基于傳輸線的浪涌抑制裝置的研究

基于傳輸線的浪涌抑制裝置的研究

1浪涌抑制器配合隨著技術(shù)的進(jìn)步，以電子為核心的設(shè)備越來(lái)越多地應(yīng)用于能源、通信、醫(yī)療、航空、現(xiàn)代生活等領(lǐng)域。但是這些電子設(shè)備的抗過(guò)電壓能力非常脆弱,對(duì)電源和信號(hào)中出現(xiàn)的過(guò)電壓非常敏感,由于過(guò)電壓造成的事故時(shí)常發(fā)生。因此,過(guò)電壓也越來(lái)越引起人們的重視。國(guó)內(nèi)外的專家也進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論研究,研究過(guò)電壓的防護(hù)措施,以及如何對(duì)保護(hù)器進(jìn)行較好的配合,使之達(dá)到最佳的防護(hù)效果。在實(shí)際的浪涌過(guò)電壓中,由于長(zhǎng)尾波的波尾中含有大量的能量,對(duì)保護(hù)器和被保護(hù)設(shè)備危害更大,因此本文采用10/1000μs波,并利用傳輸線的去耦理論,對(duì)通信系統(tǒng)遭受過(guò)電壓襲擊時(shí),浪涌抑制器的配合做了理論研究,并提出進(jìn)行配合的具體措施。根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn),在通信線路中,通常采用兩級(jí)保護(hù),如圖1所示。第一級(jí)保護(hù)器主要是采用氣體放電管G1、G2,放置在房屋的入口處,連接在導(dǎo)線和地線之間,主要目的是用于旁路泄放暫態(tài)大電流。第二級(jí)保護(hù)器主要采用壓敏電阻或者瞬態(tài)抑制二極管,放置于被保護(hù)的設(shè)備之前,分別連接在導(dǎo)線和地線之間,它的主要目的是在G1、G2動(dòng)作之前,對(duì)沿信號(hào)線路襲來(lái)的暫態(tài)過(guò)電壓直接進(jìn)行抑制,在G1、G2動(dòng)作之后,進(jìn)一步降低經(jīng)第一級(jí)保護(hù)器之后的浪涌電壓;或者消除地線上的電壓,以及房屋內(nèi)導(dǎo)線上直接感應(yīng)出的電壓。它們通常消除導(dǎo)線之間的共模電壓,第二級(jí)保護(hù)器的導(dǎo)通電壓比第一級(jí)保護(hù)器的要低。2模型的構(gòu)建2.1導(dǎo)線間單位長(zhǎng)度的互ct當(dāng)雷電擊中導(dǎo)線或者導(dǎo)線附近的其他物體,會(huì)在導(dǎo)線上產(chǎn)生過(guò)電壓,產(chǎn)生的電壓沿導(dǎo)線向兩個(gè)相反的方向傳播,如圖2所示。根據(jù)文獻(xiàn)中傳輸線的去耦理論,兩根通信線和屏蔽線(或地線)所構(gòu)成的三傳輸線系統(tǒng)以及電壓源可以表示成為如圖3所示的Л形等效電路模型。在圖3中,La、Lb分別為兩導(dǎo)線的單位長(zhǎng)度的電感,μH/m;Lm為兩導(dǎo)線之間單位長(zhǎng)度的互電感,μH/m;Ca、Cb分別為兩導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電容,nF/m;Cm為兩導(dǎo)線之間單位長(zhǎng)度的互電容,nF/m;Ra、Rb和R0分別為兩導(dǎo)線以及地線的單位長(zhǎng)度的電阻值,Ω/m;d為導(dǎo)線長(zhǎng)度。根據(jù)三傳輸線的去耦方法,利用去耦變換矩陣T,可以得到去耦后的共模電路的電壓。Τ=12[11-11]Τ-1=[1-111]則可以得到[VdVc]=Τ-1[VV](1)式中Vc,Vd——共模和差模電壓本文只考慮共模電壓的影響。經(jīng)去耦后的共模電路如圖4所示。圖4中,Zc為電源的共模阻抗,Rc、Lc、Cc分別為去耦后的導(dǎo)線的共模電阻、電感和電容。2.2波前時(shí)間和波尾半幅值時(shí)間s根據(jù)對(duì)通信線路上雷電暫態(tài)過(guò)電壓的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明,這類的雷電暫態(tài)過(guò)電壓波形可簡(jiǎn)化為10/1000μs(波前時(shí)間為10μs,波尾半幅值時(shí)間為1000μs)。標(biāo)準(zhǔn)也要求采用這種波形對(duì)通信線路中的設(shè)備進(jìn)行過(guò)電壓試驗(yàn),其雙指數(shù)形式表達(dá)式為u(t)=AUm(e-αt-e-βt)=V0(e-αt-e-βt)(2)式中A=1.019,α=712,β=262013Um——電壓峰值t——時(shí)間,s2.3浪涌電壓至保護(hù)時(shí)間的耦合如圖2所示,感應(yīng)的過(guò)電壓可以表示成距交換機(jī)距離為x的任意點(diǎn)上的電壓源,其中向右傳播的浪涌電壓可以表示成V(t,z)=V02e-zaf(t-zc)式中a——衰減常數(shù)c——浪涌在導(dǎo)線中的傳播速度向右傳播的浪涌電壓在保護(hù)器處反射,反射電壓向?qū)Ь€的另一端傳播,當(dāng)?shù)竭_(dá)左端時(shí),又會(huì)發(fā)生新的發(fā)射。左行的浪涌電壓從耦合點(diǎn)到左邊的時(shí)間為xc,從左邊到保護(hù)器的時(shí)間為dc,到達(dá)保護(hù)器的總時(shí)間為x+dc;右行的浪涌電壓到達(dá)保護(hù)器的時(shí)間為d-xc,因此,左行的浪涌比右行的浪涌到達(dá)保護(hù)器的時(shí)間晚2xc。這個(gè)過(guò)程要重復(fù)多次,直至耦合的浪涌衰減完畢。所以,采用疊加法,可以得到在第一級(jí)保護(hù)器處的電流為Ι(t)=V0Ζc∞∑n=0[f(t-2ndc)+f(t-2xc-2ndc)e-2ax]e-2nd(3)利用拉普拉斯變換L(f(t-u))=F(s)e-su,則上式可變換為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)由于浪涌電壓在導(dǎo)線上傳播時(shí)的衰減損耗ad<<。把a(bǔ)+sc記為傳播常數(shù)γ(s),由知,傳播常數(shù)γ(s)=√sc(r+sl),則式(4)變?yōu)棣?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)表明圖4中的等效電路就是電壓源V(s)串聯(lián)了線路的總阻抗。3浪涌電流參量的確定在圖1中,第二級(jí)保護(hù)器的V1和V2具有比第一級(jí)保護(hù)器低的動(dòng)作電壓。假設(shè)雷電浪涌電壓使第二級(jí)保護(hù)中的兩個(gè)保護(hù)器同時(shí)動(dòng)作,第一級(jí)保護(hù)器沒(méi)有動(dòng)作。由于波尾的時(shí)間比較長(zhǎng),因此可以忽略導(dǎo)線間電容的影響。在圖5中第一級(jí)保護(hù)器用虛線畫出,第二級(jí)浪涌保護(hù)器可以看作是一電壓源Vm,如圖5所示。由于耦合到線路中的雷電浪涌電壓的波頭遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波尾,波頭可以用來(lái)研究保護(hù)器的動(dòng)作順序以及動(dòng)作時(shí)的電壓值。雷電波的大多數(shù)能量都包含在波尾中,因此可以用波尾來(lái)研究線路中電流的最大值以及各電路元件所承受的總能量。根據(jù)公式(2),波尾的可近似表達(dá)為u(t)=V0e-αt(6)可以采用波尾模型來(lái)定量分析跟浪涌波形有關(guān)的參量,其中包括流過(guò)第二級(jí)保護(hù)器的浪涌電流的峰值,以及所吸收的總能量。由圖5可以得到流過(guò)第二級(jí)保護(hù)器的電流的計(jì)算公式如下:Ι(s)=V(s)-VmRt+SLt=V0(SLt+Rt)(S+α)+Vm(Rt+SLt)(7)經(jīng)拉普拉斯反變換,就可以得到時(shí)域的電流表達(dá)式Ι(t)=V0Rt-Ltα(e-αt-e-t/τ)-VmRt(1-e-t/τ)(8)式中Rt=Rc+RcLt=Lc+Lc?第一級(jí)保護(hù)器處的峰值電壓為Vpeak≈RcΙpeak+Vm≈RcRt(V0-Vm)+Vm(9)在電壓降落到Vm之前,電流繼續(xù)流過(guò)第二級(jí)保護(hù)器,電流的截止時(shí)間為t=1αln(V0Vm)。這樣,流過(guò)第二級(jí)保護(hù)器的總能量為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,則上式簡(jiǎn)化為Em≈1αRt[Vm(V0-Vm)-Vm2ln(V0Vm)](11)由公式(11)可以看出在所感應(yīng)的浪涌電壓峰值一定的情況下,導(dǎo)線距離越短則線路中的電流越大,流過(guò)保護(hù)器的能量也越大,保護(hù)器和被保護(hù)設(shè)備更容易受到損壞。按照公式(9),在第一、第二級(jí)保護(hù)器之間的導(dǎo)線上串聯(lián)一個(gè)電阻,也就是增加R′c,可以使第一級(jí)保護(hù)器處的電壓值升高,有助于第一級(jí)保護(hù)器的導(dǎo)通。增加導(dǎo)線的阻抗,流經(jīng)保護(hù)器的電流變小,從而也就降低了損壞第二級(jí)保護(hù)器和房屋內(nèi)的設(shè)備的可能性。因此,為了更好的獲得一、二級(jí)保護(hù)器的配合,必須:①確定第一、二級(jí)保護(hù)器的動(dòng)作電壓值的最大差值,以及導(dǎo)線的最小電阻值,以確保流過(guò)的最大電流不會(huì)損壞被保護(hù)的設(shè)備。②利用公式(9)確定在第一、二級(jí)保護(hù)器之間所附加的電阻的最小值。4浪涌保護(hù)電壓波尾時(shí)的配合本文利用傳輸線去耦理論,將采取浪涌保護(hù)的通信線路等效為共模電路的形