浪涌保护器

NTI Northern Technologies International

浪涌保护器接地指南

概要

这本刊物讨论浪涌保护器（SPD）接地的主要方面,

使用SPD接地和仪器工作接地或者其他设备之间的关系。

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn应用说明 第三章

NTI 浪涌保护器 操作说明书

NTI 浪涌保护器操作说明书提供各种防雷和浪涌的简单详细易懂保护措施，以下是操作说明书的排列名单如下：

第一章 电子设备雷电浪涌保护-实用手册

一个相对简单和容易理解，介绍的主题-一个绝佳的起点。

第二章 雷电和浪涌保护—基本原理

更详细的说明，对雷击防护和必要的措施，以达到足够的的保护水平。

第三章 浪涌保护接地指南

详细的说明浪涌保护器的接地指南，这是一个很容易理解的解释和一份宝贵的参考文档。

第四章 本安系统的浪涌保护

描述的最佳方法相结合的浪涌保护和本质安全系统。

第五章 区域0站点的浪涌保护

详细分析了这方面的浪涌抑制在危险地区;补充第四章。

第六章 称重系统的浪涌保护

讨论，在一些细节，应用浪涌保护在称重系统。

第七章 对局域网的浪涌保护

讨论这方面，其中局域网可能会被雷击引起损坏，以及他们如何能受到保护，

第八章 用于电源装置的浪涌保护

讨论如何保护并安装水管，设备，资料，接地和水管系统。简单的说明以及维修技术为电涌保护装置所包括在内。

第九章 现场总线系统浪涌保护

讨论的主要方面的现场总线系统和电涌保护要求，以确保其顺利运行和可靠性。

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn浪涌保护接地指南

1 电子设备浪涌保护接地 1.1 介绍

我们坚信NTI浪涌保护技术可以为几乎所有的电子系统提供经济而有效的浪涌保护。然而，提供的浪涌保护也依赖于安装的质量——如果错误安装的话，最好的浪涌保护设备也是没有效果的。安装——更明确的是接地技术——是许多技术咨询的重点。

本章主要分享一些多年来安装和接地的专家技术，从而帮助你更好地完成设计和安装。其中很多的经验也是从客户实际使用中得到的，我们非常感谢他们；我们也非常高兴得到您的观点和想法，从而来改进我们的手册。

我们尽可能把问题和技术要点解释清楚，而不是给人感觉是一个‘小魔术’。事实上，最好的理解是源于基本电子理论的。在实际操作中，你也可能遇到许多的超出本章范围的困难[这种情况下，我们的技术人员可以给您提供帮助]，但是我们也相信基本的原理总是对解决实际问题有帮助的。

确保用于浪涌保护技术的技术已经被很好地理解了——附录B介绍了一些术语。

1.2 浪涌保护的各个方面——摘要

本章简要介绍了有效浪涌保护设备接地所需要完成的内容，同时本章也解释了原因。 1.2.1 建筑物保护

确保给安装设备的建筑物提供建筑物雷电保护，同时达到国家标准[在UK，BS6651]。

1.2.2 电缆路径

如果可能的话，把所有内容[也就是，电子系统，电话，局域网电缆，天线电缆，金属的水管和气体管道]都放到建筑物内，实现一点连接。

1.2.3 等电位连接和接地

把如下内容连接到大地终端，使用尽可能短的连接电缆来实现一点连接[更适宜用于主电源供应的主分布板上]，从而让它们尽可能保持等电位：—

l 金属的水管和气体管 l 天线电缆

把这个大地终端连接到建筑物雷电保护上，并且尽可能的靠近大地。

1.2.4 浪涌保护

为如下内容，在所有引入的电缆上安装合适的浪涌保护器[SPDs]，浪涌保护器尽可能靠近大地终端

l 电子系统 l 电话 l 局域网 l 天线

l 视频[安全]照相

使用尽可能短的最小截面2.5mm2的电缆把浪涌保护器连接到大地终端。更好地是，使 用几个电缆，留出一些空间，实现并联连接。

最好的是，使用金属片，它的效果比电缆好。

如果你实现了完成的电缆连接，在远程终端再安装一个浪涌保护器。

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1.2.5 不确定的路径的设备电缆连接

把合适的浪涌保护器安装在靠近最重要的设备上。[如，传真机，调制解调器等] 使用最短距离的最小截面2.5mm2的电缆把浪涌保护器连接到设备接地端[如，底盘或主保护地]。更好地是，使用几个电缆，留出一些空间，实现并联连接。最好的是，使用金属片，它的效果比电缆好。

2 雷电的浪涌保护

2.1 雷电瞬态过电压的危害

雷电是一种自然现象——在本章我们作一个简要介绍。然而，附录C列出了一些更详细的关于介绍雷电的著作。

简而言之，雷电放电是由于在大气里电流流动造成的。湿润的空气电流和小冰粒在云层内相互作用，从而导致了在不同的高度上形成电子电荷浓缩。在电荷浓度和云层底部和大地表面间形成达到数百万伏特级别的电压。当这个电压足够大并且能够克服大气阻抗时，就形成雷电。大多数的雷电发生在云层间，一小部分发生在云和地间。

在UK，通常认为98%的云对地的直接雷击最大有200kA的电流，平均30kA左右。

2.2 雷电怎样和电子系统相互作用

雷电和电子系统相互作用有很多的方式：

a) 通过一个云对地的雷击直接击中物体，也就是常说的直击雷[见2.2.1]。 b) 从云对云或云对地雷击的电/磁耦合，参考容抗/感抗耦合[见2.2.2]。 c) 由云对地雷击造成的地电压浪涌，也参考‘阻抗耦合’[见2.2.3]。

实际上，在云对地雷击期间，这些耦合机制的多种结合方式可能同时发生。 2.2.1 直击雷

这部分介绍了对设备，更通常的是建筑物或工厂的直击雷[图1]。由于巨大的电流和能量，这个效果是极具破坏性的。基于引下线和接地体的外部建筑物保护本质上提供了一个直接路径用来把雷电电流传输到大地，而不会进入建筑物内。如果没有外部保护，建筑物内的设备可以为雷电电流的‘尖端放电’提供一个便利的对地路径，这里雷电会从外部进入到建筑物内部，从而损坏生产加工建筑物。然而，甚至保护很好的建筑物由于经过大地的雷电电流造成地电压浪涌的原因给内部设备造成很多问题[见2.2.3]。

2.2.2 电/磁耦合[容抗/感抗耦合]

带很多电荷的雷电云造成一个非常大的对地的电势场。当发生雷电放电，这个电势场迅速改变，并且由于云对电缆的电容而在设备电缆上耦合一个瞬态过电压。同时，由于互感的作用在电缆上耦合瞬态过电流，从而造成巨大的电流流过。然而，电场感应是作用最弱的耦合机制，通常不被考虑为设备损坏的主要方式。

注1：当雷电电流流过，主要在长距离和媒介波浪无线通讯线路上就形成一个电磁场，同时产生劈啪声。一些机构使用无线技术来监视雷电活动，用来记录雷电发生的场所和严重性。

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2.2.3 阻抗耦合和地电位浪涌

当雷电击中大地[图1]，电流通过土壤散开。因为大地不是一个完美的导体，所以形成了高电压。两个建筑物及其内部设备处于完全不同的地电位[两者存在很大压差]。如果电缆把它们连接起来的话，不管是否埋地，每个终端的设备将承受这个电位差。这个是设备破坏的最平常来源[见图2]。在直击雷的情况下，地电压浪涌最具破坏性[见2.2.1]。虽然直击雷会造成严重损失，但是地电压浪涌对电子设备是最具威胁性的，因为发生电位差的可能性非常的高。

2.3 雷电浪涌——有多大？

幸运的是，在绝大多数事件中，直击雷的整个效果的仅一小部分会影响设备电缆。经验

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn说明如果浪涌保护器可以重复地处理如下级别的浪涌的话，大多数浪涌保护器是有效的。

a) 电压：千伏特到几十kV b) 电流：千安培到低于几十kA c) 时间：10到几百微秒

在详细描述雷电威胁前，我们需要挑选出一些关于‘接地’的术语和定义[2.4]。

2.4 我们怎样理解‘接地’

‘接地’是一个非常模糊的主题——部分是因为甚至在这个词的受约束的电气理解上， 它对于不同的人有不同的理解。甚至不考虑所有的‘极端情况’，有如下一些理解：

a) 生产车间的大地

b) 印制电路板上的铜导体[‘0V’] c) 电源供应接地

d) 主电源插座的地线 e) 通常的负端

f) 天线接地系统[如，一组埋地排] g) 分布接地 h) 浪涌接地 i) 本安接地

j) 在面板或机房的总线条

k) 和测试仪器前面板的连接[如，示波器] l) 插入大地的接地体

2.4.1 接地——一个简单工作方式的定义

在本章中，‘接地’对于一个电子/电气系统被理解为0V参考点。 注1：没有一个‘真正的接地’，也就是普遍的‘0V参考点’。

注2：在本章中，术语‘大地’是指地球的表面，也就是，土壤和岩石。

注3：许多实际系统都需要和大地相连。主电源系统就是一个例子。由于在大气和大地间雷电的交互作用，这些系统需要保护。

注4：本身包含电子的产品如电池或太阳能设备如无线装置，计算器和个人的卡式随身听是和大地绝缘的，所以，对它们而言，是不需要的接地的。 注5：

2.5 接地的基本问题

接地问题第一眼看来似乎是难以理解的——但是倘若在每个阶段记住两个基本问题的话，接地问题就很简单了：

a) 电流将流向何处？

b) 当电流通过时，将形成多少电压[或‘电压差’]？ 回答这两个问题是本章主要的目标，同时也要记住： c) 雷电感应电流最终将流向大地，也就是流进土壤。

d) 当处理一个新的设备安装时，通常需要一个出色的设计图纸。

2.6 整个的保护——装入盒中

如果完整的电子系统可以被封装在一个电子导体[如，‘金属’]盒，多余的电流可以通过金属盒的表面来流动，从而不会在内部产生任何电压差[见图3]。这就是‘法拉第笼’的

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn原理。甚至当外部遭直接雷电时，盒内部的电子设备也不会有任何问题。

虽然这个概念第一眼看来是微不足道的，在飞行学上，它是非常重要的。飞机设计师努力使机身尽可能的接近于‘封闭金属体’。通常情况下，客机被认为平均每年至少被雷电击中一次。所以进行大量的模型和测试来确保航空电子设备免于雷电袭击。

随便提一句——封闭金属体的屏蔽效果意味着在暴风雨天气中留在一个金属体汽车内要比在外面安全的多。

2.7 一个理想化的接地系统——仅次于金属盒

当面临一个实际雷电保护问题，为了达到和金属盒最接近的实际近似，记住‘一个理想的次于金属盒的’解决方案是非常有用的。

‘理想的’系统，它本质上消除了浪涌问题——见图4。关键点如下所示： a) 所有设备是金属封装的。

b) 所有设备直接连接于金属板上，同时共享相同的低阻抗0V参考点。

c) 为了达到好的测量效果，金属‘接地平面’是处于地平面的，并通过一些列接地体

被连接到土壤中，所以金属板是处于局部相同的地电位的。 d) 和其他电子系统没有连接。

e) 系统本身是很小的，最多几个平方米，所以直接雷击的可能性可以忽略不计。

金属‘接地平面’板的目的是为任何流过感应电流提供一个很低的阻抗，从而产生一个

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn非常小的感应电压。这样的一个零电压差或最小的电压差区域有时被参考作为一个‘等电位区域’。

有必要解释什么是‘低阻抗’。这是一个范围很广的术语，它的具体含义很大程度上取决于上下文和具体应用。在雷电感应浪涌下，可能达到1千安培数量级的电流，每通过1欧的阻抗，将产生1千伏特的电压差。

最小阻抗是通过‘高传导率’金属板提供的——严格的，它是不含铁的，因为在铁磁合金里表面效应是非常明显的，它强制瞬态或高频过电流仅流过很小的表面传导区域。表面效应将在关于浪涌接地阻抗的5.2节有介绍。

对于一个50-60赫兹的电源供应，起保护作用的接地体的目的是提供一个‘低阻抗’来供应偶尔发生的故障电流，以至于通过电缆形成的电压不会在装置内部给任何人员造成严重的电子伤害。金属水管和加热管被连接到起保护作用的接地传导系统来构造一个安全的等电位区域。然而，我们将看到，尽管有足够的供应频率，但是这个系统不能认为是用于雷电感应瞬态电压的低阻抗等电位区域。

2.8一个次于‘理想的’系统

我们仍有极好的接地平面，见图5，但是原来的等电位区域由于外部来的电缆而被破坏。主要包含以下原因：

a) 主电源供应电缆 b) 电话线 c) 遥感装置 d) 无线装置 e) 计算机网络

f) 外部照明电源电缆

既然我们有一个包含电缆的系统，我们需要考虑感应雷电瞬态电压，并评估电缆把过电 流传送到我们的设备的方式和浪涌保护器的工作方式，细节见3。

2.9 摘要重述——雷电的危害

a) 对地雷击包含很大的电流[平均几十千安]。

b) 因为地不是一个完美的导体，通过大地阻抗的雷电电流可以在不同的接地点间形成非常大的电压。

c) 这些点可以是包含电子设备并由电缆连接的两个建筑物[1km以内]；对一个建筑物的雷击可以引起地电位的上升，从而在两个建筑物间形成一个非常大的电位差。

d) 造成一个浪涌过电流；如果过电流流过，在两个建筑物的接地间形成一个最终破坏

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn性的电流路径。

3 浪涌和浪涌保护

3.1 共模电压浪涌和差模电压浪涌

电缆包含多个导线。在一个浪涌期间，所有的导体将趋于向局部大地电压移动。这就是共模方式[图6]。

然而，在导体间也可以形成电压差。这就是差模方式[图7]。

两者都可以损坏设备。共模方式浪涌更厉害，但是设备更易受差模方式浪涌攻击。然而，NTI保护器限制了两种类型的浪涌。

3.2 浪涌怎样损坏设备

浪涌需要满足以下几个条件才可以损坏电子设备： 3.2.1 电压/电流关系

在设备的两端一定呈现过电压，从而造成过电流的流动。受攻击点通常是信号或电源的输入点或输出点，设备的0V参考点通常是连接到主电源接地的外壳或底盘。引起过电流开始流动的电压通常被称为击穿电压[电势]。

3.2.2 时间/能量关系

电流一定流过足够长的时间，在电子组件内存放足够多的能量，从而造成损坏——通常溶化设备的一些部分。

3.3 浪涌保护器[SPDs]——怎样工作

浪涌保护器把瞬态过电压限制在一个对设备安全的级别之下，它们把非常大的浪涌过电流通过接地引下线系统安全地传输到大地从而保护设备。电流越过，不是通过，受保护设备，从而浪涌保护器转移浪涌电流[见图8]。

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浪涌保护器限制设备的共模电压和差模电压。在一个浪涌期间设备接接受到的电压被称为‘限制’或‘允许通过’电压。

浪涌保护器实际上是作为一个接地连接，见图9，它仅在浪涌周期内作用。

3.4 什么设备需要保护？

原则上，一个电缆进入一个等电位区域的地方，连接到电缆的设备被暴露于可能的破坏性的浪涌中。危险程度依赖于如下因素：

a) 电缆长度

b) 雷电发生的频率

c) 暴露于雷电的站点和绝缘的程度 d) 电缆是运行在地面上还是在地面下

本质上是要保护所有可能引入危险的电缆。 重新考虑刚才的带接地平面的系统，但是现在在所有的供应设备的电缆的引入口安装了

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn合适的浪涌保护器，见图10。由于接地平面的低阻抗，系统仍近似于理想的。

注1：小的，本身包含的绝缘设备，如，万用表，晶体管无线装置和卡带随身听，通常不需要保护，因为它们没有和大地连接。

3.5 案例研究——电话，电话应答机和调制解调器

案例研究解释了第3部分的上一节提到的因素。同时它是基于UK惯例的，这些是通用的。

至今为止，家里的通讯设备还是电话，通过双绞线连接到公共电话网络[PTN]。电话是通过网络供电的，在家里没有电气连接。通过电子隔离，所以在双绞线上的电话不易受到共模瞬态电压的攻击[直击雷除外]。对差模电压的保护可以通过在室内的接线盒内安装气体放电管[GDT]来实现。

虽然GDT的限制电压对于瞬态电压的第一微秒左右是几百伏特，通常这是足够的——达到180V左右的差模电压可以在正常操作期间发生。

下一个是电话应答机和通过电话连接线把个人计算机连到Internet的调制解调器。它们都是由家里的电源供电的。它们通过在电源变压器的初级到次级线圈来实现绝缘的。然而，一个瞬态雷击可以产生一个足够大的共模电压来打破这个绝缘屏障，并破坏电路组件。在电话线和电源线之间产生一个电流通路，从而毁坏电话应答机或调制解调器。

注意即使使用双重绝缘，和主电源接地引下线没有直接连接，当发生几千伏的瞬态电压时，这是没有意义的。在任何情况下，在供应电源上，中线和地线在供应端被连接到相同的点上[在现代的安装中，这个点在主电源供应电缆进入建筑物的地方]。

综上所述，设备的毁坏是由于在电话线和局部地之间出现的电压差造成的，在这种情况下，电子设备的主电源足可以克服电源供应和设备的击穿电压。电流通过电话线，设备和主电源供应电缆足够长时间在组件内存储足够多的能量来造成设备毁坏。电流进入大地，这里主电源系统和大地有连接。

4 在现实世界里用于浪涌保护的接地 4.1 介绍——接地阻抗和接地位置

实际中，很少有系统被连接到一个接地平面上。‘现实’接地是用电缆来实现的。考虑最重要的两个问题：

a) 浪涌电流将就向哪儿？

b) 当电流流过后，将形成多少电压‘压差’？

在任何情况下对这两个问题的回答取决于浪涌接地的位置和阻抗。

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn4.1.1 例子

使用多个接地连接，如多个接地杆，能够在两个接地点间造成电压差，见图11。这是可以评估的。

假设限制电压为16V的浪涌保护器被连接，如图12所示。从浪涌保护器到设备接地间的阻抗是10欧。依靠线圈和其它环境，这个值确实是很小的。

100A的峰值浪涌电流流过大地阻抗将形成1000V的电压差。浪涌保护器将限制通过它本身的电压到16V，所以设备将承受1016V电压而不是要求的16V。设备的毁坏是不可避免的。幸运的是，在了解‘阻抗’后，这种情况是可以解决的。

5 浪涌接地阻抗 5.1 电感和电阻

导体同时含有电阻和电感[见参考4]。它们的效果是附加的，并且是串联的，见图12。

沿着电缆形成的电压降如下： V = I*R + L*(dI/dt)

这里V是电压，I是电流，R是电阻，L是电感，dI/dt是电流的变化率。 对于低频，如50Hz电源，电感可以忽略不计，仅考虑电阻。 电阻取决于使用的导体的材料。对于任何给定的统一截面积的材料，电阻和长度成正比，和截面积成反比：

R = pl/A

这里R是电阻 欧，p是电阻系数 欧.m，l是长度m，A是截面积 m2。

对于雷电浪涌电流，更多的是静电放电[ESD]，这些电流都有非常快的变化率，所有电感起主导作用。适于正常电源供应频率的接地系统可能就不适合雷电浪涌保护了。

电感比电阻复杂。导线的电感公式是：

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cnL = 0.21*{loge 2.1/r -1}uH 这里l是长度，r是半径。

注：大多数情况下，电线的长度比厚度大得多，当直径增加时，它的电感电压仅稍微减小一点。然而，电感电压增加比长度增加要大的多，见表1。这是基于1kA的浪涌电流的，它的最大上升率是100A/us，它代表了实际情况，决不是极端的情况。

注：峰值阻抗电压和感抗电压不是一起增加的，因为它们不是发生在同一时间。阻抗电压峰值在电流之后。然而当电流变化率达到最大值时，感应电压达到峰值。在电流波形的峰值处，电流的变化率是0，所以感应电压也是0。

从表1中呈现的一些重要点： a) 感抗电压使阻抗电压变小

b) 电阻和长度成正比；但是电感在更快的变化率上增加。

c) 电线的直径对电感有一个小的影响。如，电线的大小从2.5mm2增加到10mm2[直径

加倍]，电感减少不超过10%。电缆越长，越难弯曲，剥线和安装。然而，如果要求长电缆，就使用它。

总之——所有的浪涌电缆尽可能短！！

我们通常推荐2.5mm2的电缆用作浪涌接地。在任何可能的浪涌期间，电缆不要过分长以至于过热或溶化[在任何情况下不可能虚连]，然而它很方便处理和安装。然而，注意别的地方，机械要求或其他环境可能要求更厚的电缆。

注：凭经验的方法，电缆在长度上达到几米；浪涌接地电缆每米至少形成100V，1千安培的感应雷电浪涌电流，也就是，100V/m/kA。这是基于100A/us的电流上升率。基于1m的2.5mm2电缆，‘8/20us’电流脉冲测试波形给出200V/kA。

注：感应瞬态电压是共模方式的。NTI保护设备的内部电感值非常低，这意味着可以有效地限制差模瞬态电压，而不管接地电缆。

5.2 ‘表皮厚度’

流过导体的高频电流产生一个电磁场，它的一个效果是把电流禁止在接近导体的表面。这就是‘表皮效应’，同时被限制的大多数电流的层的厚度是‘表皮厚度’。频率越高，厚度越小。从而，因为不是所有的导体的截面积被传输电流，阻抗比实际值高。

当铜导体上传输50Hz电流时，表皮厚度达到10mm，所以问题不大。然而，在电缆上感应的雷电瞬态电压有相当高的频率成分[达到几十kHz的数量级]，在这种情况下，铜线的表皮厚度——和频率的倒数成正比——不超过1mm。

表皮效应将造成阻抗电压比表1中的数据大。然而，这不会超过阻抗电压的两倍。因为这也由电感作用减小，所以长度比直径重要的观点是肯定的。表皮效应简单就是导体直径增

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn加的益处就不存在了。

5.3 电感和浪涌——另一个角度

电感以磁场的形式存储能量。如果瞬态电压足够大而造成浪涌电流流过设备，这个能量被释放从而造成损坏。电感L存储的能量为：

E = L*I2/2

这里I是峰值电流

如果我们再次考虑1kA的峰值电流和2.5mm2电缆的电感，我们可以得到表2中的结果：

能量足够损坏许多的电子组件。如，微焦耳级的能量就可以毁坏半导体结[1microjoule[uJ]=10-6J]。

5.4 电缆上的浪涌——一些真实的测量

这部分描述了使用模拟雷电浪涌来测量的结果及其得到的一些结论。

浪涌测试使用标准波形。图13显示了示波器产生的轨迹，这就是‘8/20’波形，因为它8us上升到峰值，20us下降到峰值的一半。

注：这个波形定义不是严格精确的——波形是算术意义上定义的——但是实际使用足够了。图13是一个发电机产生的近似值。

为了达到图13显示的结果，使用稍大于1kA的峰值电流。为了参考，在浪涌发电机终端每隔10cm放置一个铜片。将形成一个5V的峰值电压。安装10cm的16swg[标准电线规格]电线产生27V峰值电压。别的测量使用1m长的放置在终端的回路来完成。

表3显示了在3个1m导体上的电压。

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn图14通过两个波形的示波器绘图，解释了初期生成的感应电压和电流点。

表4显示了在浪涌发电机终端间并联2.5mm2的1m的电缆的效果。

由于这个原因，尽量使用2个或多个分开的电缆路径，这样比使用单个大直径电缆提供一个更低的限制电压。甚至导体间的一个小分离可以改进限制电压。进一步分开，不需要使电缆特别长，电缆间的磁性耦合会更小，整个感应会更低。

5.5 电感——重述

a) 可能的话，利用可能的金属片，如，面板或围栏。

b) 对于圆形的截面积导体，增加电缆直径，不能很好改进额外的安装困难。 c) 对于一个给定的截面积区域，平的导体比圆的好。

d) 并联安装几个电缆，并在外形上分开几个厘米，这可以给出一个明显的改进。 e) 有许多直的，平的，并联导体路径的设备被称为‘金属片’或‘面板’。

6 浪涌保护接地位置

6.1 高阻抗浪涌接地的麻烦

已经考虑了浪涌接地电感的影响，我们在一个更好的位置来理解高阻抗的结果。图15解释了一个连接在引入的信号线和设备间的浪涌保护器。浪涌保护器被连接到设备接地引下线上[典型的，保护接地引下线]，这样SPD最终被连接到大地。这提供了一个相对长的路径。

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电缆可以用它们的等价阻抗来表示，见图16。

出现在电缆上的共模浪涌电压预示了在电缆和大地连接间的瞬态电压。从而浪涌保护器动作，一个快速增加的电流开始流向浪涌接地。跨过浪涌保护器的电压被限制到其正常的限制电压。然而，由于相关的浪涌接地的高阻抗，会呈现一个大电压。设备上的电压是这个电压加上浪涌保护器的限制电压——瞬态电压可以被增加到图中[图17]同时如果在设备内有一个击穿，将产生另一个电流路径[图18]。

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注：电流现在通过‘保护的’或‘安全’的浪涌保护器的终端流出。如果电流路径有一个很足够的低的阻抗，可能会破坏设备和浪涌保护器的输出组件。

6.2 重新布置接地连接来减少限制电压

限制电压可以通过重新布置接地连接来降低。把设备接地[也就是，0V参考点]置于浪涌保护器接地点，见图19。

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn图20增加了在图19的基础上增加了电流和电压。设备现在承受一个在接地电缆上的感应瞬态电压。在大地点和浪涌保护器间还是有一个非常大的瞬态电压，但是这个电压不会出现在设备的两端，设备仅接受浪涌保护器的限制电压。在第7部分，我们将看到浪涌保护器怎样放置来满足图19、20中的配置。

6.3 当不能重新放置接地连接时使用‘浪涌连接’

一定有这种情况，浪涌保护器和受保护设备不得不离公共接地点有一些距离[图21]。如果浪涌保护器和设备可以放置在很近的地方，可以通过使用尽可能短的电缆结合它们两者来减少限制电压。这就是 在浪涌保护器和设备地之间共享浪涌电流。它们间的感应瞬态电压被减少

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn已经强调了需要保持电缆最短尽可能最小化电感，如图21所示，安装一个surge link，很清楚地是，对于设备接地电缆是有优势的，相对浪涌保护器而言有一个很高的浪涌阻抗。更少的浪涌电流将流过浪涌链接，从而限制电压将更低。

注：电阻一定不要被加到设备地，这将破坏安全。

7 接地系统配置和安装 7.1 星点接地

一个典型的安装包含许多项仪表或设备，每个设备都有自己的连接。如果所有设备都连接到一个公共点，从公共点引出一根电缆接地的话，这就是星-点接地系统[图22]。

每个设备通常也被其他电缆连接，但是这些电缆在图22中没有画出来，避免混乱图。

切记接地的目的是让所有设备处于等电位区域，现在我们研究当电流流过一个设备的接地连接会发生什么情况——见图23。电流i通过一个设备的接地连接阻抗Z会形成电压V，同时这个电压差会存在于这个设备和其它设备间。典型的，通过公共接地连接将会形成一个非常大的电压，但是这个电压不会影响设备间的电势差，这些设备可以被认为是在一个等电位上移动。

把星点系统和另一个接地系统作比较的话，星点系统的优势是很明显的。不同设备被连接在一个公共接地连接电缆上[图24]。这就引起了更糟的情况，因为流过接地引下线的电流使得每个设备都处于不同的电位上。

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7.2 执行一个星点接地系统 7.2.1 基本原理

在一个典型的安装中，通常有一个保护接地系统，如主电源保护接地引下线。理想的是，在浪涌保护器接地和保护接地通过星点连接在一起而最小化两者的交互作用。怎样实现？

首先，找到保护接地系统的点，它通常是最靠近大地的。在工厂或办公室，保护接地系统点可能是主电源分布板的接地终端。这就为所有需要接地的浪涌保护器提供了星点系统，所有的连接电缆尽可能直和短。从而浪涌电流可以流到大地，而不会通过保护接地系统流进建筑物内。如我们所看到的，这些电流将会在接地终端和大地连接点间产生一个电压。整个接地系统将相对大地连接点产生一个电势升高，但是在设备间将会产生最小的潜在电势差。

在主接地终端处为不同的设备安装浪涌保护器，这要求所有受影响的信号线可以接近这个点——这是浪涌保护的‘最好方式’，也很常用。

7.2.2 星点系统安装——摘要

* 找到设备室内保护接地系统上的点，它是最接近大地的[如，主电源分布板上的接地终端]——这个点就是浪涌保护器接地点和电源供应保护接地间的星点连接。 * 所有的信号电缆尽可能靠近这个点

* 在所有信号电缆上安装浪涌保护器，尽可能靠近星点。 * 尽可能使用短和直的电缆来连接浪涌保护器接地端和星点。

7.2.3 实际连接

如果可能，使用系统金属制品，如出现在主电源分布板，在金属面板上安装浪涌保护器来最小化它们接地连接的电感效应，注意任何油漆或绝缘层首先被去除。

7.3 浪涌接地和保护接地

上面已经介绍了浪涌保护器和主电源供应系统间的连接，建议回顾如下内容： 7.3.1 浪涌保护接地

浪涌保护接地的目的是通过尽可能直接和低阻抗的路径把瞬态过电流送入大地——最

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn小化共模限制电压，提供最好的设备保护。推荐必须使用不小于2.5mm2截面积的电缆[不能使用金属面板]。

7.3.2 主电源保护接地

主电源保护引下线的目的是可以携带供应频率故障电流足够长时间来允许电流限制设备如熔丝和电路断路器动作。这个导体的规格由携带预期的电源供应故障电流的能力来决定的。‘预期电流’是指短路故障下电路可以承受的电流。

7.3.3 其它方面

不管一个引下线被用于什么目的，无论如何，它一定要能够携带预期的故障电流，并相应设计规格——记住，安全第一！

在一些情况下，浪涌保护接地和主电源保护接地是并联的。倘若总是有一个适当的保护接地引下线，同时也有很好的浪涌保护接地，如果浪涌电流和故障电流在两个路径间均分的话，不会出现危险。

为了确保主电源保护接地引下线的电流大小和类型，参考合适的规格。在UK，参考IEE配线规则[BS7671:1992:IEE配线规则，第16版]。

7.4 外部连接的浪涌保护

浪涌保护器的厂商NTI推荐在每个从外面进入建筑物的电缆安装浪涌保护器——为什么？

有两个原因：

a) 每个电缆为浪涌进入建筑物内提供一个机会。

b) 不能保护所有电缆，因为一个电缆上的浪涌会耦合其他电缆。

7.4.1 浪涌进入建筑物

为了解释a，考虑一个两信号的设备，两个信号都来自于远程，其中仅一个信号被安装了浪涌保护器[图25]。如果在未受保护电缆的远程终端附近有一个对地雷，那么在未受保护的电缆上将遭受一个浪涌过电压。发生击穿，同时电流流到大地，要么通过设备，要么通过它的‘保护’端和浪涌保护器的输出侧。后者，设备和浪涌保护器可能都被损坏[图26]。

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7.4.2 从一个电缆到其他电缆的浪涌耦合

图27描述了一个信号电缆和一个设备主电源供应间的浪涌耦合。 浪涌期间，在信号线上的浪涌保护器正常工作，瞬态过电流通过接地引下线流入大地。然而，在接地引下线和其它主电源供应导体间出现感应电压[图28]。中线和地线间的电压取决于连接导线的长度。如果浪涌保护器是安装在分布板的主电源接地终端上，这里连接了中线和地线。这将产生很小的或者几乎为0的中-地间的瞬态电压，但是在火线和其它两个导体间将出现感应电压。在主电源供应上安装浪涌保护器可以把这个浪涌限制在一个安全的级别。

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图31解释了一个更实际配置的最优安装

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7.5 和在不同点进入建筑物电缆相关的电缆布局问题

实际上，信号电缆常常从远离主电源分布板接地终端的点进入建筑物，通常主电源分布板接地终端在建筑物内接地设备的接地参考点。从而，在信号线上和主电源供应电缆上安装浪涌保护器来为连接到电缆的设备提供保护。然而，有一个非常长的回到接地终端的电缆路径。我们怎样可以减轻这个效果？有以下几种可能性：

a) 相对绝缘的设备：信号线不要连接到建筑物内的其他设备；地线不要和其它设备共享——见7.5.1。

b) 没有内部信号电缆：但是共享接地路径——见7.5.2。 c) 有内部电缆：接地路径不共享——见7.5.3。 d) 有内部电缆：共享接地路径——见7.5.4。

7.5.1 相对绝缘的设备

相对绝缘的设备的一个典型的例子是电话机或传真机[图31]。雷电浪涌相对局部地升高了电缆的电位。浪涌保护器动作，浪涌过电流流过浪涌接地保护器。在接地引下线上形成一个感应瞬态电压。然而，事实上设备是绝缘的，受保护的，不会和其它设备共享浪涌电流，这意味着所有都是安全的。

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7.5.2 没有内部信号电缆[共享接地路径]

图32中，设备还是一个传真机，但是这次另一个设备共享接地线。注意浪涌保护的品质已经提高了。传真机受到保护。如果它没有被保护，浪涌电流将损坏传真机，而且主电源瞬态电压还将发生。

7.5.3 内部电缆[不共享接地路径]

图33是内部电缆不共享接地路径的例子，其中调制解调器用于个人计算机[PC]。在接地电缆上形成的一部分浪涌电压可能会出现在PC的连接上，所以还是有可能破坏PC。如果浪涌接地路径实际中不能变短的话，带浪涌保护器的调制解调器最好离PC更近些，所有一起接地。

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7.5.4 内部电缆[共享接地路径]

这种情况结合了7.5.2和7.5.3。在内部电缆和主电源供应上有可能产生瞬态电压。

7.5.5 摘要

对于电缆在远离主电源接地终端的点进入建筑物的情况，没有特别容易的方法来处理。如果可能，电缆应该重新布置。如果不是，浪涌保护器应该被安装在靠近设备的地方。这里浪涌保护器被连接到系统中任何易受攻击或重要的设备上，可以为这些设备考虑安装浪涌保护器。很差的电缆布局将不能用作省略浪涌保护的借口，浪涌保护还是可以减少风险或严重的损坏。

7.6 地电极，地阻抗和浪涌 7.6.1 概述

我们已经知道，雷电对地放电将在引入的电缆上产生巨大的瞬态过电压。迄今为止，处理浪涌保护，我们已经假定了对地有一个连接，而不考虑细节的含义。有些问题是值得问的。

为什么对地有一个完全的连接？为什么不完全隔离系统，不完全停止浪涌电流流动，这样肯定比低感应星点接地和类似的情况好？

答案源于和雷电放电相关的高电压和高电流。电压是如此大以至于雷击电流可以被认为是来自一个恒量电流发电机。换句话说，电流将流动。我们仅有的希望就是控制它的路径。为了保护建筑物结构，我们尽可能使系统仿效飞行器，把系统封装在一个金属外壳内，并把它和大地绝缘[回到我们‘理想盒’？]。但是，除了令我们感兴趣以外，这是不可能实现的，因为：

a) 飞行器完全是和大地绝缘的，不像建筑物，它通常通过主电源供应和大地有一个连接。

b) 造价极其昂贵。 公认的，我们的建筑物肯定是和大地相连的，我们需要考虑地阻抗吗？假定我们需要保

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn护一个远程的监视外部控制室。有一个从传感器引入的电缆和一个无线遥感变送器，变送器是太阳能供电的，没有主电源供应连接。这可能是在7.5.1中考虑的绝缘的电话或传真机，这样的话，可以不需要接地连接。然而，有两个原因说明在监视的控制室安装接地体还是值得的。 c) 如果传感器电缆很长，会产生一个由地电压浪涌造成的足够大的电压，从而造成电缆上的瞬态电压通过遥感设备的信号线来进入建筑物内。 d) 虽然很轻微，还是有危险。在控制室的工作人员可以感到一个局部地电压，并接触设备时会有一个电击现象。 这些情况可以通过在控制室安装接地体，安装浪涌保护器来避免或减轻，见图34，并且浪涌保护器的地作为星点。

倘若使用了星点接地，大地阻抗对于电子设备的浪涌保护不是很重要的。 注：通常测量的是大地电阻。在本章，大地阻抗是指电阻串联电感。

7.6.2 重述

* 为了保护一个单个的设备，不需要一个非常低的地阻抗。 * 保护多个设备时，还是需要较低的地阻抗。 * 对于一个可接受的地阻抗的级别，没有

* 需要达到的地阻抗在很多情况下取决于大地的特性和可用的时间和资金。

细节见附录C。

7.7 建筑物雷电保护系统连接

从7.6中显而易见，建筑物雷电保护需要以下前提：

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cna) 建筑物将受雷击。

b) 受雷击后，相应的大电流是相当可观的。

连接的目的是尽可能让雷电电流直接流向大地。如果相互绝缘的话，雷电引下线和电子 系统间形成的电压可以足够大从而造成破坏性的击穿。如，50kA的电流通过20欧的电阻将形成1百万的电压！所以连接两个系统会比较安全。首选的方法是使用从主电源接地终端引出的电缆选择尽可能直的路径来连接引下线系统上的点，这些引下线系统靠近大地，如接地网，见图36。

这只是一个简单的介绍，有意引起注意。为了避免超出本册的范围，我们建议咨询合适的标准，在UK是BS6651:1999防雷建筑物保护。

7.8 电缆的另一端

如果你负责保护电缆两端的设备[如，多个建筑物间或带远程传感器的遥感连线]，那么应该用相同的方式来对待连线的两端。在每个终端的设备通过电缆被连接到局部地。如果没有保护，雷电浪涌可以在这些大地连接间造成一个很大的电势差。在每个终端安装浪涌保护器。从而浪涌电流通过浪涌保护器无危害地流过两个地点间，避免通过设备本身[图37]。一般的，让浪涌接地电缆尽可能短，或安装一个surge link。

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8 别的主题

8.1 屏蔽电缆和接地回路

为了防止吸收多余的电磁场，携带低频率-低级别信号的电缆常常进行全面的屏蔽保护。单点接地通常被认为是用于交流回路的。当不需要安装浪涌保护器时，单点信号接地最简单的方法是只要把屏蔽线连接到电缆的一端[图38]。然而，当安装多个浪涌保护器时，就需要多个接地连接。会有冲突吗？

通常，回答是否定的。当浪涌保护器确实工作来保护一个系统，它仅提供一个低阻抗的对地路径[这段时间内，所有设备不可能被一个交流回路影响！]。剩余的时间内，它的容抗很高，从而克服交流回路。

注：大多数浪涌保护器几乎都有一个几毫微法的线对地的电容，在一些特殊情况下，仅几十皮法——对于50Hz的主电源频率，一个10nF的电容有一个300kΩ以上的电抗。

当浪涌保护器安装在系统后，很容易就可以在任一浪涌保护器的屏蔽电路里提供断路——见图39。这个图显示了对于雷电保护理想的接地位置，但是更现实的情况是如图40所示，其中，浪涌保护器尽可能安装在靠近变送器和接收器的地方。

2

注：在图40，如果在图左边显示可选择安装的屏蔽线是一个整个截面积2.5mm或更大的导体，它可以被用作浪涌保护接地线。

另一种情况如图41所示。在这种情况下，把浪涌保护器和设备连接到星点地的电缆需要一个合适的长度，因为可能会出现大的瞬态电压。并且电缆屏蔽可以用作一个浪涌链接来减少瞬态电压。然而，这会造成一个回路，引起一些问题。通过把浪涌接地电缆尽可能靠近屏蔽线来最小化回路区域，这是很有用的。

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注：电缆屏蔽断路器需要由明显和金属构架分离的屏蔽线来实现，如，浪涌保护器，它可能会处于一个不同的电位。特别如果屏蔽线被很好地绝缘了，10mm的间隔通常就足够了。而且，由于很高的电流能量，让浪涌电流流过屏蔽层比单独流过内部芯线要好。如图42所示，这可以通过把屏蔽线连接到浪涌保护器的一侧来实现。这样的话，浪涌保护器维持了任何交流回路的断路。 详细见附录C。

8.2 使用同轴电缆保护基带传输系统

术语‘基带’指的是相对低频率的信号[达到几十MHz]，不同于传输在高频电缆上的信号[TV电缆]。

网络和视频浪涌保护器MD系列可以实现对这些信号的保护。它们有不同的型号来满足计算机网络和视频电路的不同要求。由于两种类型的产品在屏蔽层和接地间有很高的阻抗，它们都可以有效地断开交流回路。另外，MD有一个简单的接地选项，同轴电缆屏蔽层要么直接接地，要么绝缘。 用于保护的接地方法一般使用本章介绍的通用规则。

8.3 保护高频同轴电缆系统[如，天线馈电和CATV]

对于几十MHz或更高的频率，浪涌保护器一定要有很低的电容。传输应用也要求很高的操作电压。多种频率的铜轴浪涌保护器，如基于气体放电管保护原理的NIT CP系列，可以满足这些要求。把浪涌保护器插到靠近需要保护的设备附近，这里需要一个最有效的接地点。这些浪涌保护器的使用规则是完全和其它型号的浪涌保护器是相同的。唯一的不同就是这些浪涌保护器有非常低的电容，它们具有对称性[也就是，两端都可以安装]。见图43是一个典型的安装。

铜轴电缆屏蔽需要被连接到天线塔的底座，如图所示，来避免直接雷击电流流向馈电线

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn进入建筑物。如果塔很高，那么馈电线需要每10m就连接到塔上，从而避免塔和电缆间有击穿。

在这种类型的系统里，有多个接地连接不是一个正常的问题，因为信号频率很多从主交流电源频率中去处了。对于信号频率，电缆提供了有效的屏蔽。

8.4 保护主电源供应系统

瞬态过电压可以通过主电源供应电缆引入到设备系统中[或其他电缆]，正如前面所见的，也可以造成浪涌过电流通过信号线，进入主电源接地引下线。通常，主电源瞬态电压要比预期的损坏要小，因为电源供应[地线/中线]的一端被用来定义设备安装的地[也就是，0V参考点]，这样就仅考虑电压差或横向模式浪涌。然而，这些典压差通常造成故障。

由于大电流设备，如，电机，的切换造成的浪涌，主电源供应也可能把干扰带进或接近一个站点。

最适宜的保护策略是在分布板上配置大量的瞬态电压抑制装置，同时单个设备上也安装雷电浪涌抑制装置，NTI设备还有无线电频率过滤功能。

图44介绍了基于使用不同NTI浪涌保护器为一个现代办公室设计一个组合式浪涌保护系统。这不是提供了一个通用的方案。NTI可以为您推荐解决方案。

8.5 浪涌接地和电信通讯功能接地

在不同国家，电讯有不同的规范。这部分仅适用于UK惯例。 BS6701是这部分的主要文献。文献的6.10区别了保护接地[符合IEE配线规则]和功能接地。功能性接地的使用包括‘过电压浪涌抑制’，换句话说，我们在通讯学说法中一直称‘浪涌接地’为‘功能性接地’。功能性接地[FE]通常不用作保护性接地[PE]。 根据BS6701，功能性接地引下线只能被连接到大地，要么是顾客的主电源接地终端，也就是，星点接地点，要么是埋地电极系统。后者，接地电极应该被连接到主电源接地终端。 这样，标准和本章间就没有冲突了。可能发生冲突的地方是在声明范围内的。PE和FE间的连接应该被避免，除了接地连接。

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn 原理上，这完全是符合我们推荐的星点安装浪涌保护器的方法。然而，当这个方法不实用时，雷电保护的要求可能需要在浪涌保护器和设备间使用浪涌链接。标准要求功能性接地引下线外壳是米色的，并且不间断有浮雕字‘Telecomms Functional Earth’。如本册强调的，最好的保护是直接用金属构架来连接在星点上，不需要电缆。我们认为这和标准不存在冲突——特别是，如果浪涌保护器在星点接地连接带有一个标有‘Telecomms Earth DoNot Remmove’的标签，在标准的6.10.3.3中有描述。 注：电流是和绝缘电缆的颜色不相关的。 细节见附录C。

8.6 过程系统的综合接地 8.6.1 介绍

用于单个浪涌保护器和设备的接地安排是合理的，并很容易使用。然而，对于一个过程系统的接地布置是很麻烦的，因为需要考虑所有要求的用于抗噪声，本安和电子安全的接地连接。本章介绍一个实用的解决方案，并且也在很多工业现场使用过。解决方案可以用于大多数过程工厂设计，可以是基建项目，也可以是技改项目。

8.6.2 对于控制系统的首选接地‘原则’

使用浪涌保护器提供最优保护，需要一个连贯的接地策略，如图45所示。

不论是直接雷击或局部地电位变化造成的浪涌电流需要一个对地的低阻抗路径。通过仪表电缆进入编号柜的浪涌电流通过浪涌保护器和它本身的接地导轨被分散到大地，这样电流将到系统接地，不会通过其他任何接地连接导轨连接。所有其他接地应该仅在一点被连接到浪涌保护器的接地导轨。

仪器仪表的接地应该和机柜电子接地分开来。从电子接地来的漏电流将造成一个噪声电压，从而叠加到浪涌保护器导轨电势。因为仪器仪表接地是参考浪涌保护器导轨的，和系统接地没有关系，所以这个电压对仪器仪表没有影响；它仅是一个共模电压。

图46显示了应用于多个控制柜的接地系统。所有浪涌保护器导轨被雏菊式连接到子系统接地导轨来最小化浪涌保护器导轨电势的漂移。控制室和编号柜的连线不要超过3m，为了让通过它们的最大感应浪涌电压低于器械的绝缘指标。

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8.7 危险区域雷电保护接地系统

对于潜在的易爆气体里使用电子/电气设备的主题很大，也很复杂，所以本章仅介绍这些系统的浪涌保护器接地系统。详细见第四章和第五章。

对于连接危险和安全区域的场合，对于由于系统里有击穿造成的点火的场合，都需要安装齐纳式安全栅[如果局部地电压差非常大的话，需要安装隔离式安全栅]，见图47。 出色的雷电保护系统需要在电缆的每个终端安装一个浪涌保护器，并使用星点接地，见图48。 然而，根据EN60079，本安电路应该是：

a) 和大地绝缘 或 b) 单点接地 或

c) 合并电流绝缘，这里有多个接地点 或

d) 在不使用电流绝缘场合，接地应该使用4mm2或更大的截面积绝缘电缆。

如图49所示的雷电保护系统。注意：由于电缆的长度和它相应的阻抗，连接电缆不可 能用于任何有用的雷电保护功能。

PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.cn 当金属接地网被铺设后，接地就变得更容易了。注意：浪涌保护器一定安装在它本身的导轨，然后直接连接到星点接地，否则普通的阻抗耦合将耦合一个浪涌进入本安设备。 当存在很多可以引起浪涌的情况下——相应的能量级别要比危险区域设计的级别更高——那么出色的雷电保护是极为重要的。系统设计师需要仔说明接地策略，寻求可靠权威的建议，在UK是Health and Safety Executive。

详细见附录C。

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