铁路信号电源防雷电路的设计与应用

张国侯 赵静锐 连亚威 曹强 南京铁道职业技术学院通号学院

1 雷电概述

雷电主要是直击雷、感应雷、传导雷三种形式。其破坏作用与峰值电压及其波形有密切的关系，而雷电波频谱则是研究雷电波的传输及雷电防护的重要依据。

基于现代防雷理论，雷电防护的基本途径就是提供一条雷电流对地泄放的合理的阻抗路径，控制雷电能量的按指定线路泄放与转换。目前抑制信号电源遭遇雷击的措施主要有相线与地线间并联电容法、变压器隔离法、电涌保护法，用这些措施来抑制或降低雷电对各设备的损害。

2 铁路信号SPD中常用的防雷元件

2.1 压敏电阻工作原理及性能分析

压敏电阻是一种电阻值对电压敏感的电阻器，英文名称为“Voltage Dependent Resistor”简称“VDR”。其材料为半导体，采用陶瓷工艺，广泛采用氧化锌压敏电阻器，分为预击穿区、击穿区以及上升区三个方面。工作原理如图1所示。

图1 压敏电阻工作原理图

根据压敏电阻的导电机理，其对过电压的响应速度很快，如带引线式和专用电极产品，一般响应时间小于25纳秒。因此当选用压敏电阻作为防雷元件时，只要得当压敏电阻器对线路中出现的瞬态过电压有着优良的抑制作用。

2.2 气体放电管结构分析及选用

气体放电管是一种陶瓷或玻璃封装的、内充低压气体放点介质的、密封于一个或一个以上放电间隙中的短路型保护器件，一般分两级和三级结构。其作用是用来保护设备和设备操作人员免遭高压冲击过程的过电压保护元件。

实验中，我们选用型号为2R230，直流击穿电压230+20%，响应时间10-6微秒级的气体放电管，根据实测分析，该型号GDT的响应电压即其击穿电压较高，且响应时间较慢，同时可分析出GDT导通以后的电压下降速度远高于MOV，说明其泄漏能力更强，因而可作为多级防护中的一级防护。结合MOV等保护器件配合使用，才可达到较好的防护效果。

2.3 固体放电管的原理及作用

固态放电管是一种过压保护器件，是利用晶闸管原理制成的，依靠PN结的击穿电流触发器件导通放电，可以流过很大的浪涌电流或脉冲电流。其击穿电压的范围构成了过电压保护的范围，固定放电管使用时可直接跨接在被保护电路的两端。

2.4 瞬态二极管的特性与应用

瞬态二极管（TVS）也称为齐纳二极管，它是一种箝位类型抑制过电压的元器件，随着加在它两端的电压不同而改变其阻抗，在规定的反向电压作用下，两端电压大于门限电压时，其工作阻抗能立即降至很低的水平以允许大电流的通过，并将两端电压钳制在很低的水平，从而有效的保护末端电子产品中的精密元件避免损坏。双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉动功率，因此较适合于交流电路TVS二极管是固态二极管优点在于残压低，动作精度高，响应时间快，没有续流，不易退化。

3 两级SPD电路设计

3.1 设计思路

既有的SPD电路如图2所示，通流能力不足，耐高压冲击不够高，元器件容易老化劣化。基于这一情况，本设计中精选防雷元器件，并作出部分改进，重新设计，设计思路框图如图3所示。经试验分析，在现有的电源防雷保护电路中，气体放电管与压敏电阻的有效配合能够将SPD的通流能力大大提升，过电压冲击后限制电压会更低，延缓元器件的老化劣化。具体电路如图4所示。

图2 既有的SPD电路

图3 设计电路框图

此电路中我们增加了原有电路中未使用过的退耦元件，其作用有以下几点：雷电波由于线路上加入退耦元件会导致传输速度会降低；在电流一定的情况下，线路波阻抗增加导致线路电压增加，有利于第一级开关型器件的提前启动；雷电波通过退耦元件后，波形的上升陡度会降低；线路中加入退耦元件等于延长了导线的长度，使得雷电波在该段线路上的传输时。

3.2 MOV和GDT试验的结果

我们对MOV和GDT做了能量配合试验，根据对MOV和GDT的试验结果表明当固定MOV压敏电压时，要达到不完全配合阶段所需的过电压幅值会随GDT冲击击穿电压的升高而升高，当固定MOV压敏电压时，GDT的冲击击穿电压越小，完全配合所需过电压幅值越低的原则，综上得出，当固定MOV压敏电压时，应当选择离MOV压敏电压相近的GDT做能量配合。

3.3 具体电路的设计

图4 改进后的SPD电路

3.4 该电路原理

本电路采用两级防护。一级为主保护，主要用来吸收电涌过电压、过电流，二级防护用来使经过一级防护后的电压降到设备所能承受的电压。在一级防护中采用压敏电阻与气体放电管串联的方式，主要解决压敏电阻漏电流大的问题，当压敏电阻电路中串联气体放电管时，气体放电管就相当于开关，会先于压敏电阻开始漏流，能够有效的阻止压敏电阻的漏电流，防止因漏电流产生的老化以及自燃现象。在二级防雷电路中，采用并联压敏电阻的方式，提高了电涌保护器的耐受水平，降低了压敏电阻的耐受限制电压，提高了使用寿命。同时压敏电阻与气体放电管串联之后再并联，可以有效的提高放电能力，使得每个压敏电阻电流都不过载，增大了SPD的通流量，起到快速热脱保护。

为了使一级保护优于二级保护先启动，在一级保护和二级保护之间串联了退耦元件。本电路采用电感作为退耦元件，串联在一级保护和二级保护之间，使通过电感的电流不能跃变，阻止了电流的快速通过保障了一级防雷元件的作用并且使得过电压降低到二级保护所能承受的范围。

3.5 该电路的优缺点

优点：电路主要采用压敏电阻串联气体放电管的组合方式，保障了SPD的使用寿命，可以确保SPD长久可靠的使用；在二级防护中，将气体放电管与压敏电阻串联后又并联的方式，增大了SPD的通流量。起到快速热脱保护，对设备起到重要的保护作用。

缺点：在二级防护中，用到多个GDT并联，导致二级防护系统的击穿电压升高，可能会造成某些低电压设备两端的过电压。

3.6 该电路意义与价值

在分析了现有的SPD电路所存在不足的基础之上，我们设计了两级SPD电路，通过大量的实验证明，此电路的防雷效果比原有的防雷模块好，能够承受过高的电压，可以使得铁路信号系统在雷电袭击时更可靠有效的工作。

4 小结

从现有防雷电路以及雷电的产生和特性进行分析并设计出新的防雷电路，该电路在一定程度上提高了对铁路信号电源屏的防雷，使得信号电源屏在雷雨天气也能够稳定可靠的对铁路信号设备进行供电，从而使得铁路系统在雷雨天气能够安全的运行。

[1]张国侯，杨进.铁路信号电源与防雷［M］.南京铁道职业技术学院,2017.