深圳盾牌防雷公司提出利用LC濾波器來降低電涌保護器殘壓的新方法

電氣技術 發佈 2022-05-17T10:31:08.322763+00:00

羅佳俊, 馮海洋, 冷丁丁, 蔡劍碧. 基於低通濾波原理的電涌保護器超低殘壓研究. 電氣技術, 2022, 23: 17-22. LUO Jiajun, FENG Haiyang, LENG Dingding, CAI Jianbi. Study on ultra-low residue voltage of surge protective device based on low pass filter principle. Electrical Engineering, 2022, 23: 17-22.


匹配的LC濾波器並聯在電涌保護器(SPD)後端,可以有效地降低電涌保護器電壓保護水平至少在50%以上,從而更好地保護各種電子信息設備。針對傳統的SPD必須在不同等級的配電櫃中安裝至少三台以上,才能將SPD的電壓保護水平(殘壓)降至1.2kV以下。

由深圳市盾牌防雷技術有限公司與廣東海洋大學海洋與氣象學院科研人員組成的技術團隊提出了一種利用LC濾波器來降低SPD殘壓的方法。該方法在不改變現有SPD內部結構、參數和安裝方法的前提下,可以有效地降低SPD兩端的殘壓。Multisim仿真和模擬雷電衝擊SPD+LC組合的試驗結果證明了提出方法的可行性和有效性

團隊介紹

深圳市盾牌防雷技術有限公司成立於2000年,其實驗室200kA(8/20μs)模擬雷擊試驗衝擊平台是國內首家自主設計研發的大通流量測試平台,10/350μs測試平台是國內唯一採用電感儲能電路的模擬雷電衝擊平台。設計產品通過TUV、UL、ETL、FM等多個國際認證。2009年成為一家外資獨資公司。

羅佳俊

工程師,研究方向為雷擊風險評估、防雷產品研發、檢測等領域。

馮海洋

測試工程師,研究方向為SPD模擬雷擊測試,產品認證等。

冷丁丁

廣東海洋大學海洋與氣象學院講師,從事雷電防護方向的教學和研究20餘年。

蔡劍碧

廣東海洋大學電子與信息工程學院講師,從事雷電防護及電子信息方向教學20餘年。


研究背景

電子信息系統已經向高度集成化發展,這對雷電電磁脈衝防護提出了新的要求。傳統SPD依靠內部的壓敏電阻MOV、氣體放電管GDT和瞬態抑制二極體TVSS等非線性元器件來實現對雷電流的泄放和過電壓的鉗位。這種方案需要多級SPD配合才能達到良好的保護效果,可靠性低,成本高。同時,在電子設備越來越小型化的趨勢下,大多數場合已經無法滿足安裝要求。

考慮到成本、安裝空間和保護效果等多方面的因素,利用殘壓波是一種低頻率的脈衝波的特點,拋開傳統的時域分析法,從頻域的角度研究降低SPD的殘壓及其抑制電路。


論文所解決的問題及意義

濾波器的種類很多,常見EMC/EMI濾波器主要針對線路中的操作過電壓或者納秒極的脈衝信號的產生高頻信號進行過濾,串聯在線路中,包含差模保護和共模保護。而雷電波是一種微秒級的脈衝波,泄放雷電流和鉗位電壓的電源SPD主要是對地的共模保護。因此設計一款與雷電波頻率匹配的、可以提供共模保護並且能承受預期雷電流和過電壓、在雷電流衝擊下可以將濾波電路輸出端的電壓進行抑制的濾波器是本論文要研究的主要問題。

將SPD與專用濾波器組合後,可以降低SPD的殘壓達50%以上,成本也降低50%以上。


論文方法及創新點

本文採用SPD殘壓波頻率分析、濾波電路選擇、殘壓波頻率確認、雷擊測試比對的方法,遴選出最佳的濾波器組合方案。創新點在於通過模擬雷擊測試SPD輸出端和LC輸出端電壓的對比,確定殘壓波的頻率,從頻域的角度為LC電路參數選擇提供依據。還證明磁芯電感不能用在SPD濾波電路中。

1 SPD殘壓波頻率分析

儘管通過對雷電流波形的傅立葉變換可以計算出雷電流及主要能量的頻譜範圍,為了更加直觀的觀察頻譜分布,實驗室對單個SPD進行雷擊衝擊,對採集到的殘壓波直接在示波器上進行FFT變換,找出殘壓波的頻譜範圍。


2 濾波電路的設計

試驗證明採用單級LC濾波電路是最佳的設計方案,多級LC電路會增大SPD殘壓的增益。另外,濾波電路中的電容採用耐衝擊的電解電容,電感採用空心電感。磁芯電感在雷電流衝擊下會產生磁飽和現象,從而降低LC電路對殘壓的抑制效果。



3 通過測試確認殘壓波的實際頻率

選擇不同截止頻率的LC組合併聯在SPD後端,分別測試3kA和20kA下SPD的輸出電壓和LC後端的電壓,當兩者電壓沒有變化時,此時的諧振頻率就是SPD殘壓的頻率。試驗證明殘壓的最大頻率在20kHz左右,殘壓越高對應波頻率越高。

4 殘壓抑制效果

為了使LC電路具有廣泛的應用,對不同類型的SPD進行測試,對LC輸出端電壓抑制增益達到-6dB時截止頻率對應的LC組合作為最終的設計組合。實驗證明LC輸出端的電壓幅值和陡度有了顯著的降低。


結論

本文通過仿真和測試證明,匹配的濾波電路與SPD並聯時可以滿足大通流低殘壓的保護要求,不需要考慮多級SPD保護時的能量配合問題;無需對現有SPD進行改造,具有廣泛的適用性;節約成本,提升保護的可靠性和效果。


引用本文

羅佳俊, 馮海洋, 冷丁丁, 蔡劍碧. 基於低通濾波原理的電涌保護器超低殘壓研究[J]. 電氣技術, 2022, 23(3): 17-22. LUO Jiajun, FENG Haiyang, LENG Dingding, CAI Jianbi. Study on ultra-low residue voltage of surge protective device based on low pass filter principle. Electrical Engineering, 2022, 23(3): 17-22.

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