基于传输线的浪涌抑制装置的研究

基于传输线的浪涌抑制装置的研究

1浪涌抑制器配合随着技术的进步，以电子为核心的设备越来越多地应用于能源、通信、医疗、航空、现代生活等领域。但是这些电子设备的抗过电压能力非常脆弱,对电源和信号中出现的过电压非常敏感,由于过电压造成的事故时常发生。因此,过电压也越来越引起人们的重视。国内外的专家也进行了大量的试验和理论研究,研究过电压的防护措施,以及如何对保护器进行较好的配合,使之达到最佳的防护效果。在实际的浪涌过电压中,由于长尾波的波尾中含有大量的能量,对保护器和被保护设备危害更大,因此本文采用10/1000μs波,并利用传输线的去耦理论,对通信系统遭受过电压袭击时,浪涌抑制器的配合做了理论研究,并提出进行配合的具体措施。根据IEEE标准,在通信线路中,通常采用两级保护,如图1所示。第一级保护器主要是采用气体放电管G1、G2,放置在房屋的入口处,连接在导线和地线之间,主要目的是用于旁路泄放暂态大电流。第二级保护器主要采用压敏电阻或者瞬态抑制二极管,放置于被保护的设备之前,分别连接在导线和地线之间,它的主要目的是在G1、G2动作之前,对沿信号线路袭来的暂态过电压直接进行抑制,在G1、G2动作之后,进一步降低经第一级保护器之后的浪涌电压;或者消除地线上的电压,以及房屋内导线上直接感应出的电压。它们通常消除导线之间的共模电压,第二级保护器的导通电压比第一级保护器的要低。2模型的构建2.1导线间单位长度的互ct当雷电击中导线或者导线附近的其他物体,会在导线上产生过电压,产生的电压沿导线向两个相反的方向传播,如图2所示。根据文献中传输线的去耦理论,两根通信线和屏蔽线(或地线)所构成的三传输线系统以及电压源可以表示成为如图3所示的Л形等效电路模型。在图3中,La、Lb分别为两导线的单位长度的电感,μH/m;Lm为两导线之间单位长度的互电感,μH/m;Ca、Cb分别为两导线单位长度的电容,nF/m;Cm为两导线之间单位长度的互电容,nF/m;Ra、Rb和R0分别为两导线以及地线的单位长度的电阻值,Ω/m;d为导线长度。根据三传输线的去耦方法,利用去耦变换矩阵T,可以得到去耦后的共模电路的电压。Τ=12[11-11]Τ-1=[1-111]则可以得到[VdVc]=Τ-1[VV](1)式中Vc,Vd——共模和差模电压本文只考虑共模电压的影响。经去耦后的共模电路如图4所示。图4中,Zc为电源的共模阻抗,Rc、Lc、Cc分别为去耦后的导线的共模电阻、电感和电容。2.2波前时间和波尾半幅值时间s根据对通信线路上雷电暂态过电压的实测数据统计表明,这类的雷电暂态过电压波形可简化为10/1000μs(波前时间为10μs,波尾半幅值时间为1000μs)。标准也要求采用这种波形对通信线路中的设备进行过电压试验,其双指数形式表达式为u(t)=AUm(e-αt-e-βt)=V0(e-αt-e-βt)(2)式中A=1.019,α=712,β=262013Um——电压峰值t——时间,s2.3浪涌电压至保护时间的耦合如图2所示,感应的过电压可以表示成距交换机距离为x的任意点上的电压源,其中向右传播的浪涌电压可以表示成V(t,z)=V02e-zaf(t-zc)式中a——衰减常数c——浪涌在导线中的传播速度向右传播的浪涌电压在保护器处反射,反射电压向导线的另一端传播,当到达左端时,又会发生新的发射。左行的浪涌电压从耦合点到左边的时间为xc,从左边到保护器的时间为dc,到达保护器的总时间为x+dc;右行的浪涌电压到达保护器的时间为d-xc,因此,左行的浪涌比右行的浪涌到达保护器的时间晚2xc。这个过程要重复多次,直至耦合的浪涌衰减完毕。所以,采用叠加法,可以得到在第一级保护器处的电流为Ι(t)=V0Ζc∞∑n=0[f(t-2ndc)+f(t-2xc-2ndc)e-2ax]e-2nd(3)利用拉普拉斯变换L(f(t-u))=F(s)e-su,则上式可变换为Ι(s)=V0Ζc(s)∞∑n=0F(s)e-2ndsce-2nad(1+e-2xsce-2ax)=V0Ζc(s)F(s)1-e-(sc+a)2d(1+e-2x(sc+a))(4)由于浪涌电压在导线上传播时的衰减损耗ad<<。把a+sc记为传播常数γ(s),由知,传播常数γ(s)=√sc(r+sl),则式(4)变为Ι(s)=V0Ζc(s)F(s)1-e-2γ(s)d(1+e-2γ(s)x)≈V0Ζc(s)F(s)γ(s)d=√sccrc+slcV0F(s)√(rc+slc)sccd=V0F(s)(rc+slc)d(5)公式(5)表明图4中的等效电路就是电压源V(s)串联了线路的总阻抗。3浪涌电流参量的确定在图1中,第二级保护器的V1和V2具有比第一级保护器低的动作电压。假设雷电浪涌电压使第二级保护中的两个保护器同时动作,第一级保护器没有动作。由于波尾的时间比较长,因此可以忽略导线间电容的影响。在图5中第一级保护器用虚线画出,第二级浪涌保护器可以看作是一电压源Vm,如图5所示。由于耦合到线路中的雷电浪涌电压的波头远远小于波尾,波头可以用来研究保护器的动作顺序以及动作时的电压值。雷电波的大多数能量都包含在波尾中,因此可以用波尾来研究线路中电流的最大值以及各电路元件所承受的总能量。根据公式(2),波尾的可近似表达为u(t)=V0e-αt(6)可以采用波尾模型来定量分析跟浪涌波形有关的参量,其中包括流过第二级保护器的浪涌电流的峰值,以及所吸收的总能量。由图5可以得到流过第二级保护器的电流的计算公式如下:Ι(s)=V(s)-VmRt+SLt=V0(SLt+Rt)(S+α)+Vm(Rt+SLt)(7)经拉普拉斯反变换,就可以得到时域的电流表达式Ι(t)=V0Rt-Ltα(e-αt-e-t/τ)-VmRt(1-e-t/τ)(8)式中Rt=Rc+RcLt=Lc+Lc‚第一级保护器处的峰值电压为Vpeak≈RcΙpeak+Vm≈RcRt(V0-Vm)+Vm(9)在电压降落到Vm之前,电流继续流过第二级保护器,电流的截止时间为t=1αln(V0Vm)。这样,流过第二级保护器的总能量为Em=∫01αlnV0VmVmΙ(t)dt=Vm(V0-Vm)α(Rt-αLt)-Vm2Rt2(VmV0)RtαLt+Vm2LtRt+V0VmLtRt(Rt-αLt)(VmV0)RtαLt-V0VmLtRt(Rt-αLt)-Vm2αRt(lnV0Vm)(10)由于Rt＞＞αLt‚VmV0＜1,所以Rt-αLt≈Rt‚(VmV0)RtαLt≈0,则上式简化为Em≈1αRt[Vm(V0-Vm)-Vm2ln(V0Vm)](11)由公式(11)可以看出在所感应的浪涌电压峰值一定的情况下,导线距离越短则线路中的电流越大,流过保护器的能量也越大,保护器和被保护设备更容易受到损坏。按照公式(9),在第一、第二级保护器之间的导线上串联一个电阻,也就是增加R′c,可以使第一级保护器处的电压值升高,有助于第一级保护器的导通。增加导线的阻抗,流经保护器的电流变小,从而也就降低了损坏第二级保护器和房屋内的设备的可能性。因此,为了更好的获得一、二级保护器的配合,必须:①确定第一、二级保护器的动作电压值的最大差值,以及导线的最小电阻值,以确保流过的最大电流不会损坏被保护的设备。②利用公式(9)确定在第一、二级保护器之间所附加的电阻的最小值。4浪涌保护电压波尾时的配合本文利用传输线去耦理论,将采取浪涌保护的通信线路等效为共模电路的形