廣東雷寧普檢測(cè)是專業(yè)第三方防雷檢測(cè)機(jī)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)室具備GB/T 18802.21、IEC/EN 61643-21標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)資質(zhì)，可提供信號(hào)浪涌保護(hù)器防雷檢測(cè)、型式試驗(yàn)、委托測(cè)試服務(wù)。

隨著工業(yè)化、信息化發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)集成度不斷提高，但電子信息系統(tǒng)對(duì)電磁環(huán)境非常敏感，耐受電涌沖擊能力較弱。電子信息系統(tǒng)易遭受來自開關(guān)動(dòng)作、線路故障以及雷擊產(chǎn)生的電涌沖擊，從而造成傳輸信號(hào)失真、數(shù)據(jù)丟失、設(shè)備損壞，其中雷擊電涌造成的危害最為嚴(yán)重。

傳統(tǒng)的防雷措施屬于外部雷電防護(hù)系統(tǒng)，只能有效防護(hù)直擊雷，但近年來感應(yīng)雷及雷擊電磁脈沖輻射造成的損失越來越多且難以控制，這就需要建立有效的內(nèi)部防雷系統(tǒng)來抑制感應(yīng)雷，其中最有效的措施就是安裝電涌保護(hù)器(SPD)。分析雷電特性，設(shè)計(jì)適用于電子信息系統(tǒng)的信號(hào)型電涌保護(hù)器對(duì)提高我國雷電防護(hù)能力有著極其重要的意義。

1 信號(hào)型SPD關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)

1.1 信號(hào)型SPD總體設(shè)計(jì)原理

電子線路最有效的防雷措施就是在線路上靠近設(shè)備側(cè)安裝SPD。SPD是可對(duì)雷電過電壓及系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的操作過電壓加以限制，并對(duì)地泄放大電流的安全防護(hù)裝置。為了獲得高通流量、低殘壓，信號(hào)型SPD需設(shè)計(jì)成兩級(jí)保護(hù)電路，具有差模(線一線的保護(hù))、共模(線一地的保護(hù))兩種保護(hù)模式。如圖l所示，前級(jí)防護(hù)電路主要采用GDT將暫態(tài)電涌電壓波大部分能量泄放到大地，以確保SPD具有較高的泄流能力；后級(jí)防護(hù)電路主要利用Tvs管將過電壓限制在被保護(hù)系統(tǒng)的耐受電壓水平以下，以獲得較低的殘壓值。

1.2 信號(hào)型SPD關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)

電子信息設(shè)備及其傳輸信號(hào)具有多樣性，這就要求設(shè)計(jì)的信號(hào)型SPD具有廣泛的兼容性。本文設(shè)計(jì)的信號(hào)線路SPD具有以下關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)：

(1)防護(hù)電路均采用GDT與TvS組成的兩級(jí)防護(hù)模式，采用國外進(jìn)口品牌元器件以及先進(jìn)PCB*fJ作加工工藝，確保SPD具有較強(qiáng)的電涌抑制能力。設(shè)計(jì)的信號(hào)型SPD在8／20s雷電流波形沖擊下標(biāo)稱放電電流為10kA，最高可達(dá)20kA，并且具有較低的輸出電壓值。

(2)設(shè)計(jì)的信號(hào)線路SPD具有二線制、三線制及四線制接線模式；采用接地導(dǎo)軌安裝結(jié)構(gòu)，接地便捷、節(jié)省空間；電涌防護(hù)模塊設(shè)計(jì)成支持熱插拔模式，可單獨(dú)監(jiān)測(cè)、維護(hù)方便。

2 信號(hào)線路SPD設(shè)計(jì)

2.1 電路原理圖

對(duì)于信號(hào)線而言常見的電涌電壓有共模、差模干擾電壓。

共模電壓是相對(duì)于同一個(gè)參考點(diǎn)的信號(hào)，而差模電壓是兩個(gè)信號(hào)之間的差，一般沒有強(qiáng)調(diào)是公共地，可以看作一個(gè)信號(hào)。

信號(hào)線由多根導(dǎo)線組成，當(dāng)電涌到來時(shí)，所有導(dǎo)線都趨向于大地的電壓移動(dòng)，即產(chǎn)生了共模干擾電壓；同時(shí)在各導(dǎo)線之間也會(huì)形成電位差，即差模干擾電壓。兩種干擾電壓都能影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其中共模干擾電壓沖擊更為嚴(yán)重，而設(shè)備更易受到差模干擾電壓沖擊，在設(shè)計(jì)信號(hào)型SPD時(shí)，對(duì)差模、共模干擾電壓均要進(jìn)行防護(hù)。

根據(jù)圖1信號(hào)型SPD設(shè)計(jì)要求及原理，如圖2～4所示，將適用于模擬／數(shù)字信號(hào)線路保護(hù)的二線制、三線制、四線制信號(hào)線路SPD電路設(shè)計(jì)成由GDT與TVS管組成的兩級(jí)防護(hù)電路，具有差模、共模兩種保護(hù)模式。主要利用前級(jí)的GDT防護(hù)電路抑制共模電涌電壓，利用GDT與TvS管組成的兩級(jí)防護(hù)電路抑制差模電涌電壓。

2.2 前級(jí)GDT防護(hù)電路

2.2.1 GDT防護(hù)電路

如圖5所示，利用GDT對(duì)共模、差模電涌電壓進(jìn)行抑制時(shí)，在一端口系統(tǒng)中需兩個(gè)二極GDT，用三極GDT時(shí)僅需一個(gè)；在二端口系統(tǒng)中需四個(gè)二極GDT，用三極GDT時(shí)僅需兩個(gè)。

對(duì)于一端口采用二極GDT，兩個(gè)GDT放電特性具有分散性，當(dāng)共模電涌電壓到來時(shí)，有可能不同時(shí)導(dǎo)通，GDT保護(hù)電路額外產(chǎn)生的差模電涌電壓也會(huì)損壞設(shè)備。采用一個(gè)三極GDT，兩對(duì)電極之間具有良好對(duì)稱特性，能減小兩對(duì)電極之間導(dǎo)通與關(guān)斷的時(shí)間差，提高保護(hù)性能。在差模電涌沖擊下，被保護(hù)系統(tǒng)將承受兩個(gè)二極GDT殘壓之和，或一個(gè)三極GDT兩對(duì)電極間殘壓之和，對(duì)于敏感設(shè)備而言，可考慮在1、2號(hào)線間再加一個(gè)二極GDT。在設(shè)計(jì)GDT防護(hù)電路時(shí)采用三極GDT，不僅可簡(jiǎn)化電路，還能提高保護(hù)性能。

2.2.2 GDT選型

SPD的標(biāo)稱放電電流主要由前級(jí)保護(hù)電路中GDT通流容量來決定，本文設(shè)計(jì)的信號(hào)型SPD標(biāo)稱放電電流設(shè)定為10kA(8／20s)，結(jié)合圖l信號(hào)型SPD設(shè)計(jì)要求及原理，GDT參數(shù)選為直流擊穿電壓9ov±2O％，標(biāo)稱放電電流10kA(8／20‘Ls)，最大放電電流20kA(8／20s)。

2.3 后級(jí)橋式防護(hù)電路

2.3.1 橋式防護(hù)電路

用于高頻數(shù)字信號(hào)傳輸線路電涌防護(hù)時(shí)，后級(jí)防護(hù)電路采取TVS管與快恢復(fù)二極管串聯(lián)構(gòu)成橋式電路的設(shè)計(jì)方案，以降低防護(hù)電路分布電容。

2.3.2 TVS管選型

SPD的動(dòng)作電壓和電壓保護(hù)水平主要取決于后級(jí)保護(hù)電路中TVs的擊穿電壓和鉗位電壓，結(jié)合瞬態(tài)抑制二極管的應(yīng)用，選取的TvS擊穿電壓UBB與被保護(hù)回路的工作、信號(hào)電壓峰值‰問應(yīng)滿足下式：

根據(jù)SH／T3164-2012《石油化工儀表系統(tǒng)防雷工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.4.1.2條規(guī)定，對(duì)于24VDC供電的儀表，考慮到電源電壓波動(dòng)及負(fù)載變化的影響，信號(hào)電壓最大值為30~36VDC。

另外，第8.4.4.2條規(guī)定，對(duì)于24VDC信號(hào)儀表，SPD的電壓保護(hù)水平應(yīng)為60V，一般信號(hào)型sPD限制電壓為被保護(hù)設(shè)備工作或信號(hào)電壓的2～2.5倍。通常工業(yè)系統(tǒng)中信號(hào)儀表的工作或信號(hào)電壓為5v、24v，故TvS管可相應(yīng)選為雙向瞬態(tài)抑制二極管，其反向關(guān)斷電壓分別為8V、33V，擊穿電壓分別為8～l2V、36~42V，最大限制電壓分別為20V、60v。