分布電容對信號類SPD殘壓影響的分析

盧 睿，吳舒婷，李苗苗

(洞頭區(qū)氣象局，浙江溫州 325700)

近年來，低壓電力設(shè)備過電壓事故逐漸增加，造成了較大的直接和間接的經(jīng)濟損失，日益嚴峻的形勢使得低壓系統(tǒng)的過電壓保護勢在必行。電涌保護器(surge protective device，SPD)由于擁有優(yōu)良的抗過電壓特性，可以在最短的時間內(nèi)釋放過電壓浪涌，限制過電壓和過電流通過線路，降低設(shè)備各接口端的電位差[1]。有些學者利用波過程的理論, 在二級配合試驗中的能量傳輸情況，將行波理論很好地運用在組合型浪涌保護電路中的沖擊反應(yīng)過程[2-4]；還有些學者從理論分析的角度對低壓配電系統(tǒng)中的多級電涌保護器之間的能量配合作了分析[5-8]；李博[9]、葉挺[10]等認為浪涌保護器之間進行能量配合的關(guān)鍵是調(diào)整好氣體放電管與TVS管之間的啟動時間，避免使TVS管遭受過大的能量而導致?lián)p壞。因此，為了增強電子設(shè)備抵御雷電電涌的能力，通過對各類SPD的設(shè)計與測試，合理分配前后級SPD的能量分配，優(yōu)化現(xiàn)有信號SPD電路組合就顯得尤為重要。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

為測試不同的SPD組合電路吸收過電壓能量的效果，優(yōu)化SPD保護電路，設(shè)計了三種SPD組合電路。RJ45網(wǎng)絡(luò)接口SPD的工作原理主要分為三種。第一種整流橋結(jié)構(gòu)的SPD工作原理是：雷電流經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)接口傳入時，氣體放電管作為第一級SPD將雷電流大部分能量泄放入地，剩余一部分雷電流通過線路流經(jīng)第二級上的TVS管，TVS管主要起到線間箝位的作用；但由于氣體放電管的響應(yīng)時間大于TVS管，這往往導致氣體放電管與TVS管的級間配合產(chǎn)生問題，氣體放電管來不及響應(yīng)，大電流沒有通過氣體放電管直接通過TVS管，造成器件損壞。因此需要在氣體放電管與TVS管之間連接上一個電阻，電阻的作用可以提升施加在氣體放電管兩端的電壓，使其快速啟動(見圖1a)。

第二種TVS管結(jié)構(gòu)的SPD的工作原理是：雷電流經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)接口傳入，氣體放電管將雷電流大部分能量泄放入地，TVS管起到限制線間電壓的作用，整流橋的作用是改善電路的分布電容，電阻的作用是使施加在氣體放電管兩端的電壓增大，從而使其快速啟動(見圖1b)。

第三種TVS陣列結(jié)構(gòu)的SPD的工作原理是：雷電流經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)接口傳入，氣體放電管將雷電流大部分能量泄放入地，TVS陣列起到限制線間電壓的作用，電阻的作用是抬高放電管對地的電壓使其快速動作(見圖1c)。

圖1 三種構(gòu)造的SPD組合電路

圖1三種構(gòu)造中，放電管的直流啟動電壓為75 V，電阻大小為2.2 Ω，1/4 W TVS和TVS陣列的啟動電壓均為12 V。對于敏感的電子系統(tǒng)，其線間的電壓一般不超過幾十伏，很多參數(shù)的選擇都是折中的結(jié)果。比如放電管直流啟動電壓為75 V，這是考慮到其響應(yīng)時間和通流容量兩個參數(shù)，啟動電壓越低其響應(yīng)的時間將會減少，但與此同時其通流容量也會相應(yīng)的降低。在考慮了其響應(yīng)時間和通流容量的問題后，選擇75 V的直流放電電壓。對于電阻的選擇也是同樣道理，電阻太小可能會使放電管響應(yīng)時間延長或無法正常啟動；反之電阻太大會影響正常的網(wǎng)絡(luò)信號。鑒于此，參考文獻[11]后選擇了2.2 Ω的電阻。

2 試驗測試

完成了前期的設(shè)計和制作工作后，需進行一系列的對比測試，按照相關(guān)測試標準[12-13]對各個模板進行殘壓測試。隨著測試電壓的升高，放電管的殘壓值和SPD的殘壓值也隨之上升，其殘壓的最大值應(yīng)在設(shè)備所能耐受電壓的范圍內(nèi)。分析RJ45網(wǎng)絡(luò)接口SPD的沖擊電壓與殘壓的關(guān)系，即氣體放電管的正負極性沖擊電壓與所得殘壓的關(guān)系(圖2)。由圖2可以看出，氣體放電管兩端的殘壓隨沖擊電壓增加而增加。當正極性沖擊電壓達到4.5 kV時，放電管兩端殘壓達到最大，為185 V；當負極性沖擊電壓達到4.5 kV時，氣體放電管兩端殘壓達到182 V。TVS管的承受電壓壓在2 kV左右[14]，以上殘壓均在TVS管能承受的電壓范圍之內(nèi)，不會對TVS管構(gòu)成損壞。綜合圖3可以看出，不管是在正極性還是負極性沖擊電壓下，三種結(jié)構(gòu)的SPD的殘壓隨著沖擊電壓的增加穩(wěn)步上升，其中TVS管結(jié)構(gòu)與TVS陣列結(jié)構(gòu)的在同等沖擊殘壓下的殘壓相近。

圖2 氣體放電管正、負極性沖擊電壓與所得殘壓的關(guān)系

圖3 三種構(gòu)造的SPD在正、負極性沖擊電壓下的殘壓趨勢

信號類SPD由于流過的是高頻信號，SPD中的電容會對信號的傳輸產(chǎn)生影響[15-16]，因此評價一款SPD的性能好壞除了殘壓之外還需要考慮SPD的分布電容大小[17]。根據(jù)圖1中3張原理圖分析總的分布電容的大小。

整流橋結(jié)構(gòu)的SPD總分布電容C=Ca+Cb=892.5 pF， TVS管結(jié)構(gòu)的SPD總分布電容C=Ca+(Cb+Cc)/(Cb×Cc)=34.1 pF，TVS陣列結(jié)構(gòu)的SPD總分布電容C=Ca+Cd=4.5 pF，其中C表示總的分布電容，Ca表示放電管的分布電容，Cb表示整流橋的分布電容，Cc表示TVS管的分布電容，Cd表示TVS陣列的分布電容。

3 結(jié)論

(1)對整流橋、TVS管和TVS陣列結(jié)構(gòu)的SPD進行了組合波形下的沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)采用整流橋結(jié)構(gòu)的SPD的殘壓與采用TVS陣列結(jié)構(gòu)的SPD的殘壓基本相同；但由于信號類SPD中流過高頻信號，高頻信號下，SPD的分布電容對信號的衰減作用很明顯，整流橋結(jié)構(gòu)SPD的分布電容是TVS陣列結(jié)構(gòu)下的7倍。

(2)如果對信號傳輸保真不是特別嚴格，可以使用整流橋結(jié)構(gòu)的SPD，而對信號傳輸有比較嚴格要求時應(yīng)使用TVS陣列結(jié)構(gòu)的SPD。