信号电涌保护器和电源电涌保护器防护效果研究

2026年09月11日 10:08:37 来源：云南昌晖仪表制造有限公司 >> 进入该公司展台阅读量：4

雷电发生时，雷击电磁脉冲会在线路上产生瞬态过电压过电流。一旦产生的过电压超过用电设备的绝缘耐冲击电压U_W，就会造成用电设备的故障甚至起火。为降低此类风险，可通过设置电涌保护器(Surge Protective Device，SPD)、电磁屏蔽、合理布线以及等电位连接等措施进行防护。其中，设置SPD的是一种可以在基础工程实施后采取的防护手段，一般安装在用电设备的前端，起到就近保护的作用，相当于“门神”。其防护原理是当雷电流出现时，SPD内部的非线性元器件能在极短的时间内导通，将雷电流经接地系统泄放到大地，同时将用电设备两端的电压限制在设备能接受的安全水平。

实际应用中，在安装了电压保护水平Up合适的SPD后，仍出现了用电设备损坏的现象，多是因为接线长度和方式的不合理，导致施加在用电设备上的有效电压保护水平Up/f过高，超过设备UW。而对于现场仪表使用的信号浪涌保护器SPD自带的导线长度，目前既没有相应的标准规范，也鲜有相关研究，厂家大多直接参照进口SPD的导线长度进行设计生产。本文基Up和UW关系的理论分析，分析导线长度对SPD保护效果的影响，通过测试给出了导线长度的建议。

1、电涌保护器SPD
1.1 电涌保护器工作原理
电涌保护器SPD内部包含至少一个非线性元件。当电涌出现时，SPD能在极短的时间导通，将电流泄放到地，其响应时间为ns级(10-9s)，而电涌的上升速度一般为μs级(10-6s)。因此，SPD可以把电压限制在安全的水平，起到保护设备的作用，可以把SPD理解为一个“瞬时接地设备”，对于不带电的物体，如设备外壳、管道、桥架等，一般直接接地，而对于带电的线路，必须通过SPD来“瞬时接地”。

电源电涌保护器

1.2 电涌保护器组成及分类
SPD内部常用的非线性元器件主要有瞬态抑制二极管(TVS)、压敏电阻(MOV)和气体放电管(GDT)。这几种元件中，TVS响应速度，但放电电流较小；GDT放电能力大，但是响应速度较慢；MOV的放电能力和响应速度均居中。

从应用的角度，SPD一般分为信号电涌保护器SPD和SPD。

信号电涌保护器SPD主要用于信号设备的雷电防护，如PLC、DCS、SCADA、变送器、流量计、电磁阀等，适用于AI、AO、DI、DO、RS485、RS232、RS422、热电阻、热电偶等信号，信号电涌保护器一般采用串联安装方式，采用GDT和TVS两级保护。

电源电涌保护器SPD主要用于供配电系统中用电设备的雷电防护，例如变压器、汇流箱、逆变器、充电桩、风力发电机组、UPS、盾构机、岸桥等，适用于直流电源，IT、TT、TN-C、TN-S等交流电源系统，电源电涌保护器一般采用并联安装，采用MOV单级保护。

1.3 电涌保护器关键参数
持续工作电压Uc表示可连续地施加在SPD保护模式上的交流电压有效值或直流电压，也称工作电压。SPD的Uc值必须高于系统可能出现的持续工作电压，否则会有持续的电流流经SPD，导致电涌来临前SPD就已经损坏，甚至可能引起火灾事故。

标称放电电流In表示流过SPD的8μs/20μs电流波形峰值，SPD能承受该电流冲击至少10次。

冲击放电电流Iimp表示在规定时间内流过SPD规定的电荷和规定的能量的电流波形，通常为10/350波形，SPD能承受该电流冲击至少1次。

电压保护水平Up表示由于施加规定陡度的冲击和规定幅值及波形的冲击电流而在SPD两端之间预期出现的电压，即In或Iimp冲击时的残压。

理论上，Up越小越好。但实际上，Up和Uc、Iimp有关。Uc越大或冲击电流越大，Up越大。

2、电源电涌保护器的Up与U_W关系的理论分析
2.1 用电设备的UW
UW反映了电子产品对过电压的耐受能力。低压配电系统和电子系统中的设备对外界的电压波动较为敏感，抗干扰能力较弱。220V/380V三相配电线路中各类别设备UW见表1，可以看到计算机UW仅为1.5kV。而工业场所所用设备信号端口，例如I/O信号端口根据标准要求承受1kV的电涌冲击，承受能力较弱，容易损坏。

2.2 电涌保护器的UP
Up反映了电涌保护器SPD限制电压的能力，是电涌保护器选型时的主要指标之一。

由总配电箱引入后级的线路，由于空间屏蔽等作用，可能遭受的过电压将逐渐减小，需要安装的SPD规格也可逐级降低，直到将过电压限制在被保护设备能承受的电压能力内。建筑物内部的线路上不同位置的设备可根据被保护设备的UW选择合适Up值的SPD，见表2。

UW和UP的匹配关系

SPD的Up与Uc、In、Iimp正相关，这也是为什么SPD要分级设置，要与设备Uw匹配的原因，另一方面也是出于经济性的考虑。昌晖仪表、辰竹等品牌SPD做了良好的设计与匹配，性能高、性价比好。

2.3 有效电压保护水平Up/f
Up/f在Up的础上算上了连接导线上的感应电压，即Up/f=ΔUL1+Up+ΔUL2，其中ΔUL1和ΔUL2为连接导线上的感应电压，如图1。有时设备Uw与SPD的Up已经做了匹配，但仍出现设备损坏的情况，往往就是因为忽略了导线上的感应电压降。

图1 有效电压保护水平UP/f

当SPD与被保护的用电设备之间的线路长度很短时，此时Up/f值近似于Up，当Up＜Uw，用电设备便能得到保护。当线路长度不大于10m时，这种情况在实际应用中更为常见，此时需要Up/f≤0.8Uw。当线路长度大于10m，如果建筑物已采取电磁屏蔽措施，那么可以忽略线路环路上的感应过电压，此时Up/f≤Uw/2即可。

可以看到，SPD与要保护的设备之间线路长度影响了Up/f和Uw之间的比例关系。这是因为SPD和被保护设备间的线路过长，尤其是超过10m时雷电的传播会产生振荡现象，那么设备端会产生振荡电压，导致设备端子上的电压升高。为保证设备端电压不超过设备Uw，就需要更低的Up/f值，才能保证雷电防护效果。

因此，雷电电涌发生时，要使得被保护设备两端的电压能限制在设备Uw值以下，不仅需要选用Up值较低的电涌保护器SPD，同时也应注意缩短连接SPD的导体长度和方式，如此才能得到有效的防护作用。

3、电源电涌保护器SPD的防护效果
目前来看，品牌的电源SPD其Up能满足要求并留有余量，同时达到雷电流冲击能力的要求。在实际使用当中，导线的连接长度、接线方式显得尤为重要。实际安装时，连接导线应平直，且尽可能短。并联安装的电源SPD的接地线(包括上引线和下引线)总长度L应不超过0.5m。按照一般接线方式(见图2)，L为3段导线的总长L=a+b+c 。为此在实际使用中，推荐采用凯文接线方式(V型接线法，见图3)，此时L仅为单段导线的长度。V型接线不会使接线导线产生由寄生电阻电感引起的电压降，从而降低了加在被保护设备上的过电压。

图2 SPD一般接线

图3 电涌保护器V型接线

综上，采用品牌与各级用电设备配备的电源电涌保护器SPD，通过较短的导线连接，结合V型接线法可以有效达到雷电防护的效果。

4、信号电涌保护器的防护效果
4.1 信号电涌保护器UP的选择
石油化工、环保等自动化行业涉及现场数据传导，需要安装大量的信号电涌保护器SPD。除了室内控制柜外，现场也需要在电磁阀、定位器等仪表上安装信号电涌保护器以避免雷电电涌侵袭造成的数据传输中断甚至仪表损坏。对于24V直流工作电压的仪表，信号电涌保护器SPD的Up不得超过60V。而对于RS485接口等低电压通信类仪表，其电压耐受能力更小，需要安装Up不超过30V的信号电涌保护器进行防护。

4.2 信号电涌保护器的导线连接长度和方式
目前，现场信号类仪表一般安装在室外，更容易遭受雷电流的冲击，与电源端口相比，信号端口耐压水平更弱，一般只能承受1kV/0.5kA的电涌，更需要SPD的防护。

本身自带有导线，安装时直接接入被保护设备的对应的接线端子上即可，如图4。由于多余的导线长度会增加额外的导线电压降，导致Up/f较高，因而SPD的导线应尽可能短，不应弯曲或有多余的长度。为得到有效防护效果下的导线长度，使用昌晖品牌的现场仪表用SPD进行测试。

现场仪表所用的信号电涌保护器

4.2.1 试验条件
环境温度：19℃。
试验类别：C2。
试验样品：现场仪表用SPD，In ：10kA。

4.2.2 试验方法
雷电模拟冲击试验示意图如图5，将信号浪涌保护器的相线和接地线分别连接到复合波电涌发生器对应接口上，用示波器抓取波形，读取数据，记录冲击过程中的波形。

4.2.3 实验结果及分析
实验数据见表3，在导线长度为100mm时，Up/f为0.45kV。导线越长，Up/f越大，保护能力逐渐减弱；当导线长度为1000mm时，Up/f为2.75kV。而工业用设备信号端口的抗电涌能力为1kV，相对应的导线长度为350mm，考虑到20%的余量，导线长度不超过300mm为宜。

5、结束语
综上所述，Up值大小、连接导线的长度和接线方式都会影响SPD的雷电防护效果。因此，为了对设备的有效防护，不仅要关注SPD的Up，同时在安装时接线应该平直，不宜过长，可采用V型接线。而对于现场仪表用SPD，结合试验结果和分析，为达到可靠的防护效果建议其导线长度不超过300mm。
作者：陈科企，李庄

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