張國(guó)侯 趙靜銳 連亞威 曹強(qiáng) 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院通號(hào)學(xué)院

1 雷電概述

雷電主要是直擊雷、感應(yīng)雷、傳導(dǎo)雷三種形式。其破壞作用與峰值電壓及其波形有密切的關(guān)系，而雷電波頻譜則是研究雷電波的傳輸及雷電防護(hù)的重要依據(jù)。

基于現(xiàn)代防雷理論，雷電防護(hù)的基本途徑就是提供一條雷電流對(duì)地泄放的合理的阻抗路徑，控制雷電能量的按指定線(xiàn)路泄放與轉(zhuǎn)換。目前抑制信號(hào)電源遭遇雷擊的措施主要有相線(xiàn)與地線(xiàn)間并聯(lián)電容法、變壓器隔離法、電涌保護(hù)法，用這些措施來(lái)抑制或降低雷電對(duì)各設(shè)備的損害。

2 鐵路信號(hào)SPD中常用的防雷元件

2.1 壓敏電阻工作原理及性能分析

壓敏電阻是一種電阻值對(duì)電壓敏感的電阻器，英文名稱(chēng)為“Voltage Dependent Resistor”簡(jiǎn)稱(chēng)“VDR”。其材料為半導(dǎo)體，采用陶瓷工藝，廣泛采用氧化鋅壓敏電阻器，分為預(yù)擊穿區(qū)、擊穿區(qū)以及上升區(qū)三個(gè)方面。工作原理如圖1所示。

圖1 壓敏電阻工作原理圖

根據(jù)壓敏電阻的導(dǎo)電機(jī)理，其對(duì)過(guò)電壓的響應(yīng)速度很快，如帶引線(xiàn)式和專(zhuān)用電極產(chǎn)品，一般響應(yīng)時(shí)間小于25納秒。因此當(dāng)選用壓敏電阻作為防雷元件時(shí)，只要得當(dāng)壓敏電阻器對(duì)線(xiàn)路中出現(xiàn)的瞬態(tài)過(guò)電壓有著優(yōu)良的抑制作用。

2.2 氣體放電管結(jié)構(gòu)分析及選用

氣體放電管是一種陶瓷或玻璃封裝的、內(nèi)充低壓氣體放點(diǎn)介質(zhì)的、密封于一個(gè)或一個(gè)以上放電間隙中的短路型保護(hù)器件，一般分兩級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)。其作用是用來(lái)保護(hù)設(shè)備和設(shè)備操作人員免遭高壓沖擊過(guò)程的過(guò)電壓保護(hù)元件。

實(shí)驗(yàn)中，我們選用型號(hào)為2R230，直流擊穿電壓230+20%，響應(yīng)時(shí)間10-6微秒級(jí)的氣體放電管，根據(jù)實(shí)測(cè)分析，該型號(hào)GDT的響應(yīng)電壓即其擊穿電壓較高，且響應(yīng)時(shí)間較慢，同時(shí)可分析出GDT導(dǎo)通以后的電壓下降速度遠(yuǎn)高于MOV，說(shuō)明其泄漏能力更強(qiáng)，因而可作為多級(jí)防護(hù)中的一級(jí)防護(hù)。結(jié)合MOV等保護(hù)器件配合使用，才可達(dá)到較好的防護(hù)效果。

2.3 固體放電管的原理及作用

固態(tài)放電管是一種過(guò)壓保護(hù)器件，是利用晶閘管原理制成的，依靠PN結(jié)的擊穿電流觸發(fā)器件導(dǎo)通放電，可以流過(guò)很大的浪涌電流或脈沖電流。其擊穿電壓的范圍構(gòu)成了過(guò)電壓保護(hù)的范圍，固定放電管使用時(shí)可直接跨接在被保護(hù)電路的兩端。

2.4 瞬態(tài)二極管的特性與應(yīng)用

瞬態(tài)二極管（TVS）也稱(chēng)為齊納二極管，它是一種箝位類(lèi)型抑制過(guò)電壓的元器件，隨著加在它兩端的電壓不同而改變其阻抗，在規(guī)定的反向電壓作用下，兩端電壓大于門(mén)限電壓時(shí)，其工作阻抗能立即降至很低的水平以允許大電流的通過(guò)，并將兩端電壓鉗制在很低的水平，從而有效的保護(hù)末端電子產(chǎn)品中的精密元件避免損壞。雙向TVS可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈動(dòng)功率，因此較適合于交流電路TVS二極管是固態(tài)二極管優(yōu)點(diǎn)在于殘壓低，動(dòng)作精度高，響應(yīng)時(shí)間快，沒(méi)有續(xù)流，不易退化。

3 兩級(jí)SPD電路設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

既有的SPD電路如圖2所示，通流能力不足，耐高壓沖擊不夠高，元器件容易老化劣化?；谶@一情況，本設(shè)計(jì)中精選防雷元器件，并作出部分改進(jìn)，重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路框圖如圖3所示。經(jīng)試驗(yàn)分析，在現(xiàn)有的電源防雷保護(hù)電路中，氣體放電管與壓敏電阻的有效配合能夠?qū)PD的通流能力大大提升，過(guò)電壓沖擊后限制電壓會(huì)更低，延緩元器件的老化劣化。具體電路如圖4所示。

圖2 既有的SPD電路

圖3 設(shè)計(jì)電路框圖

此電路中我們?cè)黾恿嗽须娐分形词褂眠^(guò)的退耦元件，其作用有以下幾點(diǎn)：雷電波由于線(xiàn)路上加入退耦元件會(huì)導(dǎo)致傳輸速度會(huì)降低；在電流一定的情況下，線(xiàn)路波阻抗增加導(dǎo)致線(xiàn)路電壓增加，有利于第一級(jí)開(kāi)關(guān)型器件的提前啟動(dòng)；雷電波通過(guò)退耦元件后，波形的上升陡度會(huì)降低；線(xiàn)路中加入退耦元件等于延長(zhǎng)了導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度，使得雷電波在該段線(xiàn)路上的傳輸時(shí)。

3.2 MOV和GDT試驗(yàn)的結(jié)果

我們對(duì)MOV和GDT做了能量配合試驗(yàn)，根據(jù)對(duì)MOV和GDT的試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)固定MOV壓敏電壓時(shí)，要達(dá)到不完全配合階段所需的過(guò)電壓幅值會(huì)隨GDT沖擊擊穿電壓的升高而升高，當(dāng)固定MOV壓敏電壓時(shí)，GDT的沖擊擊穿電壓越小，完全配合所需過(guò)電壓幅值越低的原則，綜上得出，當(dāng)固定MOV壓敏電壓時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇離MOV壓敏電壓相近的GDT做能量配合。

3.3 具體電路的設(shè)計(jì)

圖4 改進(jìn)后的SPD電路

3.4 該電路原理

本電路采用兩級(jí)防護(hù)。一級(jí)為主保護(hù)，主要用來(lái)吸收電涌過(guò)電壓、過(guò)電流，二級(jí)防護(hù)用來(lái)使經(jīng)過(guò)一級(jí)防護(hù)后的電壓降到設(shè)備所能承受的電壓。在一級(jí)防護(hù)中采用壓敏電阻與氣體放電管串聯(lián)的方式，主要解決壓敏電阻漏電流大的問(wèn)題，當(dāng)壓敏電阻電路中串聯(lián)氣體放電管時(shí)，氣體放電管就相當(dāng)于開(kāi)關(guān)，會(huì)先于壓敏電阻開(kāi)始漏流，能夠有效的阻止壓敏電阻的漏電流，防止因漏電流產(chǎn)生的老化以及自燃現(xiàn)象。在二級(jí)防雷電路中，采用并聯(lián)壓敏電阻的方式，提高了電涌保護(hù)器的耐受水平，降低了壓敏電阻的耐受限制電壓，提高了使用壽命。同時(shí)壓敏電阻與氣體放電管串聯(lián)之后再并聯(lián)，可以有效的提高放電能力，使得每個(gè)壓敏電阻電流都不過(guò)載，增大了SPD的通流量，起到快速熱脫保護(hù)。

為了使一級(jí)保護(hù)優(yōu)于二級(jí)保護(hù)先啟動(dòng)，在一級(jí)保護(hù)和二級(jí)保護(hù)之間串聯(lián)了退耦元件。本電路采用電感作為退耦元件，串聯(lián)在一級(jí)保護(hù)和二級(jí)保護(hù)之間，使通過(guò)電感的電流不能躍變，阻止了電流的快速通過(guò)保障了一級(jí)防雷元件的作用并且使得過(guò)電壓降低到二級(jí)保護(hù)所能承受的范圍。

3.5 該電路的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：電路主要采用壓敏電阻串聯(lián)氣體放電管的組合方式，保障了SPD的使用壽命，可以確保SPD長(zhǎng)久可靠的使用；在二級(jí)防護(hù)中，將氣體放電管與壓敏電阻串聯(lián)后又并聯(lián)的方式，增大了SPD的通流量。起到快速熱脫保護(hù)，對(duì)設(shè)備起到重要的保護(hù)作用。

缺點(diǎn)：在二級(jí)防護(hù)中，用到多個(gè)GDT并聯(lián)，導(dǎo)致二級(jí)防護(hù)系統(tǒng)的擊穿電壓升高，可能會(huì)造成某些低電壓設(shè)備兩端的過(guò)電壓。

3.6 該電路意義與價(jià)值

在分析了現(xiàn)有的SPD電路所存在不足的基礎(chǔ)之上，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩級(jí)SPD電路，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明，此電路的防雷效果比原有的防雷模塊好，能夠承受過(guò)高的電壓，可以使得鐵路信號(hào)系統(tǒng)在雷電襲擊時(shí)更可靠有效的工作。

4 小結(jié)

從現(xiàn)有防雷電路以及雷電的產(chǎn)生和特性進(jìn)行分析并設(shè)計(jì)出新的防雷電路，該電路在一定程度上提高了對(duì)鐵路信號(hào)電源屏的防雷，使得信號(hào)電源屏在雷雨天氣也能夠穩(wěn)定可靠的對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備進(jìn)行供電，從而使得鐵路系統(tǒng)在雷雨天氣能夠安全的運(yùn)行。

[1]張國(guó)侯，楊進(jìn).鐵路信號(hào)電源與防雷［M］.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,2017.