【原】深圳盾牌防雷技术公司等单位的研究人员提出一种利用LC滤波器来降低电涌保护器残压的方法

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匹配的LC滤波器并联在电涌保护器（SPD）后端，可以有效地降低电涌保护器电压保护水平至少在50%以上，从而更好地保护各种电子信息设备。针对传统的SPD必须在不同等级的配电柜中安装至少三台以上才能将SPD的电压保护水平（残压）降至1.2kV以下，由深圳市盾牌防雷技术有限公司与广东海洋大学海洋与气象学院科研人员组成的技术团队提出了一种利用LC滤波器来降低SPD残压的方法。该方法在不改变现有SPD内部结构、参数和安装方法的前提下，可以有效地降低SPD两端的残压。Multisim仿真和模拟雷电冲击SPD+LC组合的试验结果证明了提出方法的可行性和有效性。

团队介绍

深圳市盾牌防雷技术有限公司成立于2000年，其实验室200kA（8/20μs）模拟雷击试验冲击平台是国内首家自主设计研发的大通流量测试平台，10/350μs测试平台是国内唯一采用电感储能电路的模拟雷电冲击平台。设计产品通过TUV、UL、ETL、FM等多个国际认证。2009年成为一家外资独资公司。

罗佳俊

工程师，研究方向为雷击风险评估、防雷产品研发、检测等领域。

冯海洋

测试工程师，研究方向为SPD模拟雷击测试，产品认证等。

冷丁丁

广东海洋大学海洋与气象学院讲师，从事雷电防护方向教学和研究20余年。

蔡剑碧

广东海洋大学电子与信息工程学院讲师，从事雷电防护及电子信息方向教学20余年。

研究背景

电子信息系统已经向高度集成化发展，这对雷电电磁脉冲防护提出了新的要求。传统SPD依靠内部的压敏电阻MOV、气体放电管GDT和瞬态抑制二极管TVSS等非线性元器件来实现对雷电流的泄放和过电压的钳位。这种方案需要多级SPD配合才能达到良好的保护效果，可靠性低，成本高。同时，在电子设备越来越小型化的趋势下，多数场合已经无法满足安装要求。

考虑到成本、安装空间和保护效果等多方面的因素，利用残压波是一种低频率的脉冲波的特点，抛开传统的时域分析法，从频域的角度研究降低SPD的残压及其抑制电路。

论文所解决的问题及意义

滤波器的种类很多，常见EMC/EMI滤波器主要针对线路中的操作过电压或者纳秒极的脉冲信号的产生高频信号进行过滤，串联在线路中，包含差模保护和共模保护。而雷电波是一种微秒级的脉冲波，泄放雷电流和钳位电压的电源SPD主要是对地的共模保护。因此设计一款与雷电波频率匹配的、可以提供共模保护并且能承受预期雷电流和过电压、在雷电流冲击下可以将滤波电路输出端的电压进行抑制的滤波器是本论文要研究的主要问题。

将SPD与专用滤波器组合后，可以降低SPD的残压达50%以上，成本也降低50%以上。

论文方法及创新点

本文采用SPD残压波频率分析、滤波电路选择、残压波频率确认、雷击测试比对的方法，遴选出最佳的滤波器组合方案。创新点在于通过模拟雷击测试SPD输出端和LC输出端电压的对比，确定残压波的频率，从频域的角度为LC电路参数选择提供依据。还证明磁芯电感不能用在SPD滤波电路中。

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SPD残压波频率分析

尽管通过对雷电流波形的傅里叶变换可以计算出雷电流及主要能量的频谱范围，为了更加直观的观察频谱分布，实验室对单个SPD进行雷击冲击，对采集到的残压波直接在示波器上进行FFT变换，找出残压波的频谱范围。

图1 残压波FFT变换后的频谱分布

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滤波电路的设计

试验证明采用单级LC滤波电路是最佳的设计方案，多级LC电路会增大SPD残压的增益。另外，滤波电路中的电容采用耐冲击的电解电容，电感采用空心电感。磁芯电感在雷电流冲击下会产生磁饱和现象，从而降低LC电路对残压的抑制效果。

图2 滤波型SPD残压测试电路

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通过测试确认残压波的实际频率

选择不同截止频率的LC组合并联在SPD后端，分别测试3kA和20kA下SPD的输出电压和LC后端的电压，当两者电压没有变化时，此时的谐振频率就是SPD残压的频率。试验证明残压的最大频率在20kHz左右，残压越高对应波频率越高。

图3 不同谐振频率下的残压增益对比

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残压抑制效果

为了使LC电路具有广泛的应用，对不同类型的SPD进行测试，对LC输出端电压抑制增益达到-6dB时截止频率对应的LC组合作为最终的设计组合。实验证明LC输出端的电压幅值和陡度有了显著的降低。

图4 谐振频率6kHz@20kA的残压波形

结论

本文通过仿真和测试证明，匹配的滤波电路与SPD并联时可以满足大通流低残压的保护要求，不需要考虑多级SPD保护时的能量配合问题；无需对现有SPD进行改造，具有广泛的适用性；节约成本，提升保护可靠性和效果。

引用本文

罗佳俊, 冯海洋, 冷丁丁, 蔡剑碧. 基于低通滤波原理的电涌保护器超低残压研究[J]. 电气技术, 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.