信號電涌保護器的使用方法分析

[摘 要]：本文通過對信號SPD的工作原理、選用原則、安裝方式等進行了理論分析，并對信號SPD的沖擊特性、傳輸特性進行了實驗驗證，總結了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)揮更好的防護效果。

[關鍵詞]：SPD 信號 安裝 應用

0 引言

防雷設備必須與IEC 61024規(guī)定的內(nèi)部防雷設備配套才能有效地工作。除此之外，外部防雷設備會給房屋內(nèi)部的電氣設備帶來EMC問題。如果雷電在電子設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入導線回路，所有與雷擊通路并行和斜向的導線均會受到影響。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器。

1 SPD的概述

SPD（電涌保護器）：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，來保護設備的一種保護裝置，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）將被保護系統(tǒng)連入等電位系統(tǒng)，使設備各端口等電位，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，降低設備各端口的電位差，從而起到保護作用。

2 信號線路SPD的分析

在國內(nèi)外廣泛采用多級防護電路，信號系統(tǒng)防過電壓的設計，要求在的不同位置上裝設各級SPD，使其能承擔應該和相應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水平要求。在應用中各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)常應用，稱為粗保護[2]。阻抗：阻抗Z在信息系統(tǒng)線路SPD具有兩級防護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）：是近期轉為高速通信線路電涌保護研制的一種非線性元件。它具有穩(wěn)壓二極管的特性，但它的方向導通時間在1ns左右，方向導通導通后，通過電流在300A至500A。但由于瞬態(tài)二極管PN結具有的分布電容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。

2.1.2傳輸特性測試

IEC 61643-21：2000 電信和信號網(wǎng)絡的電涌保護器（SPD）--性能要求和試驗方法中要求對試品進行傳輸特性試驗[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預定使用的傳輸應用頻率范圍內(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)絡分析儀的通道1設定為傳輸測量；將網(wǎng)絡分析儀的開始-截至設定SPD預定使用的傳輸應用頻率。在網(wǎng)絡分析儀的輸出端接平衡/不平衡轉換器，接著用有合適的特性阻抗的導線連接兩個平衡/不平衡轉換器的平衡端進行響應校準；將被測SPD的輸入端連接至平衡/不平衡轉換器的平衡端之間，由波形圖可知，該實驗的傳輸應用頻率為0.14dB，小于0.3dB，所以該型號信號SPD是符合要求的。

（2）近端串擾

近端串擾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；其緊靠被保護端口的保護元件不得采用氣體放電管而應采用高響應速度（整體SPD響應時間不超過10ns）的精密保護器件。

在電子系統(tǒng)信號網(wǎng)絡中選用SPD時，還應根據(jù)生產(chǎn)廠在SPD本體上，或因受標注面積限制而標志在小包裝或說明書上標注的可能影響網(wǎng)絡傳輸性能的技術參數(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長度大于50m或垂直敷設長度大于10m，且滿足下列條件之一時，宜在線路兩側裝設浪涌保護器：

①安全系統(tǒng)的I/O參數(shù)

②雷電防護等級為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長度大于50m或垂直敷設長度大于10m，且雷電防護等級為B級的重要控制參數(shù)和通信電纜，宜在線路控制系統(tǒng)側裝設浪涌保護器。

凡符合下列情況之一者，可以不考慮裝設電涌保護器：

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

②現(xiàn)場端側的熱電偶；

③由配電間、電氣控制室以及大功率開關現(xiàn)場端來的強電開關量信號；

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 應安裝在與被保護儀表相同的防護、防爆等級的保護箱內(nèi)。如現(xiàn)場儀表無保護箱，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，應根據(jù)線路的：工作頻率；傳輸介質；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的標稱導通電壓有不同的要求。如果SPD的標稱導通電壓過低，會使SPD頻繁導通，影響信號的通過，也使SPD容易損壞；而標稱導通電壓過高，可能會使得雷電過電壓進入被保護設備，起不到應有的防雷作用。

3 信號SPD的應用

3.1 信號SPD在消防系統(tǒng)中的應用

消防電子設備采用交流供電時，在交流電源系統(tǒng)中應設置SPD保護，由消防控制室引出的信號線聯(lián)動控制線等，應根據(jù)建筑物的重要性，裝設適配的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)的進出線路端口應裝設信號防雷器。

消防控制室內(nèi)，應設置S型等電位接地網(wǎng)格，室內(nèi)所有設備主機、聯(lián)動控制盤等設備的機架（殼）配線槽、設備保護接地、電源系統(tǒng)保護接地、SPD接地端均應做等電位連接。

在集中火災報警及聯(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在計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中的應用

網(wǎng)絡系統(tǒng)中各類集線器的輸入、輸出端口應分別裝設數(shù)據(jù)線SPD[7]。當終端設備與集線器之間的距離超過30m時，重要終端設備的信息插座也要裝設一個SPD。網(wǎng)絡系統(tǒng)中各類調(diào)制解調(diào)器的輸入和輸出端口應分別裝設數(shù)據(jù)線路SPD。

在服務器前端和網(wǎng)絡層交換機處分別計算機網(wǎng)絡信號防雷器。

網(wǎng)絡系統(tǒng)中路由器的輸出端應裝設SPD[8]。

4 結語

近三十年來，因雷電產(chǎn)生的雷擊電磁脈沖、電氣系統(tǒng)的開關操作和靜電放電產(chǎn)生的瞬態(tài)浪涌對電子設備的損害日益嚴重，為了防止這些過電壓破壞高靈敏電子設備，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。隨著科學技術的不斷進步，SPD技術會不斷提高，我們只要能正確使用SPD，就一定能夠把雷電災害帶來的損失降到最低程度。