同樣截面的導體，其長度越長電感就越大。一般來說，每米長的直導線(直徑在0.5mm~2mm范圍)電感約為一到幾個微亨(μH)。而在交變電路中，導體的電壓降和電流變化速率及導體電感有關。電感越大，電壓降就隨著電感呈指數型增大。

　　雷電流屬于高頻電流，完全適用于上述理論。雷電暫態電流的變化很大，能夠在接地線微小的電感上產生足夠危險的電壓降。在雷電流作用時，保護支路兩端的實際箝位電壓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兩端導線的電感。假設UP為1.5kV，兩端導線長分別為1m和2m。另據GB/T 21431-2008《建筑物防雷裝置檢測技術規范》第5.8.1.2.1款規定：“∆U為SPD兩端引線上產生的電壓，一般取1kV/m(8/20μs 20kA 時)。”上式可以簡化為：

　　Uc=1.5+1+2=4.5(kv)

　　也就是說，在這一假設條件下的雷電流過程中，SPD實際提供的電壓保護水平是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能在暫態過電壓的作用下及時而可靠地限壓，在防雷器的安裝說明書和防雷規范中，對于接地線的線徑和長度都有明確的要求。如：GB50343規定:“浪涌保護器連接導線應平直,其長度不宜大于0.5m”;GB 50057規定:電涌保護器的最大箝壓加上其兩端引線上的感應電壓應與所屬系統的基本絕緣水平和設備允許的最大電涌電壓協調一致。

　　實際工作中由于SPD或被保護設備的位置原因，SPD接地線有時很難達到規范的要求。在這些情況下，我們可以運用一些特別的形式“縮短”SPD接地線的長度。

　　3. 運用凱文接線法縮短接地線

　　凱文接線法是將保護支路或保護元件與被保護系統線路的并聯連接點盡量靠近保護元件的兩引頭端來設置。簡單來說，這種做法就是通過合理地延伸系統線路來縮短保護支路的接地線長度。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串聯的位置移到被保護設備的電源或信號線上去，這樣在保護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)是一個比較常見的在配電柜中安裝SPD的實例示意圖。按照該圖中的接地線方法，SPD兩端接地線的長度顯然不能滿足規范要求。如圖2(b)所示，在不改變配電柜內原有元件布置的情況下，用凱文接線法對SPD接地線進行重新布置。這里將接地干線與SPD的接地端連接后再通過大截面的引線與接地母排相連接，作用仍然是為了避開SPD接地引線電感產生的電壓降和由于接地電阻產生的電壓降。

　　圖2 配電柜中凱文接線法實際應用

　　以上例子是在比較理想的情況下對凱文接線法的運用，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量，這就增加了系統因接頭故障(接觸不良、接點氧化、松脫等)而發生意外的風險。但是由于該方法不因接線距離造成系統殘余電壓升高，我們需要根據實際情況選擇性地利用。

　　4.采用多條并聯導線泄放雷電流

　　金屬導線的電感主要由導線導體截面的幾何形狀及導線的長度有關。對于一段圓形截面的導體，其電感可按下式來估算：

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

　　表1 不同截面和長度的導線電感及電感壓降估算

　　圓形截面的導體電感主要由其長度H來決定，其半徑r對電感影響相對較小(相同長度導線截面由1 mm2增加到10 mm2，電感才下降10%~15%)。實際SPD安裝工程中，當SPD接地線長度確實不能滿足要求時，安裝人員一般通過增大接地線截面的方法進行彌補，通過上面的分析我們知道用增加截面積的辦法來減少接地線上的電壓降效果是很有限的。

　　當由于條件限制不得不通過增加導線截面減少接地線電感時我們可以考慮用另外一種方法代替，即采用多條導線組成并聯導線束(相互絕緣)來代替一根粗導線。這種方法主要有三個優點：

　　(1)通過多條導線分流，提供多條并聯的雷電流泄放路徑，減小每條導線上的雷電流負擔;

　　(2)減小等效電感。以4根10米長的2.5 mm2導線并聯為例，在不考慮它們之間的互感的情況下，它們的并聯后的等效電感降低為原來的1/4，即4.635μH。即使考慮到它們之間的互感，這個數值也要比同等長度的10 mm2導線電感(17.16μH)要小很多;

　　(3)增加導線的有效通流截面。在交變電流(雷電流是大電流高頻交變脈沖波)的作用下，導體會呈現出集膚效應。即導體中的電流在截面上的分布不均勻，表現為越靠近導體表面電流密度越大，而導體芯上的電流密度為零。此種特性隨電流交變頻率、強度、導線截面積的增大愈加明顯。就是說導線在交變電流情況下呈現出空心狀態，可以把它看成一根空心的管子，僅用其管壁來傳導電流。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，那么此時導線的有效通流截面就由其截面周長決定。仍以2.5 mm2導線和10 mm2導線為例比較，4根2.5 mm2導線與10 mm2導線的總截面積一樣，但是4根2.5 mm2導線的截面周長和為22.4 mm，而1根10 mm2導線的截面周長為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器的接地線(包括相線、中性線和地線)。

　　5.結語

　　SPD的安裝雖然是個老生常談的問題，但是每年還是有不少設備因為SPD限壓水平不夠或來不及動作而損壞，因此SPD的接地線問題必須引起我們足夠的注意。現今防雷界如凱文接線法這類的各種新技術、新方法不斷涌現。這也促使我們從事防雷工作的人員通過不斷的學習，提高防雷技術，盡最大的努力保障防雷工程質量。

　　參考文獻：

　　[1]《建筑物電子信息系統防雷技術規范》GB 50343-2004

　　[2]《建筑物防雷設計規范》GB 50057-94(2000 版)

　　[3] 張小青 編.建筑物內電子設備的防雷保護.北京:北京電子工業出版社,2002

　　[4] 梅衛群,江燕如 編.建筑防雷工程與設計.北京:氣象出版社,2004