鐵路信號電源防雷電路的設(shè)計與應用

張國侯 趙靜銳 連亞威 曹強 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學院通號學院

1 雷電概述

雷電主要是直擊雷、感應雷、傳導雷三種形式。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的重要依據(jù)。

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

2 鐵路信號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電壓敏感的電阻器，英文名稱為“Voltage Dependent Resistor”簡稱“VDR”。其材料為半導體，采用陶瓷工藝，廣泛采用氧化鋅壓敏電阻器，分為預擊穿區(qū)、擊穿區(qū)以及上升區(qū)三個方面。工作原理如圖1所示。

圖1 壓敏電阻工作原理圖

根據(jù)壓敏電阻的導電機理，其對過電壓的響應速度很快，如帶引線式和專用電極產(chǎn)品，一般響應時間小于25納秒。因此當選用壓敏電阻作為防雷元件時，只要得當壓敏電阻器對線路中出現(xiàn)的瞬態(tài)過電壓有著優(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)充低壓氣體放點介質(zhì)的、密封于一個或一個以上放電間隙中的短路型保護器件，一般分兩級和三級結(jié)構(gòu)。其作用是用來保護設(shè)備和設(shè)備操作人員免遭高壓沖擊過程的過電壓保護元件。

實驗中，我們選用型號為2R230，直流擊穿電壓230+20%，響應時間10-6微秒級的氣體放電管，根據(jù)實測分析，該型號GDT的響應電壓即其擊穿電壓較高，且響應時間較慢，同時可分析出GDT導通以后的電壓下降速度遠高于MOV，說明其泄漏能力更強，因而可作為多級防護中的一級防護。結(jié)合MOV等保護器件配合使用，才可達到較好的防護效果。

2.3 固體放電管的原理及作用

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

2.4 瞬態(tài)二極管的特性與應用

瞬態(tài)二極管（TVS）也稱為齊納二極管，它是一種箝位類型抑制過電壓的元器件，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，兩端電壓大于門限電壓時，其工作阻抗能立即降至很低的水平以允許大電流的通過，并將兩端電壓鉗制在很低的水平，從而有效的保護末端電子產(chǎn)品中的精密元件避免損壞。雙向TVS可在正反兩個方向吸收瞬時大脈動功率，因此較適合于交流電路TVS二極管是固態(tài)二極管優(yōu)點在于殘壓低，動作精度高，響應時間快，沒有續(xù)流，不易退化。

3 兩級SPD電路設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

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)計中精選防雷元器件，并作出部分改進，重新設(shè)計，設(shè)計思路框圖如圖3所示。經(jīng)試驗分析，在現(xiàn)有的電源防雷保護電路中，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，過電壓沖擊后限制電壓會更低，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)計電路框圖

此電路中我們增加了原有電路中未使用過的退耦元件，其作用有以下幾點：雷電波由于線路上加入退耦元件會導致傳輸速度會降低；在電流一定的情況下，線路波阻抗增加導致線路電壓增加，有利于第一級開關(guān)型器件的提前啟動；雷電波通過退耦元件后，波形的上升陡度會降低；線路中加入退耦元件等于延長了導線的長度，使得雷電波在該段線路上的傳輸時。

3.2 MOV和GDT試驗的結(jié)果

我們對MOV和GDT做了能量配合試驗，根據(jù)對MOV和GDT的試驗結(jié)果表明當固定MOV壓敏電壓時，要達到不完全配合階段所需的過電壓幅值會隨GDT沖擊擊穿電壓的升高而升高，當固定MOV壓敏電壓時，GDT的沖擊擊穿電壓越小，完全配合所需過電壓幅值越低的原則，綜上得出，當固定MOV壓敏電壓時，應當選擇離MOV壓敏電壓相近的GDT做能量配合。

3.3 具體電路的設(shè)計

圖4 改進后的SPD電路

3.4 該電路原理

本電路采用兩級防護。一級為主保護，主要用來吸收電涌過電壓、過電流，二級防護用來使經(jīng)過一級防護后的電壓降到設(shè)備所能承受的電壓。在一級防護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題，當壓敏電阻電路中串聯(lián)氣體放電管時，氣體放電管就相當于開關(guān)，會先于壓敏電阻開始漏流，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。在二級防雷電路中，采用并聯(lián)壓敏電阻的方式，提高了電涌保護器的耐受水平，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，使得每個壓敏電阻電流都不過載，增大了SPD的通流量，起到快速熱脫保護。

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

3.5 該電路的優(yōu)缺點

優(yōu)點：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長久可靠的使用；在二級防護中，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，對設(shè)備起到重要的保護作用。

缺點：在二級防護中，用到多個GDT并聯(lián)，導致二級防護系統(tǒng)的擊穿電壓升高，可能會造成某些低電壓設(shè)備兩端的過電壓。

3.6 該電路意義與價值

在分析了現(xiàn)有的SPD電路所存在不足的基礎(chǔ)之上，我們設(shè)計了兩級SPD電路，通過大量的實驗證明，此電路的防雷效果比原有的防雷模塊好，能夠承受過高的電壓，可以使得鐵路信號系統(tǒng)在雷電襲擊時更可靠有效的工作。

4 小結(jié)

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

[1]張國侯，楊進.鐵路信號電源與防雷［M］.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學院,2017.