廣東雷寧普檢測是專業第三方防雷檢測機構，實驗室具備GB/T 18802.21、IEC/EN 61643-21標準檢測資質，可提供信號浪涌保護器防雷檢測、型式試驗、委托測試服務。

隨著工業化、信息化發展，工業控制系統集成度不斷提高，但電子信息系統對電磁環境非常敏感，耐受電涌沖擊能力較弱。電子信息系統易遭受來自開關動作、線路故障以及雷擊產生的電涌沖擊，從而造成傳輸信號失真、數據丟失、設備損壞，其中雷擊電涌造成的危害最為嚴重。

傳統的防雷措施屬于外部雷電防護系統，只能有效防護直擊雷，但近年來感應雷及雷擊電磁脈沖輻射造成的損失越來越多且難以控制，這就需要建立有效的內部防雷系統來抑制感應雷，其中最有效的措施就是安裝電涌保護器(SPD)。分析雷電特性，設計適用于電子信息系統的信號型電涌保護器對提高我國雷電防護能力有著極其重要的意義。

1 信號型SPD關鍵設計技術

1.1 信號型SPD總體設計原理

電子線路最有效的防雷措施就是在線路上靠近設備側安裝SPD。SPD是可對雷電過電壓及系統內部產生的操作過電壓加以限制，并對地泄放大電流的安全防護裝置。為了獲得高通流量、低殘壓，信號型SPD需設計成兩級保護電路，具有差模(線一線的保護)、共模(線一地的保護)兩種保護模式。如圖l所示，前級防護電路主要采用GDT將暫態電涌電壓波大部分能量泄放到大地，以確保SPD具有較高的泄流能力；后級防護電路主要利用Tvs管將過電壓限制在被保護系統的耐受電壓水平以下，以獲得較低的殘壓值。

1.2 信號型SPD關鍵設計技術

電子信息設備及其傳輸信號具有多樣性，這就要求設計的信號型SPD具有廣泛的兼容性。本文設計的信號線路SPD具有以下關鍵技術特點：

(1)防護電路均采用GDT與TvS組成的兩級防護模式，采用國外進口品牌元器件以及先進PCB*fJ作加工工藝，確保SPD具有較強的電涌抑制能力。設計的信號型SPD在8／20s雷電流波形沖擊下標稱放電電流為10kA，最高可達20kA，并且具有較低的輸出電壓值。

(2)設計的信號線路SPD具有二線制、三線制及四線制接線模式；采用接地導軌安裝結構，接地便捷、節省空間；電涌防護模塊設計成支持熱插拔模式，可單獨監測、維護方便。

2 信號線路SPD設計

2.1 電路原理圖

對于信號線而言常見的電涌電壓有共模、差模干擾電壓。

共模電壓是相對于同一個參考點的信號，而差模電壓是兩個信號之間的差，一般沒有強調是公共地，可以看作一個信號。

信號線由多根導線組成，當電涌到來時，所有導線都趨向于大地的電壓移動，即產生了共模干擾電壓；同時在各導線之間也會形成電位差，即差模干擾電壓。兩種干擾電壓都能影響系統的正常運行，其中共模干擾電壓沖擊更為嚴重，而設備更易受到差模干擾電壓沖擊，在設計信號型SPD時，對差模、共模干擾電壓均要進行防護。

根據圖1信號型SPD設計要求及原理，如圖2～4所示，將適用于模擬／數字信號線路保護的二線制、三線制、四線制信號線路SPD電路設計成由GDT與TVS管組成的兩級防護電路，具有差模、共模兩種保護模式。主要利用前級的GDT防護電路抑制共模電涌電壓，利用GDT與TvS管組成的兩級防護電路抑制差模電涌電壓。

2.2 前級GDT防護電路

2.2.1 GDT防護電路

如圖5所示，利用GDT對共模、差模電涌電壓進行抑制時，在一端口系統中需兩個二極GDT，用三極GDT時僅需一個；在二端口系統中需四個二極GDT，用三極GDT時僅需兩個。

對于一端口采用二極GDT，兩個GDT放電特性具有分散性，當共模電涌電壓到來時，有可能不同時導通，GDT保護電路額外產生的差模電涌電壓也會損壞設備。采用一個三極GDT，兩對電極之間具有良好對稱特性，能減小兩對電極之間導通與關斷的時間差，提高保護性能。在差模電涌沖擊下，被保護系統將承受兩個二極GDT殘壓之和，或一個三極GDT兩對電極間殘壓之和，對于敏感設備而言，可考慮在1、2號線間再加一個二極GDT。在設計GDT防護電路時采用三極GDT，不僅可簡化電路，還能提高保護性能。

2.2.2 GDT選型

SPD的標稱放電電流主要由前級保護電路中GDT通流容量來決定，本文設計的信號型SPD標稱放電電流設定為10kA(8／20s)，結合圖l信號型SPD設計要求及原理，GDT參數選為直流擊穿電壓9ov±2O％，標稱放電電流10kA(8／20‘Ls)，最大放電電流20kA(8／20s)。

2.3 后級橋式防護電路

2.3.1 橋式防護電路

用于高頻數字信號傳輸線路電涌防護時，后級防護電路采取TVS管與快恢復二極管串聯構成橋式電路的設計方案，以降低防護電路分布電容。

2.3.2 TVS管選型

SPD的動作電壓和電壓保護水平主要取決于后級保護電路中TVs的擊穿電壓和鉗位電壓，結合瞬態抑制二極管的應用，選取的TvS擊穿電壓UBB與被保護回路的工作、信號電壓峰值‰問應滿足下式：

根據SH／T3164-2012《石油化工儀表系統防雷工程設計規范》第8.4.1.2條規定，對于24VDC供電的儀表，考慮到電源電壓波動及負載變化的影響，信號電壓最大值為30~36VDC。

另外，第8.4.4.2條規定，對于24VDC信號儀表，SPD的電壓保護水平應為60V，一般信號型sPD限制電壓為被保護設備工作或信號電壓的2～2.5倍。通常工業系統中信號儀表的工作或信號電壓為5v、24v，故TvS管可相應選為雙向瞬態抑制二極管，其反向關斷電壓分別為8V、33V，擊穿電壓分別為8～l2V、36~42V，最大限制電壓分別為20V、60v。