信号线路浪涌保护器防雷设计（上）

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随着工业化、信息化发展，工业控制系统集成度不断提高，但电子信息系统对电磁环境非常敏感，耐受电涌冲击能力较弱。电子信息系统易遭受来自开关动作、线路故障以及雷击产生的电涌冲击，从而造成传输信号失真、数据丢失、设备损坏，其中雷击电涌造成的危害最为严重。

传统的防雷措施属于外部雷电防护系统，只能有效防护直击雷，但近年来感应雷及雷击电磁脉冲辐射造成的损失越来越多且难以控制，这就需要建立有效的内部防雷系统来抑制感应雷，其中最有效的措施就是安装电涌保护器(SPD)。分析雷电特性，设计适用于电子信息系统的信号型电涌保护器对提高我国雷电防护能力有着极其重要的意义。

1 信号型SPD关键设计技术

1.1 信号型SPD总体设计原理

电子线路最有效的防雷措施就是在线路上靠近设备侧安装SPD。SPD是可对雷电过电压及系统内部产生的操作过电压加以限制，并对地泄放大电流的安全防护装置。为了获得高通流量、低残压，信号型SPD需设计成两级保护电路，具有差模(线一线的保护)、共模(线一地的保护)两种保护模式。如图l所示，前级防护电路主要采用GDT将暂态电涌电压波大部分能量泄放到大地，以确保SPD具有较高的泄流能力；后级防护电路主要利用Tvs管将过电压限制在被保护系统的耐受电压水平以下，以获得较低的残压值。

1.2 信号型SPD关键设计技术

电子信息设备及其传输信号具有多样性，这就要求设计的信号型SPD具有广泛的兼容性。本文设计的信号线路SPD具有以下关键技术特点：

(1)防护电路均采用GDT与TvS组成的两级防护模式，采用国外进口品牌元器件以及先进PCB*fJ作加工工艺，确保SPD具有较强的电涌抑制能力。设计的信号型SPD在8／20s雷电流波形冲击下标称放电电流为10kA，最高可达20kA，并且具有较低的输出电压值。

(2)设计的信号线路SPD具有二线制、三线制及四线制接线模式；采用接地导轨安装结构，接地便捷、节省空间；电涌防护模块设计成支持热插拔模式，可单独监测、维护方便。

2 信号线路SPD设计

2.1 电路原理图

对于信号线而言常见的电涌电压有共模、差模干扰电压。

共模电压是相对于同一个参考点的信号，而差模电压是两个信号之间的差，一般没有强调是公共地，可以看作一个信号。

信号线由多根导线组成，当电涌到来时，所有导线都趋向于大地的电压移动，即产生了共模干扰电压；同时在各导线之间也会形成电位差，即差模干扰电压。两种干扰电压都能影响系统的正常运行，其中共模干扰电压冲击更为严重，而设备更易受到差模干扰电压冲击，在设计信号型SPD时，对差模、共模干扰电压均要进行防护。

根据图1信号型SPD设计要求及原理，如图2～4所示，将适用于模拟／数字信号线路保护的二线制、三线制、四线制信号线路SPD电路设计成由GDT与TVS管组成的两级防护电路，具有差模、共模两种保护模式。主要利用前级的GDT防护电路抑制共模电涌电压，利用GDT与TvS管组成的两级防护电路抑制差模电涌电压。

2.2 前级GDT防护电路

2.2.1 GDT防护电路

如图5所示，利用GDT对共模、差模电涌电压进行抑制时，在一端口系统中需两个二极GDT，用三极GDT时仅需一个；在二端口系统中需四个二极GDT，用三极GDT时仅需两个。

对于一端口采用二极GDT，两个GDT放电特性具有分散性，当共模电涌电压到来时，有可能不同时导通，GDT保护电路额外产生的差模电涌电压也会损坏设备。采用一个三极GDT，两对电极之间具有良好对称特性，能减小两对电极之间导通与关断的时间差，提高保护性能。在差模电涌冲击下，被保护系统将承受两个二极GDT残压之和，或一个三极GDT两对电极间残压之和，对于敏感设备而言，可考虑在1、2号线间再加一个二极GDT。在设计GDT防护电路时采用三极GDT，不仅可简化电路，还能提高保护性能。

2.2.2 GDT选型

SPD的标称放电电流主要由前级保护电路中GDT通流容量来决定，本文设计的信号型SPD标称放电电流设定为10kA(8／20s)，结合图l信号型SPD设计要求及原理，GDT参数选为直流击穿电压9ov±2O％，标称放电电流10kA(8／20‘Ls)，最大放电电流20kA(8／20s)。

2.3 后级桥式防护电路

2.3.1 桥式防护电路

用于高频数字信号传输线路电涌防护时，后级防护电路采取TVS管与快恢复二极管串联构成桥式电路的设计方案，以降低防护电路分布电容。

2.3.2 TVS管选型

SPD的动作电压和电压保护水平主要取决于后级保护电路中TVs的击穿电压和钳位电压，结合瞬态抑制二极管的应用，选取的TvS击穿电压UBB与被保护回路的工作、信号电压峰值‰问应满足下式：

根据SH／T3164-2012《石油化工仪表系统防雷工程设计规范》第8.4.1.2条规定，对于24VDC供电的仪表，考虑到电源电压波动及负载变化的影响，信号电压最大值为30~36VDC。

另外，第8.4.4.2条规定，对于24VDC信号仪表，SPD的电压保护水平应为60V，一般信号型sPD限制电压为被保护设备工作或信号电压的2～2.5倍。通常工业系统中信号仪表的工作或信号电压为5v、24v，故TvS管可相应选为双向瞬态抑制二极管，其反向关断电压分别为8V、33V，击穿电压分别为8～l2V、36~42V，最大限制电压分别为20V、60v。