基于差模共模保護模式下的交流電源端口浪涌防護對比分析

許 斌，湯 偉，田宏強，忽浩然，王 磊

（國家電網(wǎng)安徽省電力有限公司，合肥230061）

0 引言

近幾年來，隨著世界經(jīng)濟的高速發(fā)展，我們周圍的各種建筑也都越來越智能化，各種各樣的智能電器在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。但是，建筑智能化也帶來了一些負面效應(yīng)，那就是由于電子產(chǎn)品集成度越來越高，其對電磁干擾也就越來越敏感，耐沖擊水平也越來越引起人們的重視。在造成電子與電氣系統(tǒng)造成浪涌的諸多因素中，雷電所產(chǎn)生的浪涌以及系統(tǒng)開關(guān)操作所產(chǎn)生浪涌對電子與電氣系統(tǒng)的正常工作和壽命影響較大。面對這種情況，就需要我們在系統(tǒng)中加入SPD等保護器件與傳統(tǒng)的避雷網(wǎng)或者是接閃器相互配合，進一步對系統(tǒng)進行保護。在實際應(yīng)用中，往往針對同一種系統(tǒng)會有不同的保護方案，這些方案的防護性能和成本等都差異較大，這就對我們選用方案帶來了很多的困擾。因此，對這些方案做一個詳細的對比測試，在這些方案選出一個最優(yōu)方案，對實際應(yīng)用具有重要意義。

對于SPD在實際中的應(yīng)用，國內(nèi)外學者從不同方面做了詳細的研究。SPD作為防雷保護方案中最核心的部分，呂寶勤等[1-7]眾多中國學者對SPD的工作原理以及選用方法從多個方面進行了討論與研究。國外學者T.Kisielewicz[8]對浪涌保護裝置在直接閃爍到架空低壓線路前的設(shè)備保護效率進行了討論。同時，邊凱等[9-11]對架空配電線路雷電感應(yīng)過電壓以及輸電線路與引雷塔雷電監(jiān)測與雷電流波形也進行了計算與分析。Ching Lung Lin等[12]對低壓系統(tǒng)中浪涌保護器件（SPD）的一個具體案例進行了研究。陳平周[13]對浪涌保護器（SPD）在低壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了相關(guān)研究，并對浪涌保護器安裝的注意事項做了歸納與總結(jié)。張棟等[14-15]在2009年對低壓配電系統(tǒng)中浪涌保護器配合機理進行了研究，指出了浪涌保護器的導(dǎo)通次序主要其與浪涌保護器的啟動電壓、線路參數(shù)和外加沖擊電流的波形陡度等參數(shù)有關(guān)。

浪涌保護器的作用主要是對系統(tǒng)中傳導(dǎo)過來的線路過電壓和過電流進行抑制，在泄放浪涌大電流的同時把浪涌電壓限制在一個較低的水平，從而達到對AC2220V電源端口起到保護作用。本文選取行業(yè)常用的兩種AC220V電源端口保護方案，從保護方案本身所選器件的優(yōu)缺點、方案的耐壓能力、方案在標準測試條件下以及極限測試條件下的殘壓對比以及方案成本4個方面對所選保護方案做一個全面的對比，從而分辨出兩種保護方案各自的優(yōu)缺點，最終選出最佳方案。本文對以后的AC220V電源端口防雷方案的選用具有一定的指導(dǎo)作用。

1 方案原理分析

1.1 方案一原理

當浪涌可能出現(xiàn)在相線之間，也可能在相線與保護線或地之間時，所以這就要求對被保護電路做共模和差模全保護。雷擊或者開關(guān)誤操作而引起的操作過電壓或大型發(fā)動機啟動引起的過電壓遠遠超過了設(shè)備所能允許通過的最高工作電壓峰值。對含有浪涌阻絕裝置的產(chǎn)品，浪涌阻絕裝置不僅要有效地吸收突發(fā)的巨大能量，從而保護設(shè)備免于受到浪涌過電壓的損壞，還要把被保護設(shè)備兩端的電壓限制在其能承受的電壓等級以下。方案一的電路圖見圖1:相線與零線中間連接一個壓敏電阻作為差模保護，相線與PE線、零線與PE線之間分別串聯(lián)一個壓敏電阻和氣體放電管作為共模保護。此電源方案可通過1.2/50-8/20 μs組合波差模、共模6.0 kV浪涌測試。

圖1 方案一電路接線圖Fig.1 Scheme 1 circuit wiring diagram

1.2 方案二原理

方案二的電路圖見圖2：相線與零線中間串聯(lián)一個GDT和一個MOV作為差模保護。相線與PE線、零線與PE線之間分別串聯(lián)一個壓敏電阻和氣體放電管作為共模保護。在方案一中，由于壓敏電阻的失效模式為短路失效，所以在方案一中，一旦壓敏電阻失效損壞，長時間的失效大電流流過電路，很容易導(dǎo)致火災(zāi)，這是非常不安全的。為了解決這個問題，方案二在差模保護中加入一個氣體放電管與壓敏電阻串聯(lián)，由于氣體放電管的工作原理是空氣間隙放電，且失效模式為開路失效，所以即使壓敏電阻短路失效，也不會有大電流流過電路，這樣就避免了火災(zāi)的危險。同時，方案二也可以通過1.2/50-8/20 μs組合波差模、共模6.0 kV浪涌測試，可滿足大多數(shù)防護等級要求。

圖2 方案二電路接線圖Fig.2 Scheme two circuit wiring diagram

2 試驗結(jié)果分析

浪涌保護器的主要作用就是對系統(tǒng)中傳導(dǎo)過來的線路過電壓和過電流進行抑制，在泄放浪涌大電流的同時把浪涌電壓限制在一個較低的水平，從而達到對AC2220V電源端口起到保護作用。因此，系統(tǒng)中浪涌保護器的基本要求是在沒有浪涌通過時，浪涌保護器盡可能地不影響被保護器件的正常工作，當有浪涌通過時，浪涌保護器要在極短的時間內(nèi)動作，把浪涌電壓限制在被保護器件能夠承受的范圍，同時當浪涌通過后，浪涌保護器要能迅速恢復(fù)高阻狀態(tài)，即續(xù)流遮斷（對于GDT和TSS）問題。下面本文就針對上述兩種方案，對所選保護方案做一個全面的對比，從而分辨出兩種保護方案的優(yōu)劣。

2.1 器件優(yōu)缺點對比

方案一具有結(jié)構(gòu)簡單和成本較低的優(yōu)點，且差模保護中的壓敏電阻具有較快的響應(yīng)時間。但由于壓敏電阻的使用壽命較短，多次沖擊后性能將會下降，因此存在長時間使用后需要維護和更換的問題。在差模保護中，僅僅利用壓敏電阻，壓敏電阻損壞有可能導(dǎo)致電路起火，存在一定的安全隱患。

與方案一相比，方案二在相線與零線之間多使用了一個GDT，由于GDT在不動作時具有高的絕緣電阻，導(dǎo)通后具有大的通流能力，以及極間電容小等優(yōu)點。但氣體放電管的響應(yīng)時間是保護器件中最慢的，一般可以達到數(shù)百納秒。同時，氣體放電管存在續(xù)流遮斷的問題。氣體放電管在導(dǎo)通狀態(tài)下，續(xù)流維持電壓一般為幾十伏，因此如果是在直流電源中，當兩線間的電壓超過15 V時，我們就不可以在兩線之間應(yīng)用氣體放電管。在交流電源中，雖然交流電壓有過零點的時刻，但氣體放電管類器件在多次導(dǎo)通擊穿過后，其續(xù)流遮斷能力會大大降低，這樣即使在交流過零點也不能實現(xiàn)續(xù)流遮斷。在交流電源中還存在一種情況，那就是當電流和電壓的相位不一致時，也可能導(dǎo)致續(xù)流不能遮斷。因此即使在交流電源中，相線與零線之間單獨使用氣體放電管是不合適的。方案二的相線與零線中間串聯(lián)一個GDT和一個MOV作為差模保護。這可以有效延長壓敏電阻使用壽命。

2.2 殘壓對比分析

設(shè)備上連接電源線、信號線等線纜的外端口應(yīng)該具備一定的抗雷擊過電壓的能力，即當線纜引入到設(shè)備端口的雷擊過電壓較小時，設(shè)備自身可抵抗得住雷擊過電壓而不發(fā)生損壞，如果線纜引入到設(shè)備端口的雷擊過電壓較大時，設(shè)備的端口就需要外加防雷器，這時應(yīng)該保證防雷器的輸出殘壓值低于設(shè)備自身的雷擊過電壓耐受能力。關(guān)于設(shè)備端口抗雷擊過電壓測試方面的標準有很多，其中主要有國際電工委員會，國際電信聯(lián)盟制定的IEC61000-4-5，ITU-TK系列等等，這些標準是抗浪涌方面的基礎(chǔ)標準，另外，ETS 300 386是一個歐洲的通信設(shè)備EMC測試行業(yè)標準。根據(jù)國際電工委員會（IEC）的標準IEC61000-4-5和GB/T17626.5—2008中關(guān)于交流電源口過電壓耐受水平的相關(guān)規(guī)定：交流電源口過電壓耐受水平測試應(yīng)滿足在1.2/50 us[8/20 us]混合波的測試波形下，差模施加2 kV電壓正負各5次無損壞；共模4 kV電壓正負各5次無損壞。本文將兩種方案在兩種不同環(huán)境下進行差模和共模測試，并記錄電路殘壓。

首先將方案一和方案二在環(huán)境溫度為25℃，空氣相對濕度為54.1%的環(huán)境下進行差模2 kV電壓正負各20次，共模4 kV電壓正負各20次沖擊，然后取正負電壓的平均值。這也是AC220 V電源口常處的工作環(huán)境。圖3為方案一的一次沖擊殘壓波形結(jié)果。兩種方案下共模、差模沖擊殘壓對比見圖4。

圖3 方案一的一次沖擊殘壓波形Fig.3 A program of the impulse of the residual voltage waveform

圖4 兩種方案下共模、差模沖擊殘壓對比Fig.4 Two programs under the common mode，differential mode impulse residual voltage contrast

兩種方案都通過了相關(guān)標準規(guī)定的測試，由圖4可看出，在差模保護中由于方案二的差模保護電路中多串聯(lián)了一個GDT，殘壓是壓敏電阻和氣體放電管之和，所以方案二的殘壓比方案一要高。在共模保護中，方案一和方案二都采用了一個壓敏電阻和一個氣體放電管并聯(lián)的方式，但是由于方案一所選用的壓敏電阻的直流擊穿電壓高于方案二所選的壓敏電阻的直流擊穿電壓，所以方案一的共模殘壓略高于方案二。

2.3 耐壓對比分析

在兩種方案通過了國際電工委員會（IEC）的標準IEC61000-4-5和國家標準GB/T17626.5—2008中關(guān)于交流電源口過電壓耐受水平的相關(guān)規(guī)定后，又對兩種方案做了耐壓測試。在環(huán)境溫度為25℃，空氣相對濕度為54.1%的環(huán)境下，將兩種方案兩端的沖擊電壓峰值以1 kV為步長不斷提高，且在每個電壓等級上對差模和共模進行正反各五次浪涌沖擊。取每組實驗5次的平均值，兩種方案差共模都通過了6 kV測試。其結(jié)果見圖5。

圖5 沖擊電壓6 kV內(nèi)兩種方案下SPD耐壓測試殘壓對比Fig.5 Comparison of the residual voltage of the SPD withstanding voltage test under two schemes of 6 kV surge voltage

在做完差模6 kV以內(nèi)和共模8 kV以內(nèi)的沖擊測試后，我又對器件所能承受的最高電壓值進行測試。在環(huán)境溫度為25℃，空氣相對濕度為54.1%的環(huán)境下，將兩種方案兩端的沖擊電壓峰值以1 kV為步長不斷提高，且在每個電壓等級上對差模和共模進行正反各5次浪涌沖擊，只要每個電壓等級在5次沖擊實驗中有一次未通過，即認為該方案不能通過相應(yīng)的電壓等級。試驗結(jié)果見圖6。從圖中可以看出，在差模測試中，方案一最高承受了9 kV的沖擊浪涌，方案二最高承受了10 kV的沖擊浪涌。由于本實驗所使用的SUG51005DG雷擊浪涌發(fā)生器最高只能產(chǎn)生10 kV的浪涌，所以最高測試等級為10 kV。在共模測試中，兩種方案都經(jīng)受住了10 kV浪涌測試。

圖6 兩種方案下最高耐壓測試對比Fig.6 Comparison of the highest withstand voltage test under two schemes

3 結(jié)論

通過將上述兩個AC220V電源口的一級防護方案從方案本身所選器件的優(yōu)缺點、方案在標準測試條件下的殘壓對比、方案的耐壓能力等方面的對比，得出如下結(jié)論：

1）在差模保護中，方案一由于壓敏電阻具有使用壽命較短，多次沖擊后性能將會下降的特點，因此存在長時間使用后需要維護和更換的問題。方案二在相線與零線之間多使用了一個GDT，這樣不僅提高了通流能力，也提高了壓敏電阻的壽命；使整個方案的穩(wěn)定性大大提高。

2）方案二中由于GDT的加入，導(dǎo)致方案二的差模測試的殘壓略高于方案一的差模測試殘壓，但作為一級防護，其主要作用是泄放絕大部分的浪涌電流，如果殘壓較高，其后還可以加TVS和TSS這樣的小通流原件來做進一步的精細保護，所以方案二的殘壓比方案一的殘壓高的問題可以忽略。

綜上所述，方案二的總體性能遠遠優(yōu)于方案一，方案二更適合在實際中應(yīng)用。

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