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摘要：在SPD安装工程中， SPD接地线的安装往往被忽视，如接地线过长、连接方式不合理等。本文通过计算，指出SPD接地线过长带来的危害，并简单介绍如何通过凯文式接线法及运用多条并联导线等方法解决此类问题。
关键词：SPD 接地线 凯文接线法 多条并联导线
Abstract: in the SPD installation engineering, the installation of ground wire SPD often is ignored, such as grounding line is too long, connecting method is not reasonable, etc. In this article, through calculation, and points out that the SPD grounding line too long brought harm, and simple introduces how to through the Kevin type wiring method and application methods of multiple parallel conductors to solve such problem.
Keywords: SPD ground Kevin wiring method more parallel conductors
中圖分类号： U264.7+4文献标识码：A文章编号：
1.引言
根据历年雷击灾害统计数据，感应雷引起的雷击事故（电气电子设备损坏或故障）占了事故总数的绝大多数。而防御感应雷的一个重要手段就是安装SPD。但是某些用户或工程人员对SPD的理解存在偏差，以为只要装上SPD就可以高枕无忧了，往往容易不重视或忽视SPD接地线的问题，导致安装SPD后雷击事故仍频频发生，多次更换SPD也无法解决，这其实有可能就是SPD接地线的问题在作祟。
2.SPD接地线过长的危害
根据电路理论，任何导体都同时具有电阻、电感和电容。同样截面的导体，其长度越长电感就越大。一般来说，每米长的直导线（直径在0.5mm~2mm范围）电感约为一到几个微亨（μH）。而在交变电路中，导体的电压降和电流变化速率及导体电感有关。电感越大，电压降就随着电感呈指数型增大。
雷电流属于高频电流，完全适用于上述理论。雷电暂态电流的变化很大，能够在接地线微小的电感上产生足够危险的电压降。在雷电流作用时，保护支路两端的实际箝位电压Uc由两部分组成：
上式中Up为SPD自身的箝位电压，L1、L2分别为SPD两端导线的电感。假设UP为1.5kV，两端导线长分别为1m和2m。另据GB/T 21431-2008《建筑物防雷装置检测技术规范》第5.8.1.2.1款规定：“∆U为SPD两端引线上产生的电压，一般取1kV/m（8/20μs 20kA 时）。”上式可以简化为：
Uc=1.5+1+2=4.5（kv）
也就是说，在这一假设条件下的雷电流过程中，SPD实际提供的电压保护水平是4.5kV,其中SPD接地线造成的电压降就为3kV，是SPD本身箝位电压的2倍。
为了保证SPD能在暂态过电压的作用下及时而可靠地限压，在防雷器的安装说明书和防雷规范中，对于接地线的线径和长度都有明确的要求。如：GB50343规定:“浪涌保护器连接导线应平直,其长度不宜大于0.5m”；GB 50057规定:电涌保护器的最大箝压加上其两端引线上的感应电压应与所属系统的基本绝缘水平和设备允许的最大电涌电压协调一致。
实际工作中由于SPD或被保护设备的位置原因，SPD接地线有时很难达到规范的要求。在这些情况下，我们可以运用一些特别的形式“缩短”SPD接地线的长度。
3. 运用凯文接线法缩短接地线
凯文接线法是将保护支路或保护元件与被保护系统线路的并联连接点尽量靠近保护元件的两引头端来设置。简单来说，这种做法就是通过合理地延伸系统线路来缩短保护支路的接地线长度。图1是SPD凯文接线法原理图。 由图可见，SPD连接线及接地线上的电感有一部份从与SPD串联的位置移到被保护设备的电源或信号线上去，这样在保护支路中的电感就可以得到较大幅度的缩小。
图2（a）是一个比较常见的在配电柜中安装SPD的实例示意图。按照该图中的接地线方法，SPD两端接地线的长度显然不能满足规范要求。如图2（b）所示，在不改变配电柜内原有元件布置的情况下，用凯文接线法对SPD接地线进行重新布置。这里将接地干线与SPD的接地端连接后再通过大截面的引线与接地母排相连接，作用仍然是为了避开SPD接地引线电感产生的电压降和由于接地电阻产生的电压降。
以上例子是在比较理想的情况下对凯文接线法的运用，但是并不是所有地方都可以采用该方法，它的最大缺陷是在大容量的配电系统中由于母线线径很大（或采用铜排），而SPD的接线端子容量有限，无法作此种方式连接。另外，由于凯文接线法不可避免的增加了接头的数量，这就增加了系统因接头故障（接触不良、接点氧化、松脱等）而发生意外的风险。但是由于该方法不因接线距离造成系统残余电压升高，我们需要根据实际情况选择性地利用。
4.采用多条并联导线泄放雷电流
金属导线的电感主要由导线导体截面的几何形状及导线的长度有关。对于一段圆形截面的导体，其电感可按下式来估算：
上式中L0为电感（单位：μH），l和r分别为导体的长和半径（单位：m）。下表为根据上式计算出的不同截面和长度的导线电感，以及估算出在8/20μs、20kA浪涌电压作用下导线电感可能产生的压降：
圆形截面的导体电感主要由其长度H来决定，其半径r对电感影响相对较小（相同长度导线截面由1 mm2增加到10 mm2，电感才下降10%~15%）。实际SPD安装工程中，当SPD接地线长度确实不能满足要求时，安装人员一般通过增大接地线截面的方法进行弥补，通过上面的分析我们知道用增加截面积的办法来减少接地线上的电压降效果是很有限的。
当由于条件限制不得不通过增加导线截面减少接地线电感时我们可以考虑用另外一种方法代替，即采用多条导线组成并联导线束（相互绝缘）来代替一根粗导线。这种方法主要有三个优点：
（1）通过多条导线分流，提供多条并联的雷电流泄放路径，减小每条导线上的雷电流负担；
（2）减小等效电感。以4根10米长的2.5 mm2导线并联为例，在不考虑它们之间的互感的情况下，它们的并联后的等效电感降低为原来的1/4，即4.635μH。即使考虑到它们之间的互感，这个数值也要比同等长度的10 mm2导线电感（17.16μH）要小很多；
（3）增加导线的有效通流截面。在交变电流（雷电流是大电流高频交变脉冲波）的作用下，导体会呈现出集肤效应。即导体中的电流在截面上的分布不均匀，表现为越靠近导体表面电流密度越大，而导体芯上的电流密度为零。此种特性随电流交变频率、强度、导线截面积的增大愈加明显。就是说导线在交变电流情况下呈现出空心状态，可以把它看成一根空心的管子，仅用其管壁来传导电流。在雷电流的极端条件下，我们可以假定管壁的厚度都是一样的，那么此时导线的有效通流截面就由其截面周长决定。仍以2.5 mm2导线和10 mm2导线为例比较，4根2.5 mm2导线与10 mm2导线的总截面积一样，但是4根2.5 mm2导线的截面周长和为22.4 mm，而1根10 mm2导线的截面周长为11.21 mm，即有效通流截面仅为前者的50% 。
如果工程条件和投资允许，SPD的接地线可采用多芯聚氯乙烯绝缘或橡胶软线或多芯电缆代替单芯聚氯乙烯绝缘软线作为浪涌保护器的接地线（包括相线、中性线和地线）。
5.结语
SPD的安装虽然是个老生常谈的问题，但是每年还是有不少设备因为SPD限压水平不够或来不及动作而损坏，因此SPD的接地线问题必须引起我们足够的注意。现今防雷界如凯文接线法这类的各种新技术、新方法不断涌现。这也促使我们从事防雷工作的人员通过不断的学习，提高防雷技术，尽最大的努力保障防雷工程质量。
参考文献：
[1]《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB 50343-2004
[2]《建筑物防雷设计规范》GB 50057-94（2000 版）
[3] 张小青 编.建筑物内电子设备的防雷保护.北京:北京电子工业出版社,2002
[4] 梅卫群,江燕如 编.建筑防雷工程与设计.北京:气象出版社,2004
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：SPD 接地线 凯文接线法 多条并联导线
Abstract: in the SPD installation engineering, the installation of ground wire SPD often is ignored, such as grounding line is too long, connecting method is not reasonable, etc. In this article, through calculation, and points out that the SPD grounding line too long brought harm, and simple introduces how to through the Kevin type wiring method and application methods of multiple parallel conductors to solve such problem.
Keywords: SPD ground Kevin wiring method more parallel conductors
中圖分类号： U264.7+4文献标识码：A文章编号：
1.引言
根据历年雷击灾害统计数据，感应雷引起的雷击事故（电气电子设备损坏或故障）占了事故总数的绝大多数。而防御感应雷的一个重要手段就是安装SPD。但是某些用户或工程人员对SPD的理解存在偏差，以为只要装上SPD就可以高枕无忧了，往往容易不重视或忽视SPD接地线的问题，导致安装SPD后雷击事故仍频频发生，多次更换SPD也无法解决，这其实有可能就是SPD接地线的问题在作祟。
2.SPD接地线过长的危害
根据电路理论，任何导体都同时具有电阻、电感和电容。同样截面的导体，其长度越长电感就越大。一般来说，每米长的直导线（直径在0.5mm~2mm范围）电感约为一到几个微亨（μH）。而在交变电路中，导体的电压降和电流变化速率及导体电感有关。电感越大，电压降就随着电感呈指数型增大。
雷电流属于高频电流，完全适用于上述理论。雷电暂态电流的变化很大，能够在接地线微小的电感上产生足够危险的电压降。在雷电流作用时，保护支路两端的实际箝位电压Uc由两部分组成：
上式中Up为SPD自身的箝位电压，L1、L2分别为SPD两端导线的电感。假设UP为1.5kV，两端导线长分别为1m和2m。另据GB/T 21431-2008《建筑物防雷装置检测技术规范》第5.8.1.2.1款规定：“∆U为SPD两端引线上产生的电压，一般取1kV/m（8/20μs 20kA 时）。”上式可以简化为：
Uc=1.5+1+2=4.5（kv）
也就是说，在这一假设条件下的雷电流过程中，SPD实际提供的电压保护水平是4.5kV,其中SPD接地线造成的电压降就为3kV，是SPD本身箝位电压的2倍。
为了保证SPD能在暂态过电压的作用下及时而可靠地限压，在防雷器的安装说明书和防雷规范中，对于接地线的线径和长度都有明确的要求。如：GB50343规定:“浪涌保护器连接导线应平直,其长度不宜大于0.5m”；GB 50057规定:电涌保护器的最大箝压加上其两端引线上的感应电压应与所属系统的基本绝缘水平和设备允许的最大电涌电压协调一致。
实际工作中由于SPD或被保护设备的位置原因，SPD接地线有时很难达到规范的要求。在这些情况下，我们可以运用一些特别的形式“缩短”SPD接地线的长度。
3. 运用凯文接线法缩短接地线
凯文接线法是将保护支路或保护元件与被保护系统线路的并联连接点尽量靠近保护元件的两引头端来设置。简单来说，这种做法就是通过合理地延伸系统线路来缩短保护支路的接地线长度。图1是SPD凯文接线法原理图。 由图可见，SPD连接线及接地线上的电感有一部份从与SPD串联的位置移到被保护设备的电源或信号线上去，这样在保护支路中的电感就可以得到较大幅度的缩小。
图2（a）是一个比较常见的在配电柜中安装SPD的实例示意图。按照该图中的接地线方法，SPD两端接地线的长度显然不能满足规范要求。如图2（b）所示，在不改变配电柜内原有元件布置的情况下，用凯文接线法对SPD接地线进行重新布置。这里将接地干线与SPD的接地端连接后再通过大截面的引线与接地母排相连接，作用仍然是为了避开SPD接地引线电感产生的电压降和由于接地电阻产生的电压降。
以上例子是在比较理想的情况下对凯文接线法的运用，但是并不是所有地方都可以采用该方法，它的最大缺陷是在大容量的配电系统中由于母线线径很大（或采用铜排），而SPD的接线端子容量有限，无法作此种方式连接。另外，由于凯文接线法不可避免的增加了接头的数量，这就增加了系统因接头故障（接触不良、接点氧化、松脱等）而发生意外的风险。但是由于该方法不因接线距离造成系统残余电压升高，我们需要根据实际情况选择性地利用。
4.采用多条并联导线泄放雷电流
金属导线的电感主要由导线导体截面的几何形状及导线的长度有关。对于一段圆形截面的导体，其电感可按下式来估算：
上式中L0为电感（单位：μH），l和r分别为导体的长和半径（单位：m）。下表为根据上式计算出的不同截面和长度的导线电感，以及估算出在8/20μs、20kA浪涌电压作用下导线电感可能产生的压降：
圆形截面的导体电感主要由其长度H来决定，其半径r对电感影响相对较小（相同长度导线截面由1 mm2增加到10 mm2，电感才下降10%~15%）。实际SPD安装工程中，当SPD接地线长度确实不能满足要求时，安装人员一般通过增大接地线截面的方法进行弥补，通过上面的分析我们知道用增加截面积的办法来减少接地线上的电压降效果是很有限的。
当由于条件限制不得不通过增加导线截面减少接地线电感时我们可以考虑用另外一种方法代替，即采用多条导线组成并联导线束（相互绝缘）来代替一根粗导线。这种方法主要有三个优点：
（1）通过多条导线分流，提供多条并联的雷电流泄放路径，减小每条导线上的雷电流负担；
（2）减小等效电感。以4根10米长的2.5 mm2导线并联为例，在不考虑它们之间的互感的情况下，它们的并联后的等效电感降低为原来的1/4，即4.635μH。即使考虑到它们之间的互感，这个数值也要比同等长度的10 mm2导线电感（17.16μH）要小很多；
（3）增加导线的有效通流截面。在交变电流（雷电流是大电流高频交变脉冲波）的作用下，导体会呈现出集肤效应。即导体中的电流在截面上的分布不均匀，表现为越靠近导体表面电流密度越大，而导体芯上的电流密度为零。此种特性随电流交变频率、强度、导线截面积的增大愈加明显。就是说导线在交变电流情况下呈现出空心状态，可以把它看成一根空心的管子，仅用其管壁来传导电流。在雷电流的极端条件下，我们可以假定管壁的厚度都是一样的，那么此时导线的有效通流截面就由其截面周长决定。仍以2.5 mm2导线和10 mm2导线为例比较，4根2.5 mm2导线与10 mm2导线的总截面积一样，但是4根2.5 mm2导线的截面周长和为22.4 mm，而1根10 mm2导线的截面周长为11.21 mm，即有效通流截面仅为前者的50% 。
如果工程条件和投资允许，SPD的接地线可采用多芯聚氯乙烯绝缘或橡胶软线或多芯电缆代替单芯聚氯乙烯绝缘软线作为浪涌保护器的接地线（包括相线、中性线和地线）。
5.结语
SPD的安装虽然是个老生常谈的问题，但是每年还是有不少设备因为SPD限压水平不够或来不及动作而损坏，因此SPD的接地线问题必须引起我们足够的注意。现今防雷界如凯文接线法这类的各种新技术、新方法不断涌现。这也促使我们从事防雷工作的人员通过不断的学习，提高防雷技术，尽最大的努力保障防雷工程质量。
参考文献：
[1]《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB 50343-2004
[2]《建筑物防雷设计规范》GB 50057-94（2000 版）
[3] 张小青 编.建筑物内电子设备的防雷保护.北京:北京电子工业出版社,2002
[4] 梅卫群,江燕如 编.建筑防雷工程与设计.北京:气象出版社,2004
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。