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的進步，以電子為核心的設備越來越多地應用于能源、通信、醫(yī)療、航空、現(xiàn)代生活等領域。但是這些電子設備的抗過電壓能力非常脆弱,對電源和信號中出現(xiàn)的過電壓非常敏感,由于過電壓造成的事故時常發(fā)生。因此,過電壓也越來越引起人們的重視。國內(nèi)外的專家也進行了大量的試驗和理論研究,研究過電壓的防護措施,以及如何對保護器進行較好的配合,使之達到最佳的防護效果。在實際的浪涌過電壓中,由于長尾波的波尾中含有大量的能量,對保護器和被保護設備危害更大,因此本文采用10/1000μs波,并利用傳輸線的去耦理論,對通信系統(tǒng)遭受過電壓襲擊時,浪涌抑制器的配合做了理論研究,并提出進行配合的具體措施。根據(jù)IEEE標準,在通信線路中,通常采用兩級保護,如圖1所示。第一級保護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。第二級保護器主要采用壓敏電阻或者瞬態(tài)抑制二極管,放置于被保護的設備之前,分別連接在導線和地線之間,它的主要目的是在G1、G2動作之前,對沿信號線路襲來的暫態(tài)過電壓直接進行抑制,在G1、G2動作之后,進一步降低經(jīng)第一級保護器之后的浪涌電壓;或者消除地線上的電壓,以及房屋內(nèi)導線上直接感應出的電壓。它們通常消除導線之間的共模電壓,第二級保護器的導通電壓比第一級保護器的要低。2模型的構(gòu)建2.1導線間單位長度的互ct當雷電擊中導線或者導線附近的其他物體,會在導線上產(chǎn)生過電壓,產(chǎn)生的電壓沿導線向兩個相反的方向傳播,如圖2所示。根據(jù)文獻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分別為兩導線的單位長度的電感,μH/m;Lm為兩導線之間單位長度的互電感,μH/m;Ca、Cb分別為兩導線單位長度的電容,nF/m;Cm為兩導線之間單位長度的互電容,nF/m;Ra、Rb和R0分別為兩導線以及地線的單位長度的電阻值,Ω/m;d為導線長度。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分別為去耦后的導線的共模電阻、電感和電容。2.2波前時間和波尾半幅值時間s根據(jù)對通信線路上雷電暫態(tài)過電壓的實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明,這類的雷電暫態(tài)過電壓波形可簡化為10/1000μs(波前時間為10μs,波尾半幅值時間為1000μs)。標準也要求采用這種波形對通信線路中的設備進行過電壓試驗,其雙指數(shù)形式表達式為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——時間,s2.3浪涌電壓至保護時間的耦合如圖2所示,感應的過電壓可以表示成距交換機距離為x的任意點上的電壓源,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——浪涌在導線中的傳播速度向右傳播的浪涌電壓在保護器處反射,反射電壓向?qū)Ь€的另一端傳播,當?shù)竭_左端時,又會發(fā)生新的發(fā)射。左行的浪涌電壓從耦合點到左邊的時間為xc,從左邊到保護器的時間為dc,到達保護器的總時間為x+dc;右行的浪涌電壓到達保護器的時間為d-xc,因此,左行的浪涌比右行的浪涌到達保護器的時間晚2xc。這個過程要重復多次,直至耦合的浪涌衰減完畢。所以,采用疊加法,可以得到在第一級保護器處的電流為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)由于浪涌電壓在導線上傳播時的衰減損耗ad<<。把a+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,第二級保護器的V1和V2具有比第一級保護器低的動作電壓。假設雷電浪涌電壓使第二級保護中的兩個保護器同時動作,第一級保護器沒有動作。由于波尾的時間比較長,因此可以忽略導線間電容的影響。在圖5中第一級保護器用虛線畫出,第二級浪涌保護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遠小于波尾,波頭可以用來研究保護器的動作順序以及動作時的電壓值。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),波尾的可近似表達為u(t)=V0e-αt(6)可以采用波尾模型來定量分析跟浪涌波形有關的參量,其中包括流過第二級保護器的浪涌電流的峰值,以及所吸收的總能量。由圖5可以得到流過第二級保護器的電流的計算公式如下:Ι(s)=V(s)-VmRt+SLt=V0(SLt+Rt)(S+α)+Vm(Rt+SLt)(7)經(jīng)拉普拉斯反變換,就可以得到時域的電流表達式Ι(t)=V0Rt-Ltα(e-αt-e-t/τ)-VmRt(1-e-t/τ)(8)式中Rt=Rc+RcLt=Lc+Lc?第一級保護器處的峰值電壓為Vpeak≈RcΙpeak+Vm≈RcRt(V0-Vm)+Vm(9)在電壓降落到Vm之前,電流繼續(xù)流過第二級保護器,電流的截止時間為t=1αln(V0Vm)。這樣,流過第二級保護器的總能量為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,則上式簡化為Em≈1αRt[Vm(V0-Vm)-Vm2ln(V0Vm)](11)由公式(11)可以看出在所感應的浪涌電壓峰值一定的情況下,導線距離越短則線路中的電流越大,流過保護器的能量也越大,保護器和被保護設備更容易受到損壞。按照公式(9),在第一、第二級保護器之間的導線上串聯(lián)一個電阻,也就是增加R′c,可以使第一級保護器處的電壓值升高,有助于第一級保護器的導通。增加導線的阻抗,流經(jīng)保護器的電流變小,從而也就降低了損壞第二級保護器和房屋內(nèi)的設備的可能性。因此,為了更好的獲得一、二級保護器的配合,必須:①確定第一、二級保護器的動作電壓值的最大差值,以及導線的最小電阻值,以確保流過的最大電流不會損壞被保護的設備。②利用公式(9)確定在第一、二級保護器之間所附加的電阻的最小值。4浪涌保護電壓波尾時的配合本文利用傳輸線去耦理論,將采取浪涌保護的通信線路等效為共模電路的形