发射台站防雷电路中的元器件分析

季小伟+++章文亮

摘 要：文章阐述了发射台站防雷电路中各类防雷元器件的原理、特点以及应用情况，为更好地维护防雷系统提高一些技术层面的依据，从而使防雷系统发挥有效作用，保护发射系统设备，防止雷击对人身安全和设备安全造成危害。

关键词：气体放电管；压敏电阻；TVS；TSS；Y电容

1 气体放电管

气体放电管是一种开关型保护器件（如图1所示），采用密闭封装，内部有两个或数个带间隙的金属电极，其间充满惰性气体（氩气或氖气）。当电极两端电压超过规定值时，气体放电管内的气体被击穿导电，气体放电管由绝缘状态转化为导电状态，进行过电流的泄放。同时使两极间电压维持在20～50V，以此来保护后级电路。

防雷设计中，气体放电管使用时主要考虑的参数有：直流击穿电压、通流容量、冲击击穿电压等。在普通交流线路上使用气体放电管防雷时，要求保证在正常工作波动范围内，放电管不能被击穿，即要求当Up为正常运行时线路电压峰值时，直流放电电压范围应为：min（Ufdc）≥1.8Up。其中Ufdc为直流击穿电压，min（Ufdc）为直流击穿电压最小值。

在发射机系统中，气体放电管常被用于以下几个地方：一是低压交流电源三相四线各路对地的保护；二是电子管各极偏压或功率模块整流输出的直流电压的接地保护；三是系统各控制信号和检测信号回路对地的保護；四是天馈线内层芯线对外层地线的保护。气体放电管大多数的失效情况为开路，极少数情况下会出现短路的失效模式。气体放电管主要短板在于使用寿命相对比较短，经多次冲击后性能下降明显。因此要在检修维护中定期对气体放电管进行检测，特别是经过雷雨天气后，长期使用的要更换。

2 压敏电阻

压敏电阻属于常用的限压型保护器件（如图2所示）。压敏电阻的电压与电阻成非线性关系，当压敏电阻的两端出现过电压时，它将接近短路并将两端电压钳位到一个相对较小的值，以此避免过电压对后级电路的破坏。在使用压敏电阻时，我们注意考虑的参数是：压敏电压、通流容量、响应时间、结电容等。

压敏电阻一般可用于电子电路中的过电压保护，其响应时间小于空气放电管，但大于TVS管，为ns级，满足电子线路响应速度快的要求。其结电容一般在几百到几千nF，漏电流较大，因此压敏电阻不能直接用于对高频信号线路的过电压保护。

我们在采用压敏电阻设计防雷电路时，应该重点考虑其压敏电压min（U1mA）和通流容量。在直流电路中，要求压敏电压大于2倍直流工作电压。在交流电路中，压敏电压大于2.5倍交流工作电压。这个取值在保证压敏电阻正常工作时，还能有适当的富余量。在信号电路设计中，应压敏电压一般大于1.5倍信号回路的峰值电压。压敏电阻的通流容量小于气体放电管，一般不用于大电流电路。可根据防雷设计要求来决定压敏电阻的通流容量。通常选用的压敏电阻通流值大于电路设计要求的最大通流量，且至少能经受两次电流冲击不损坏。

压敏电阻主要是短路失效模式。但若是流经的过电流过大时，也可能造成阀片炸裂损坏而开路。压敏电阻经多次过电压冲击后，性能下降明显，因此其使用寿命缩短，需定期检测，定期更换。

在发射机的低压整流滤波电路中，经常使用压敏电阻对输入电源进行保护。

3 电压钳位型瞬态抑制二极管（TVS）

限压保护器件类还包括电压钳位型瞬态抑制二极管TVS（如图3所示），它的电压与电阻关系也具有非线性特性，当其工作时，会钳位过电压到一个接近0V的值，以实现对电路的保护。主要性能参数有：最大钳位电压、反向击穿电压、响应时间等。

TVS管的非线性特性更适合过电压保护，当加在TVS管上的过电压增大时，TVS管的钳位电压上升速度比较慢，获得的残压输出更理想。因此在对信号要求较高的控制和检测回路中，一般选择使用TVS管。同时由于TVS管有在所有限压型浪涌保护器件最小的的通流容量，它一般更多的用在最末级的精细保护。同样因为这个原因，其一般不用于交流电源的保护。而在功率模块或直流偏压等直流电源中使用TVS管保护时，一般都需要同压敏电阻等通流量大的器件配合使用，这样才可以满足较大功率输出。TVS管具有较好的集成性，适合在单板上使用。

TVS管可以进行单向或者双向保护。在直流电路和单极性的信号电路中，一般采用单向TVS管，其输出的残压比压敏电阻低50%以上。

防雷设计时要重点考虑TVS的通流容量和反向击穿电压。在直流回路中，有min（U1mA）≥（1.8～2）Udc。在信号回路中，有min（U1mA）≥（1.2～1.5）Umax。

在发射机系统中，TVS管常见于直流偏压电源、控制信号线路和天馈线路等的防雷保护中。其主要工作模式是短路钳位。但TVS管也可能因过电流太大，导致炸裂而开路。相比于压敏电阻，TVS管拥有相对较长的使用寿命。

4 电压开关型瞬态抑制二极管（TSS）

与TVS相同，电压开关型瞬态抑制二极管TSS（如图4所示），也是采用半导体工艺的限压保护类器件，其工作原理为与TVS也一致。不同的是，当TSS管两端的过电压大于TSS管的击穿电压而近似短路时，这种短路状态可以持续保持，直到流经的过电流小于击穿电流，然后TSS管重新恢复到开路状态。因此设计采用TSS管的信号线路中，线路的工作电流必须小于TSS管的临界恢复电流，否则将出现信号失真。

在设计时应考虑TSS的击穿电压和通流容量。在信号回路当中，有：min（U1mA）≥（1.2～1.5）Umax。TSS管一般用于信号线路防雷保护，其失效模式主要是短路，但当过电流过大，也可能导致炸裂而开路，使用寿命相对较长。

5 电感、导线

前面已经讨论了四种防护器件的相关参数特性，它们各有其优点和不足。而要使设计的防护电路，满足整体功率较大、保护全面等要求时，单一的防护器件很难做到，一般采用几种防护器件的组合设计，使各个器件发挥各自优点，避免各自缺点，才能实现符合要求的保护特性。在使用几种防护器件时，通常还配合使用电阻、电感、导线等元件。

在串联式直流电源中，要求线路上压降不能过大，因此在设计保护电路时，可以采用空芯电感，配合极间电路。当防护电路前级满足设计通流量时（即大于TVS管的通流量），TVS上的过电流必须要小于TVS管的最大通流量，此时可以通过电感来提供足够的限流能力。

当在有些满负荷工作电流很大（超过30A时）的交直流设备中极间配合使用电感，会出现体积过大的问题。此时可以把防护电路分为前级和后级两个部分，分别设计在两块电路板上，两者之间用规定长度的导线来做连接，它所起的作用与电感类似，1米长的导线的电感量在1～1.6μH之间，且能有效解决电感做极间配合时，工作电流不能过大的问题。

6 变压器、光耦、Y电容

变压器、光耦和Y电容都不是保护型器件，但在设计电路时，利用这些元器件的隔离特性，可以提高电路抗过电压能力。

电路端口的雷击保护设计按照工作方式，通常分为两种：一种是通过安装保护器件，达到对地限压的目的，此方法当电路中出现过电压时，保护器工作为短路状态，泄放过电流；第二种是采用隔离元件，使两边电路不共地，当电路中出现过电压时，隔离元件的两端产生瞬时电压差。只需隔离元件绝缘电压大于电压差，电路上的过电压就不能通过隔离元件，进而破坏内部设备。此时电路只需要差模保护，且保护电路可以大为简化。采用这种方法保护的主要有以太网口端口等等。采用的隔离元件一般有变压器、光耦、Y电容等。

这里的变压器主要是指用于弱点端口的各种信号传输变压器。选用此类变压器时，主要考虑的是变压器的冲击耐压值，一般其大致估算方法为：冲击耐压值=2×直流耐压值=3×交流耐压值。

图5是一种采用变压器结合的信号端口防护电路设计。当发生雷击时，外线上可能串入对地共模过电压，该过电压将作用于变压器的初级和次级间，从而消除对内部电路的影响。

7 结束语

本文重点介绍了发射台站防雷电路设计中常用的六种防雷元器件的原理、性能特点以及应用情况。重点介绍如何通过配合使用各保护器件，获得更好的防雷效果。为设计和维护防雷系统提供一些技术层面的依据，从而使防雷系统发挥有效作用，防止雷击对人身安全和设备安全造成危害。