电信和信号网络的电涌保护器冲击限制电压试验方法的研究

谢 欢, 钟颖颖

[上海市气象灾害防御技术中心(上海市防雷中心), 上海 201615]

0 引 言

通信、监控和计算机设备等工作电压低,极为敏感[1],雷电放电造成的瞬时电压波动会对其产生影响[2]。近年来随着现代通信技术的不断发展,雷电对信息系统造成的危害越来越大,需要采取一定防护措施。电信和信号网络的电涌保护器是对受到雷电或其他瞬态过电压直接或间接影响的电信和信号网络进行防护的电涌保护器(简称信号SPD)[3]。因此,有效地使用信号SPD,可以减少雷电灾害带来的影响,减少损失[4-5]。信号SPD根据被保护电气和电子设备的具体应用场合不同,其性能的具体要求也不相同,唯一不变的是电压保护水平要大于冲击限制电压。因此,正确测试信号SPD冲击限制电压对于确定其电压保护水平具有非常重要的意义。

GB/T 18802.21—2016《低压电涌保护器 第21部分:电信和信号网络的电涌保护器(SPD)性能要求和试验方法》(以下简称标准)中第6.2.1.3款“冲击限制电压试验”[6],是判定SPD的冲击限制电压是否符合其声称值的重要试验。卢睿等[7]研究了整流桥结构、TVS管结构和TVS阵列三种结构的分布电容,分析了不同分布电容对信号类SPD冲击限制电压的影响;杨方明等[8]对测量仪器的带宽对冲击限制电压的测量的影响进行了深入的分析。本文将用两种不同的测量探头和接线方式,分析其对冲击限制电压的测试结果的影响。

1 试验方法

试验时,按照标准中表3的C类冲击电压施加到适当的端子上,正负极性冲击各5次。在不带负载的情况下,测量每次冲击的限制电压,在适当的端子上测得的最大电压不应超过规定的电压保护水平。其中冲击电压的大小由制造商声称,本文以C2:10 kV/5 kA的样品为例进行试验。

2 测量和接线方法

2.1 测量设备

组合波发生器标准波形的特征用开路条件下的输出电压和短路条件下的输出电流表示。开路电压的峰值误差为±10%,波前时间应为1.2 μs,误差为±30%,半峰值时间为50 μs,误差为±20%;短路电流的峰值误差为±10%,波前时间应为8 μs,误差为±20%,半峰值时间应为20 μs,误差为±20%[9-10]。

2.2 测量探头和测量方式的选取

试验选取两种不同的探头(1个TEKP5100,2个TEKP2220),对完成接线的信号SPD样品进行测试。试验所用探头和待测试SPD样品如图1所示。

图1 试验所用探头和待测试SPD样品

试验时SPD样品和探头连接如图2所示。试验时组合波发生器接到SPD样品输入侧的芯线到PE端,TEKP5100探头连接SPD样品输出侧的芯线到PE端(测量通道CH1),1个TEKP2220连接SPD样品输出侧的芯线到PE端(测量通道CH4),1个TEKP2220连接SPD测试样品的PE到PE端(测量通道CH3)。

图2 试验时SPD样品和探头连接

试验时,同时获取多个探头的波形图,能直观看出各个通道测量的冲击限制电压。多个探头的冲击限制电压波形如图3所示。首先,通过波形图可发现,CH1测得的冲击限制电压为36.2 V大于CH4测得的冲击限制电压26.7 V。通过测量得知此SPD样品的冲击限制电压不高于50 V,由于TEKP5100为100×探头,其最大测量电压为2 500 V,而TEKP2220为10×探头,其最大测量电压为300 V,所以TEKP2220探头所测得的冲击限制电压会更精确。当测量冲击限制电压时,应根据第一次试验后SPD样品的冲击限制电压值去选择合适的探头,这样才能比较准确地测量样品的冲击限制电压。

图3 多个探头的冲击限制电压波形

MATH(CH4-CH3)通道波形如图4所示。由图4见,CH3测得的冲击限制电压为10.4 V,这是短路电流流过PE端所产生的冲击限制电压而不是样品本身的,并且探头连接SPD样品时也会产生接触电阻,当电流流过时会产生冲击限制电压,所以MATH(CH4-CH3)通道的波形才是试验时SPD样品本身的冲击限制电压,其冲击限制电压仅为18.5 V,远小于之前CH1和CH4通道测得的冲击限制电压。

图4 MATH(CH4-CH3)通道波形

10次冲击所得的冲击限制电压值如表1所示,正负极性各5次冲击。数据显示CH1比CH4大5～6 V,选用不同的探头,对测量结果有较大影响;而采用差分方法获得的值MATH(CH4-CH3)波形比单个探头测得的CH1和CH4更符合产品实际的值。

表1 10次冲击所得的冲击限制电压值

2.3 测量冲击限制电压时的接线

电流流过输入端线到PE时会产生磁场,磁场将电压引入两条测量线之间的回路,该电压被施加到测量线连接的被测件端子之间的电压降中,此感应电压与回路大小和8/20 μs电流脉冲的峰值成正比。当SPD如图2连接测量时会有很大的回路面积。

从SPD的地线上引出一根导线,紧贴SPD输出侧导线,该方法能有效地减少回路面积。减少回路面积的接线图如图5所示,两条测量线之间的回路面积如图6所示。试验后发现这样接线后冲击限制电压仅为13.3 V,MATH波形图如图7所示。

图5 减少回路面积的接线图

图6 两条测量线之间的回路面积

图7 MATH波形图

继续按以上方法重复10次冲击,冲击限制电压值如表2所示,都是在-14.5～13.9 V之间波动,比未减少回路面积时的测得值又有明显的下降。

表2 冲击限制电压值

通过选取合适的探头、使用差分方法以及减少回路面积的连接方式,可以使测得的冲击限制电压值更加准确。

3 结 语

本文基于标准中第6.2.1.3款“冲击限制电压的试验方法”,对信号SPD进行测试,分析了测量结果,发现选择合适的探头、采用差分测量方法以及减少回路面积的接线方式,可以使得测量的冲击限制电压值更加准确,这对以后SPD厂家电压保护水平的声称和实验室冲击限制电压的测量有一定指导意义。