[摘 要]：本文通過對信號SPD的工作原理、選用原則、安裝方式等進(jìn)行了理論分析，并對信號SPD的沖擊特性、傳輸特性進(jìn)行了實驗驗證，總結(jié)了SPD安裝中的注意事項，分析了SPD的使用方法，使SPD能在信號線路中得到合理的使用及發(fā)揮更好的防護(hù)效果。

[關(guān)鍵詞]：SPD 信號 安裝 應(yīng)用

0 引言

防雷設(shè)備必須與IEC 61024規(guī)定的內(nèi)部防雷設(shè)備配套才能有效地工作。除此之外，外部防雷設(shè)備會給房屋內(nèi)部的電氣設(shè)備帶來EMC問題。如果雷電在電子設(shè)備附近或通過自然雷電電流通道擊中地下，也會以同樣的方式進(jìn)入導(dǎo)線回路，所有與雷擊通路并行和斜向的導(dǎo)線均會受到影響。因此，為了防止瞬態(tài)浪涌摧毀電氣系統(tǒng)，所有處于危險的接口，如電源和信號輸入，必須安裝防雷及電涌保護(hù)器。

1 SPD的概述

SPD（電涌保護(hù)器）：Surge Protective Device的縮寫，其功能是抑制瞬態(tài)過電壓以及旁路浪涌電流，來保護(hù)設(shè)備的一種保護(hù)裝置，它包含至少一非線性元件[1]。在雷電來襲時，防雷器能在最短時間內(nèi)（納秒級）將被保護(hù)系統(tǒng)連入等電位系統(tǒng)，使設(shè)備各端口等電位，同時將電路上因雷擊產(chǎn)生的大量脈沖能量經(jīng)短路泄放到大地，降低設(shè)備各端口的電位差，從而起到保護(hù)作用。

2 信號線路SPD的分析

在國內(nèi)外廣泛采用多級防護(hù)電路，信號系統(tǒng)防過電壓的設(shè)計，要求在的不同位置上裝設(shè)各級SPD，使其能承擔(dān)應(yīng)該和相應(yīng)消耗的能量而不損壞或劣化，同時，還能滿足各位置上的電壓保護(hù)水平要求。在應(yīng)用中各SPD是按不同的需求分別選擇的，不過在選用信號SPD前，應(yīng)對信號SPD的基本原理和特性作一些基本的了解。

2.1 信號SPD的工作原理與特性分析

2.1.1 信號SPD的工作原理

放電管：是一種密封充有惰性氣體的開關(guān)元件，有兩極和三極放電管。作為信息系統(tǒng)線路SPD的第一級電涌保護(hù)元件，主要的優(yōu)點其一是能夠在瞬間泄放較大的電涌電流（5KA、8/20us）；其二是體積小，在較小的空間易于安裝。因此，廣域網(wǎng)的接口經(jīng)常應(yīng)用，稱為粗保護(hù)[2]。阻抗：阻抗Z在信息系統(tǒng)線路SPD具有兩級防護(hù)功能的裝置中是必不可少的，它安裝在第一級和第二級之間，起到延時和線路特性阻抗匹配作用。按照線路通信速率的不同，使用電阻R或電感L。瞬態(tài)二極管（TVS）：是近期轉(zhuǎn)為高速通信線路電涌保護(hù)研制的一種非線性元件。它具有穩(wěn)壓二極管的特性，但它的方向?qū)〞r間在1ns左右，方向?qū)▽?dǎo)通后，通過電流在300A至500A。但由于瞬態(tài)二極管PN結(jié)具有的分布電容C0作用，將會影響線路的通信速率，這是我們在選用SPD時要重點考慮的一個指標(biāo)。

2.1.2傳輸特性測試

IEC 61643-21：2000 電信和信號網(wǎng)絡(luò)的電涌保護(hù)器（SPD）--性能要求和試驗方法中要求對試品進(jìn)行傳輸特性試驗[4]。下面以RJ45型信號SPD為例，對信號SPD傳輸特性進(jìn)行說明。

（1）插入損耗

插入損耗指的是由于在傳輸系統(tǒng)中插入一個SPD所引起的損耗。

插入損耗=-20logMOD（T）=-20logτ

T= =τ∠Φ

其中，T--傳輸系數(shù)：為信號電壓比值，包含幅度信息和相位信息，為矢量。

插入損耗在SPD預(yù)定使用的傳輸應(yīng)用頻率范圍內(nèi)的參考值為1.0dB，常規(guī)值為0.5dB，優(yōu)選值為0.3dB。測試SPD的插入損耗的方法是：將網(wǎng)絡(luò)分析儀的通道1設(shè)定為傳輸測量；將網(wǎng)絡(luò)分析儀的開始-截至設(shè)定SPD預(yù)定使用的傳輸應(yīng)用頻率。在網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出端接平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器，接著用有合適的特性阻抗的導(dǎo)線連接兩個平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器的平衡端進(jìn)行響應(yīng)校準(zhǔn)；將被測SPD的輸入端連接至平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器的平衡端之間，由波形圖可知，該實驗的傳輸應(yīng)用頻率為0.14dB，小于0.3dB，所以該型號信號SPD是符合要求的。

（2）近端串?dāng)_

近端串?dāng)_測試屬于傳輸特性測試，其測量SPD內(nèi)一個回路耦合到另一個回路的信號，測量時對網(wǎng)絡(luò)分析儀的操作和插入損耗測量基本一致，主要區(qū)別是網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出端和輸入端通過RJ45的雙絞線同時接到被測SPD的輸入端上，在SPD的輸出端相應(yīng)接兩個匹配電阻[5]。

2.2 選擇信號SPD的基本原則

信號、通信線路上的SPD應(yīng)不會造成現(xiàn)場信號的明顯衰減和加大誤碼率；其緊靠被保護(hù)端口的保護(hù)元件不得采用氣體放電管而應(yīng)采用高響應(yīng)速度（整體SPD響應(yīng)時間不超過10ns）的精密保護(hù)器件。

在電子系統(tǒng)信號網(wǎng)絡(luò)中選用SPD時，還應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)廠在SPD本體上，或因受標(biāo)注面積限制而標(biāo)志在小包裝或說明書上標(biāo)注的可能影響網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的技術(shù)參數(shù)值來選用。

2.3 信號、通訊SPD的安裝原則

（1）凡經(jīng)室外引入系統(tǒng)的信號和通信電纜，電纜在室外的水平敷設(shè)長度大于50m或垂直敷設(shè)長度大于10m，且滿足下列條件之一時，宜在線路兩側(cè)裝設(shè)浪涌保護(hù)器：

①安全系統(tǒng)的I/O參數(shù)

②雷電防護(hù)等級為A級的重要控制參數(shù)和通信電纜。

（2）凡經(jīng)室外引入系統(tǒng)的信號和通信電纜，電纜在室外的水平敷設(shè)長度大于50m或垂直敷設(shè)長度大于10m，且雷電防護(hù)等級為B級的重要控制參數(shù)和通信電纜，宜在線路控制系統(tǒng)側(cè)裝設(shè)浪涌保護(hù)器。

凡符合下列情況之一者，可以不考慮裝設(shè)電涌保護(hù)器：

①室內(nèi)敷設(shè)（符合規(guī)范規(guī)定的電纜屏蔽和敷設(shè)要求）的I/O信號和通信電纜；

②現(xiàn)場端側(cè)的熱電偶；

③由配電間、電氣控制室以及大功率開關(guān)現(xiàn)場端來的強(qiáng)電開關(guān)量信號；

④室外埋地的雙層屏蔽電纜且兩端出地面后在室內(nèi)，或室外長度小于30m時。

2.4 信號、通訊線路SPD的使用分析

（1）I/O信號SPD的使用分析

供電電源為24Vdc信號，電流為（4-20）mA的控制系統(tǒng)I/O信號的SPD參數(shù)宜符合表6的規(guī)定。

現(xiàn)場儀表用SPD 應(yīng)安裝在與被保護(hù)儀表相同的防護(hù)、防爆等級的保護(hù)箱內(nèi)。如現(xiàn)場儀表無保護(hù)箱，宜用直接擰在變送器備用螺紋電纜接口上的SPD。

（2）通信端口上的SPD的使用分析

凡通信端口若符合上述安裝條件時，應(yīng)根據(jù)線路的：工作頻率；傳輸介質(zhì)；傳輸速率；傳輸帶寬；工作電壓；接口形式；特性阻抗等參數(shù)，選用電壓駐波比和插入損耗小的適配的SPD，也就是說所選擇的浪涌保護(hù)器也要具備和通信線路相同的性能。信號線的種類很多，傳輸速率各不相同。如電話撥號的傳輸速率為64Kb/s，而ADSL、DDN為2Mb/s，網(wǎng)絡(luò)雙絞線有10 Mb/s、100 Mb/s、1000 Mb/s等，同軸電纜有2Mb/s、10 Mb/s、40 Mb/s等。不同的傳輸速率對信號帶寬的要求不同，速率越高，要求的帶寬也越寬。另外，不同的信號載波頻率對電路的帶寬也有不同的要求。通常，低頻信號要求電路的幅頻特性是低通，中頻信號一般是帶通，而高頻信號則要求是高通或帶通。SPD的帶寬既要滿足傳輸速率對信號帶寬的要求，又要滿足載波頻率對電路帶寬的要求。如果SPD的帶寬不足，會使得部分信號無法傳輸[14]。傳輸信號的種類也很多，有模擬信號、數(shù)字信號，有音頻信號、視頻信號，有低頻信號、高頻信號等。信號電壓也各不相同，有直流、有交流，電壓有5V、12V、24V、48V、100V等。信號電壓不同，對SPD的標(biāo)稱導(dǎo)通電壓有不同的要求。如果SPD的標(biāo)稱導(dǎo)通電壓過低，會使SPD頻繁導(dǎo)通，影響信號的通過，也使SPD容易損壞；而標(biāo)稱導(dǎo)通電壓過高，可能會使得雷電過電壓進(jìn)入被保護(hù)設(shè)備，起不到應(yīng)有的防雷作用。

3 信號SPD的應(yīng)用

3.1 信號SPD在消防系統(tǒng)中的應(yīng)用

消防電子設(shè)備采用交流供電時，在交流電源系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置SPD保護(hù)，由消防控制室引出的信號線聯(lián)動控制線等，應(yīng)根據(jù)建筑物的重要性，裝設(shè)適配的SPD。

消防控制室與本地區(qū)或城市119報警指揮中心之間聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)出線路端口應(yīng)裝設(shè)信號防雷器。

消防控制室內(nèi)，應(yīng)設(shè)置S型等電位接地網(wǎng)格，室內(nèi)所有設(shè)備主機(jī)、聯(lián)動控制盤等設(shè)備的機(jī)架（殼）配線槽、設(shè)備保護(hù)接地、電源系統(tǒng)保護(hù)接地、SPD接地端均應(yīng)做等電位連接。

在集中火災(zāi)報警及聯(lián)動控制柜處分別加裝電源、控制信號、音頻信號防雷器。

3.2 信號SPD在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各類集線器的輸入、輸出端口應(yīng)分別裝設(shè)數(shù)據(jù)線SPD[7]。當(dāng)終端設(shè)備與集線器之間的距離超過30m時，重要終端設(shè)備的信息插座也要裝設(shè)一個SPD。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各類調(diào)制解調(diào)器的輸入和輸出端口應(yīng)分別裝設(shè)數(shù)據(jù)線路SPD。

在服務(wù)器前端和網(wǎng)絡(luò)層交換機(jī)處分別計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號防雷器。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中路由器的輸出端應(yīng)裝設(shè)SPD[8]。

4 結(jié)語

近三十年來，因雷電產(chǎn)生的雷擊電磁脈沖、電氣系統(tǒng)的開關(guān)操作和靜電放電產(chǎn)生的瞬態(tài)浪涌對電子設(shè)備的損害日益嚴(yán)重，為了防止這些過電壓破壞高靈敏電子設(shè)備，有效的途徑就是在可能出現(xiàn)此類高電壓的信號線路上，按照不同的需求合理使用SPD。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，SPD技術(shù)會不斷提高，我們只要能正確使用SPD，就一定能夠把雷電災(zāi)害帶來的損失降到最低程度。