信号线路浪涌保护器防雷设计（下）

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电子线路最有效的防雷措施是在线路上靠近设备侧安装SPD。现对信号型SPD总体设计原理进行分析，然后给出适用于模拟／数字信号线路保护的二线制、三线制、四线制信号线路SPD。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。设计了对地细保护信号线路SPD和防爆型信号线路SPD，最后进行了信号线路SPD防护模块热插拔试验。

2.4 退耦元件

为使两级保护电路实现有效配合，需在两级保护电路间串接退耦元件，常用退耦元件有电阻和电感。阻值的确定至关重要，要在两级防护电路有效配合的条件下，尽可能降低电阻对信号传输的不利影响。理论上可通过下式计算阻值：

式中，为线路上感应到的雷击电涌电压幅值，由于其难以测量，常用GDT的冲击击穿电压取代；Uc为TVS击穿后的最大钳位电压；，PP为Tvs击穿后的最大脉冲电流峰值。

在选择电阻时应注意：尽量选择抗冲击能力强的大功率电阻；选择线性电阻，对信号传输的不利影响较小。分别选择阻值为0、1.0Q、2.2Q、3.0Q、4.7Q、6.0n的电阻作为退耦电阻，在幅值为6kv／3kA的1.2／50s(8／20s)复合波冲击下，本试品两级保护电路的通流量试验参数如表1所示。

由表1可知，当阻值小于或等于1Q时，两级防护电路不能有效配合，前级GDT没有动作，后级TVs会因承受过大的电涌电流冲击而损坏；在2.2n附近时，两级防护电路实现有效配合。电阻过大会加大对被保护系统传输信号的不利影响，综合考虑，退耦电阻阻值选为2.2n。

2.5 对地细保护信号线路SPD设计

当被保护信号线路需要对地细保护时，以图4中四线制信号线路SPD为例，改进电路原理图如图6所示，对共模电涌电压的防护也是由GDT与TVS组成两级防护电路完成。

2.6 防爆型信号线路SPD设计

由于石油化工、天然气行业对防爆要求较高，为了满足本质安全型SPD对线一地间绝缘电压的设计要求，以图3中三线制信号线路SPD为例，改进电路原理图如图7所示，将原有的直流击穿电压为90V的三极GDT1、GDT2更换为直流击穿电压为600V的三极GDT，线一地绝缘电压为600V，满足设计要求；线一线间GDT保护电路动作电压高达600V，难以与后级Tvs实现能量匹配，需在线一线间再并接直流击穿电压为90V的两极GDT3、GDT4，这样还能有效提高GDT保护电路对差模电涌电压的抑制效果。

3 信号线路SPD防护模块热插拔试验

信号线路SPD设计成螺丝端子接线，导轨接地安装模式，能兼容二线制、三线制及四线制设计，节省了产品生产成本，减小了安装空间。电涌防护模块设计成支持热插拔模式，可将保护模块拔出单独监测或更换，并且拔出后底座不断电，基本不影响被保护系统信号传输，提高了安装、在线检测效率。为验证信号线路SPD电涌防护模块在插拔时不影响被保护系统信号传输，将SPD底座与温度变送器按照图8设计，利用示波器测量温度变送器的输出电压。SPD底座没有插入防护模块时，示波器输出为0.4V，温度变送器输出正常，报警灯灭。

将塑料板插入一拔出一插入SPD底座，测量温度变送器的输出变化。当塑料空白板插入SPD底座时，示波器输出由0.4V跳变至2.1v，温度变送器输出异常，报警灯亮；在拔出塑料板后，示波器输出恢复至0.4V，温度变送器输出正常，报警灯灭。

说明插入塑料板后回路电阻突然增大，导致温度变送器输出电压值发生较大幅度增大。

将防护模块插入一拔出一插入SPD底座，测量温度变送器的输出变化。SPD内阻为1n／线，在防护模块插入一拔出一插入SPD底座过程中，对回路电阻影响较小，示波器电压值变化很小，仅为毫安级，说明防护模块插拔对温变传输基本无影响。

4 结论

本文所研究的信号线路SPD具有以下关键技术特点：

(1) 应用范围广，具有5VDC／24VDC工作电压可选，适用于二线制、三线制及四线制模拟／数字信号线路电涌防护，并具有对地细保护及本质安全型两种特殊型号，可广泛用于工业自动化控制系统电子设备的电涌防护，如传感器、变送器、流量计、电磁阀及采用端子接线形式的总线接口设备等。

(2) 电涌抑制能力较强，在8／20s雷电流波形冲击下标称放电电流为10kA，最大放电电流达20kA，并且具有较低的输出电压值。

(3) 采用接地导轨安装，防雷接地便捷，节省了费用与安装空间。

(4) 电涌防护模块设计成支持热插拔模式，通过试验证明防护模块拔出后不断线，可单独监测，维护方便。