謝 歡, 鐘穎穎

[上海市氣象災害防御技術(shù)中心(上海市防雷中心), 上海 201615]

0 引 言

通信、監(jiān)控和計算機設備等工作電壓低,極為敏感[1],雷電放電造成的瞬時電壓波動會對其產(chǎn)生影響[2]。近年來隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展,雷電對信息系統(tǒng)造成的危害越來越大,需要采取一定防護措施。電信和信號網(wǎng)絡的電涌保護器是對受到雷電或其他瞬態(tài)過電壓直接或間接影響的電信和信號網(wǎng)絡進行防護的電涌保護器(簡稱信號SPD)[3]。因此,有效地使用信號SPD,可以減少雷電災害帶來的影響,減少損失[4-5]。信號SPD根據(jù)被保護電氣和電子設備的具體應用場合不同,其性能的具體要求也不相同,唯一不變的是電壓保護水平要大于沖擊限制電壓。因此,正確測試信號SPD沖擊限制電壓對于確定其電壓保護水平具有非常重要的意義。

GB/T 18802.21—2016《低壓電涌保護器 第21部分:電信和信號網(wǎng)絡的電涌保護器(SPD)性能要求和試驗方法》(以下簡稱標準)中第6.2.1.3款“沖擊限制電壓試驗”[6],是判定SPD的沖擊限制電壓是否符合其聲稱值的重要試驗。盧睿等[7]研究了整流橋結(jié)構(gòu)、TVS管結(jié)構(gòu)和TVS陣列三種結(jié)構(gòu)的分布電容,分析了不同分布電容對信號類SPD沖擊限制電壓的影響;楊方明等[8]對測量儀器的帶寬對沖擊限制電壓的測量的影響進行了深入的分析。本文將用兩種不同的測量探頭和接線方式,分析其對沖擊限制電壓的測試結(jié)果的影響。

1 試驗方法

試驗時,按照標準中表3的C類沖擊電壓施加到適當?shù)亩俗由?正負極性沖擊各5次。在不帶負載的情況下,測量每次沖擊的限制電壓,在適當?shù)亩俗由蠝y得的最大電壓不應超過規(guī)定的電壓保護水平。其中沖擊電壓的大小由制造商聲稱,本文以C2:10 kV/5 kA的樣品為例進行試驗。

2 測量和接線方法

2.1 測量設備

組合波發(fā)生器標準波形的特征用開路條件下的輸出電壓和短路條件下的輸出電流表示。開路電壓的峰值誤差為±10%,波前時間應為1.2 μs,誤差為±30%,半峰值時間為50 μs,誤差為±20%;短路電流的峰值誤差為±10%,波前時間應為8 μs,誤差為±20%,半峰值時間應為20 μs,誤差為±20%[9-10]。

2.2 測量探頭和測量方式的選取

試驗選取兩種不同的探頭(1個TEKP5100,2個TEKP2220),對完成接線的信號SPD樣品進行測試。試驗所用探頭和待測試SPD樣品如圖1所示。

圖1 試驗所用探頭和待測試SPD樣品

試驗時SPD樣品和探頭連接如圖2所示。試驗時組合波發(fā)生器接到SPD樣品輸入側(cè)的芯線到PE端,TEKP5100探頭連接SPD樣品輸出側(cè)的芯線到PE端(測量通道CH1),1個TEKP2220連接SPD樣品輸出側(cè)的芯線到PE端(測量通道CH4),1個TEKP2220連接SPD測試樣品的PE到PE端(測量通道CH3)。

圖2 試驗時SPD樣品和探頭連接

試驗時,同時獲取多個探頭的波形圖,能直觀看出各個通道測量的沖擊限制電壓。多個探頭的沖擊限制電壓波形如圖3所示。首先,通過波形圖可發(fā)現(xiàn),CH1測得的沖擊限制電壓為36.2 V大于CH4測得的沖擊限制電壓26.7 V。通過測量得知此SPD樣品的沖擊限制電壓不高于50 V,由于TEKP5100為100×探頭,其最大測量電壓為2 500 V,而TEKP2220為10×探頭,其最大測量電壓為300 V,所以TEKP2220探頭所測得的沖擊限制電壓會更精確。當測量沖擊限制電壓時,應根據(jù)第一次試驗后SPD樣品的沖擊限制電壓值去選擇合適的探頭,這樣才能比較準確地測量樣品的沖擊限制電壓。

圖3 多個探頭的沖擊限制電壓波形

MATH(CH4-CH3)通道波形如圖4所示。由圖4見,CH3測得的沖擊限制電壓為10.4 V,這是短路電流流過PE端所產(chǎn)生的沖擊限制電壓而不是樣品本身的,并且探頭連接SPD樣品時也會產(chǎn)生接觸電阻,當電流流過時會產(chǎn)生沖擊限制電壓,所以MATH(CH4-CH3)通道的波形才是試驗時SPD樣品本身的沖擊限制電壓,其沖擊限制電壓僅為18.5 V,遠小于之前CH1和CH4通道測得的沖擊限制電壓。

圖4 MATH(CH4-CH3)通道波形

10次沖擊所得的沖擊限制電壓值如表1所示,正負極性各5次沖擊。數(shù)據(jù)顯示CH1比CH4大5～6 V,選用不同的探頭,對測量結(jié)果有較大影響;而采用差分方法獲得的值MATH(CH4-CH3)波形比單個探頭測得的CH1和CH4更符合產(chǎn)品實際的值。

表1 10次沖擊所得的沖擊限制電壓值

2.3 測量沖擊限制電壓時的接線

電流流過輸入端線到PE時會產(chǎn)生磁場,磁場將電壓引入兩條測量線之間的回路,該電壓被施加到測量線連接的被測件端子之間的電壓降中,此感應電壓與回路大小和8/20 μs電流脈沖的峰值成正比。當SPD如圖2連接測量時會有很大的回路面積。

從SPD的地線上引出一根導線,緊貼SPD輸出側(cè)導線,該方法能有效地減少回路面積。減少回路面積的接線圖如圖5所示,兩條測量線之間的回路面積如圖6所示。試驗后發(fā)現(xiàn)這樣接線后沖擊限制電壓僅為13.3 V,MATH波形圖如圖7所示。

圖5 減少回路面積的接線圖

圖6 兩條測量線之間的回路面積

圖7 MATH波形圖

繼續(xù)按以上方法重復10次沖擊,沖擊限制電壓值如表2所示,都是在-14.5～13.9 V之間波動,比未減少回路面積時的測得值又有明顯的下降。

表2 沖擊限制電壓值

通過選取合適的探頭、使用差分方法以及減少回路面積的連接方式,可以使測得的沖擊限制電壓值更加準確。

3 結(jié) 語

本文基于標準中第6.2.1.3款“沖擊限制電壓的試驗方法”,對信號SPD進行測試,分析了測量結(jié)果,發(fā)現(xiàn)選擇合適的探頭、采用差分測量方法以及減少回路面積的接線方式,可以使得測量的沖擊限制電壓值更加準確,這對以后SPD廠家電壓保護水平的聲稱和實驗室沖擊限制電壓的測量有一定指導意義。