廣東雷寧普檢測是專業(yè)第三方防雷檢測機(jī)構(gòu)，實(shí)驗室具備GB/T 18802.21、IEC/EN 61643-21標(biāo)準(zhǔn)檢測資質(zhì)，可提供信號浪涌保護(hù)器防雷檢測、型式試驗、委托測試服務(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)計適用于電子信息系統(tǒng)的信號型電涌保護(hù)器對提高我國雷電防護(hù)能力有著極其重要的意義。

1 信號型SPD關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)

1.1 信號型SPD總體設(shè)計原理

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，信號型SPD需設(shè)計成兩級保護(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 信號型SPD關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)

電子信息設(shè)備及其傳輸信號具有多樣性，這就要求設(shè)計的信號型SPD具有廣泛的兼容性。本文設(shè)計的信號線路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)計的信號型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)計的信號線路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)計成支持熱插拔模式，可單獨(dú)監(jiān)測、維護(hù)方便。

2 信號線路SPD設(shè)計

2.1 電路原理圖

對于信號線而言常見的電涌電壓有共模、差模干擾電壓。

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

信號線由多根導(dǎo)線組成，當(dāng)電涌到來時，所有導(dǎo)線都趨向于大地的電壓移動，即產(chǎn)生了共模干擾電壓；同時在各導(dǎo)線之間也會形成電位差，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)計信號型SPD時，對差模、共模干擾電壓均要進(jìn)行防護(hù)。

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

2.2 前級GDT防護(hù)電路

2.2.1 GDT防護(hù)電路

如圖5所示，利用GDT對共模、差模電涌電壓進(jìn)行抑制時，在一端口系統(tǒng)中需兩個二極GDT，用三極GDT時僅需一個；在二端口系統(tǒng)中需四個二極GDT，用三極GDT時僅需兩個。

對于一端口采用二極GDT，兩個GDT放電特性具有分散性，當(dāng)共模電涌電壓到來時，有可能不同時導(dǎo)通，GDT保護(hù)電路額外產(chǎn)生的差模電涌電壓也會損壞設(shè)備。采用一個三極GDT，兩對電極之間具有良好對稱特性，能減小兩對電極之間導(dǎo)通與關(guān)斷的時間差，提高保護(hù)性能。在差模電涌沖擊下，被保護(hù)系統(tǒng)將承受兩個二極GDT殘壓之和，或一個三極GDT兩對電極間殘壓之和，對于敏感設(shè)備而言，可考慮在1、2號線間再加一個二極GDT。在設(shè)計GDT防護(hù)電路時采用三極GDT，不僅可簡化電路，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保護(hù)電路中GDT通流容量來決定，本文設(shè)計的信號型SPD標(biāo)稱放電電流設(shè)定為10kA(8／20s)，結(jié)合圖l信號型SPD設(shè)計要求及原理，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)字信號傳輸線路電涌防護(hù)時，后級防護(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)計方案，以降低防護(hù)電路分布電容。

2.3.2 TVS管選型

SPD的動作電壓和電壓保護(hù)水平主要取決于后級保護(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)計規(guī)范》第8.4.1.2條規(guī)定，對于24VDC供電的儀表，考慮到電源電壓波動及負(fù)載變化的影響，信號電壓最大值為30~36VDC。

另外，第8.4.4.2條規(guī)定，對于24VDC信號儀表，SPD的電壓保護(hù)水平應(yīng)為60V，一般信號型sPD限制電壓為被保護(hù)設(shè)備工作或信號電壓的2～2.5倍。通常工業(yè)系統(tǒng)中信號儀表的工作或信號電壓為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。