分布电容对信号类SPD残压影响的分析

2021-07-09吴舒婷李苗苗

陕西气象 2021年4期

卢睿，吴舒婷，李苗苗

(洞头区气象局，浙江温州 325700)

近年来，低压电力设备过电压事故逐渐增加，造成了较大的直接和间接的经济损失，日益严峻的形势使得低压系统的过电压保护势在必行。电涌保护器(surge protective device，SPD)由于拥有优良的抗过电压特性，可以在最短的时间内释放过电压浪涌，限制过电压和过电流通过线路，降低设备各接口端的电位差[1]。有些学者利用波过程的理论, 在二级配合试验中的能量传输情况，将行波理论很好地运用在组合型浪涌保护电路中的冲击反应过程[2-4]；还有些学者从理论分析的角度对低压配电系统中的多级电涌保护器之间的能量配合作了分析[5-8]；李博[9]、叶挺[10]等认为浪涌保护器之间进行能量配合的关键是调整好气体放电管与TVS管之间的启动时间，避免使TVS管遭受过大的能量而导致损坏。因此，为了增强电子设备抵御雷电电涌的能力，通过对各类SPD的设计与测试，合理分配前后级SPD的能量分配，优化现有信号SPD电路组合就显得尤为重要。

1 工作原理与结构设计

为测试不同的SPD组合电路吸收过电压能量的效果，优化SPD保护电路，设计了三种SPD组合电路。RJ45网络接口SPD的工作原理主要分为三种。第一种整流桥结构的SPD工作原理是：雷电流经过网络接口传入时，气体放电管作为第一级SPD将雷电流大部分能量泄放入地，剩余一部分雷电流通过线路流经第二级上的TVS管，TVS管主要起到线间箝位的作用；但由于气体放电管的响应时间大于TVS管，这往往导致气体放电管与TVS管的级间配合产生问题，气体放电管来不及响应，大电流没有通过气体放电管直接通过TVS管，造成器件损坏。因此需要在气体放电管与TVS管之间连接上一个电阻，电阻的作用可以提升施加在气体放电管两端的电压，使其快速启动(见图1a)。

第二种TVS管结构的SPD的工作原理是：雷电流经过网络接口传入，气体放电管将雷电流大部分能量泄放入地，TVS管起到限制线间电压的作用，整流桥的作用是改善电路的分布电容，电阻的作用是使施加在气体放电管两端的电压增大，从而使其快速启动(见图1b)。

第三种TVS阵列结构的SPD的工作原理是：雷电流经过网络接口传入，气体放电管将雷电流大部分能量泄放入地，TVS阵列起到限制线间电压的作用，电阻的作用是抬高放电管对地的电压使其快速动作(见图1c)。

图1 三种构造的SPD组合电路

图1三种构造中，放电管的直流启动电压为75 V，电阻大小为2.2 Ω，1/4 W TVS和TVS阵列的启动电压均为12 V。对于敏感的电子系统，其线间的电压一般不超过几十伏，很多参数的选择都是折中的结果。比如放电管直流启动电压为75 V，这是考虑到其响应时间和通流容量两个参数，启动电压越低其响应的时间将会减少，但与此同时其通流容量也会相应的降低。在考虑了其响应时间和通流容量的问题后，选择75 V的直流放电电压。对于电阻的选择也是同样道理，电阻太小可能会使放电管响应时间延长或无法正常启动；反之电阻太大会影响正常的网络信号。鉴于此，参考文献[11]后选择了2.2 Ω的电阻。

2 试验测试

完成了前期的设计和制作工作后，需进行一系列的对比测试，按照相关测试标准[12-13]对各个模板进行残压测试。随着测试电压的升高，放电管的残压值和SPD的残压值也随之上升，其残压的最大值应在设备所能耐受电压的范围内。分析RJ45网络接口SPD的冲击电压与残压的关系，即气体放电管的正负极性冲击电压与所得残压的关系(图2)。由图2可以看出，气体放电管两端的残压随冲击电压增加而增加。当正极性冲击电压达到4.5 kV时，放电管两端残压达到最大，为185 V；当负极性冲击电压达到4.5 kV时，气体放电管两端残压达到182 V。TVS管的承受电压压在2 kV左右[14]，以上残压均在TVS管能承受的电压范围之内，不会对TVS管构成损坏。综合图3可以看出，不管是在正极性还是负极性冲击电压下，三种结构的SPD的残压随着冲击电压的增加稳步上升，其中TVS管结构与TVS阵列结构的在同等冲击残压下的残压相近。

图2 气体放电管正、负极性冲击电压与所得残压的关系

图3 三种构造的SPD在正、负极性冲击电压下的残压趋势

信号类SPD由于流过的是高频信号，SPD中的电容会对信号的传输产生影响[15-16]，因此评价一款SPD的性能好坏除了残压之外还需要考虑SPD的分布电容大小[17]。根据图1中3张原理图分析总的分布电容的大小。

整流桥结构的SPD总分布电容C=Ca+Cb=892.5 pF， TVS管结构的SPD总分布电容C=Ca+(Cb+Cc)/(Cb×Cc)=34.1 pF，TVS阵列结构的SPD总分布电容C=Ca+Cd=4.5 pF，其中C表示总的分布电容，Ca表示放电管的分布电容，Cb表示整流桥的分布电容，Cc表示TVS管的分布电容，Cd表示TVS阵列的分布电容。