CN104377673A - 浪涌防护装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浪涌防护装置和方法，其中，该装置包括：包括至少三个电极的开关保护器，该开关保护器在该至少三个电极中的两个电极之间的极间电压达到预定值的情况下，击穿这两个电极，其中，该至少三个电极分别与交流电***的中线、保护地线和至少一个相线并联连接。通过本发明，解决了将压敏电阻直接跨接在电力线上导致电力线通信信号显著衰减的问题，保证了电力线上的电力线通信信号的质量。

Description

浪涌防护装置和方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种浪涌防护装置和方法。

背景技术

电力线通信（Power Line Communication，简称为PLC）终端是一种利用传输交流电的电力线作为通信媒介的室内网络终端设备，因此PLC终端交流电源端口同时也是通信端口，PLC终端不但从该端口获取工作频率为50Hz～60Hz的交流电，也通过该端口传输工作频率为几兆赫兹甚至上百兆赫兹的PLC信号。

由于雷击或交流电网负载变化的影响，电力线上经常会产生危害设备安全的浪涌干扰。为了保护PLC终端不因浪涌干扰而损坏，其交流电源端口必须具有符合要求的浪涌防护能力，包括共模防护和差模防护。同时，由于PLC终端交流电源端口不但要传输低频的交流电，还要传输射频的PLC信号，因此，该端口的浪涌防护电路不但要提供足够的防护能力，还不能影响PLC的通信性能。另外，作为应用在室内的通信终端，PLC终端还具有微型化和低成本的设计需求。

在相关技术中，包含保护地线的单相交流电源端口通常采用分别跨接于相线（L线）、中线（N线）和保护地线（PE线）之间的压敏电阻提供共模防护和差模防护。同时，由于压敏电阻的寄生电容很大，直接跨接在电力线上会导致PLC信号显著衰减，严重影响PLC终端的通信性能，并不适用于PLC终端交流电源端口防护的特殊需求。

为了兼顾防护能力和通信能力，相关技术中的其他的PLC终端交流电源端口的防护电路则存在电路复杂、防护器件多、成本高、占用结构空间大等缺点，降低了电路可靠性且不符合PLC终端的低成本和微型化设计需求。

针对相关技术中将压敏电阻直接跨接在电力线上导致PLC信号显著衰减的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明提供了一种浪涌防护装置和方法，以至少解决将压敏电阻直接跨接在电力线上导致PLC信号显著衰减的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种浪涌防护装置，包括：包括至少三个电极的开关保护器，用于在所述至少三个电极中的两个电极之间的极间电压达到预定值的情况下，击穿所述两个电极，其中，所述至少三个电极分别与交流电***的中线、保护地线和至少一个相线并联连接。

优选地，所述装置还包括：熔断器，串联在所述至少一个相线上，其中，所述至少一个相线上的电压通过所述熔断器传递到所述开关保护器。

优选地，所述至少三个电极中的至少一个通过至少一个第一压敏电阻分别与所述至少一个相线连接，所述至少三个电极中其他的电极中的一个通过第二压敏电阻与所述中线连接，其中，所述第一压敏电阻与所述第二压敏电阻的参数相同。

优选地，所述中线的输出端包括至少两个引出中线，所述保护地线的输出端包括至少两个引出保护地线，所述至少一个相线中的每个相线的输出端分别包括至少两个引出相线，其中，所述至少两个引出中线、所述至少两个引出保护地线和所述至少一个相线中的每个相线的至少两个引出相线分别形成至少两组输出组。

优选地，所述至少两组输出组中的第一输出组包括：高频抑制器，分别串联在所述第一输出组中的相线和中线上，用于抑制所述交流电***中的高频信号，以得到输出交流电。

优选地，所述第一输出组还包括：第一浪涌抑制器，至少与所述第一输出组中传输所述输出交流电的相线和中线并联连接，用于抑制在传输所述输出交流电的相线和中线上产生的浪涌。

优选地，所述至少两组输出组中的第二输出组包括：低频抑制器，分别串联在所述第二输出组中的相线和中线上，用于抑制所述交流电***中的低频信号，以得到输出信号。

优选地，所述第二输出组还包括：第二浪涌抑制器，至少与所述第二输出组中传输所述输出信号的相线和中线并联连接，用于抑制在传输所述输出信号的的相线和中线上产生的浪涌。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种浪涌防护方法，包括：在开关保护器的至少三个电极中的两个电极之间的极间电压达到预定值的情况下，击穿所述两个电极，其中，所述至少三个电极分别与交流电***的中线、保护地线和至少一个相线并联连接。

优选地，所述方法还包括：分离通过所述开关保护器保护的输出端中的输出交流电和输出信号；分别对所述输出交流电和所述输出信号进行浪涌保护。

通过本发明，采用包括至少三个电极的开关保护器在该至少三个电极中的两个电极之间的极间电压达到预定值的情况下，击穿这两个电极，其中，该至少三个电极分别与交流电***的中线、保护地线和至少一个相线并联连接的方式，解决了将压敏电阻直接跨接在电力线上导致PLC信号显著衰减的问题，保证了电力线上的PLC信号的质量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的浪涌防护装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的浪涌防护装置的优选结构示意图一；

图3是根据本发明实施例的浪涌防护装置的优选结构示意图二；

图4是根据本发明实施例的浪涌防护装置的优选结构示意图三；

图5是根据本发明优选实施例的浪涌防护电路的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施例提供了一种浪涌防护装置，该装置包括一个开关保护器，该开关保护器包括三个或三个以上的电极，其中这三个或三个以上的电极分别与交流电***的中线、保护地线和一个或多个相线并联连接。其中，开关保护器的电极数不少于中线、保护地线和一个或多个相线的总数，即保证每一根电力线上都分别并联了开关保护器的至少一个不同的电极。

其中，在这三个或三个以上的电极中的任意两个电极间的电压达到预定值的情况下，击穿这两个电极，产生压降，从而吸收连接的电力线上的浪涌干扰。

图1是根据本发明实施例的浪涌防护装置的结构示意图，在图1中示出了浪涌防护装置中具有三个电极的开关保护器10与单相交流电***的相线（L线）、中线（N线）和保护地线（PE线）的连接关系。

需要说明的是，根据图1的示意，上述的浪涌防护装置还可以采用包括五个电极的开关保护器实现三相交流电***的浪涌保护。

通过上述装置，由于开关保护器的各电极之间的寄生电容远小于压敏电阻两端之间的寄生电容，因此，采用开关保护器可以有效防止高频的PLC信号的衰减。并且，采用上述的开关保护器，由于可以在浪涌干扰的情况下，实现相线和中线之间的压降，因此提供了差模防护；由于可以在浪涌干扰的情况下，实现相线和PE线之间的压降以及中线和PE线之间的压降，因此还同时提供了共模防护，相对于相关技术中采用分别进行共模防护和差模防护的方案，本实施例中使用了更少的器件同时实现了共模防护和差模防护。可见，通过上述装置，解决了将压敏电阻直接跨接在电力线上导致PLC信号显著衰减的问题，保证了PLC信号的质量。

优选地，上述的开关保护器10为气体放电管，又称为空气放电器。

图2是根据本发明实施例的浪涌防护装置的优选结构示意图一，如图2所示，优选地，该装置还包括：熔断器20，串联在一个或多个相线上，其中，每个相线上的电压通过熔断器20传递到开关保护器10。该熔断器20用于对交流电***输出的后端的电路的熔断保护。其中，该熔断器20包括限流保险丝，或者其他的包括遇高温可熔的材料的电路连接装置。

图3是根据本发明实施例的浪涌防护装置的优选结构示意图二，如图3所示，优选地，在与相线或中线并联连接的电极之间分别串联至少一个压敏电阻，通过压敏电阻的非线性特性，在相线和中线之间形成稳定的压降。优选地，连接在相线和电极之间的压敏电阻42与连接在中线和电极之间的压敏电阻44的参数相同，使得相线和中线对开关保护器10的对应的两级的压降相同。其中，压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。

图4是根据本发明实施例的浪涌防护装置的优选结构示意图三，优选地，中线在与开关保护器10的一个电极并联的端口引出了引出中线412和引出中线414，保护地线在与开关保护器10的一个电极并联的端口引出了引出保护地线422和引出保护地线424，每一个相线与开关保护器10的一个电极并联的端口引出了引出相线432和引出相线434，其中，这些引出中线、引出保护地线和引出相线可以分为两个输出组，以单相交流电***为例：第一输出组可以包括：一个引出中线412、一个引出保护地线422和一个引出相线432；第二输出组可以包括：一个引出中线414、一个引出保护地线424和一个引出相线434。

上述引出的两个输出组可以分别用于输出低频交流电和输出高频PLC信号。需要说明的是，上述引出的输出组的个数可以不限于两个，例如，可以引出多组用于输出低频交流电的输出组或多组用于输出高频PLC信号的输出组。通过这样的方式，可以分别对需要不同程度的浪涌防护的器件进行保护。

下面分别对用于输出低频交流电的输出组和用于输出高频PLC信号的输出组进行说明。

如图4所示，优选的，在用于输出低频交流电的情况下，对应的第一输出组包括：分别串联在第一输出组中的相线和中线上的高频抑制器44，用于抑制交流电***中的高频信号，以得到输出交流电。其中，该高频抑制器44包括去耦电路，该去耦电路包括空心电感或其他电感，对交流电呈现低阻抗，对PLC信号呈现高阻抗，从而隔离并抑制高频的PLC信号。

优选地，第一输出组还包括：第一浪涌抑制器46，至少与第一输出组中传输输出交流电的相线和中线并联连接，用于抑制在传输输出交流电的相线和中线上产生的浪涌。其中，第一浪涌抑制器46可以包括以下至少之一：压敏电阻、瞬态电压抑制器或电压开关型浪涌抑制器。需要说明的是，第一浪涌抑制器也可以是与开关保护器10类似的具有多电极的电压型开关保护器，以分别对中线、相线和保护地线进行共模防护和差模防护。

优选地，在用于输出高频PLC信号的情况下，对应的第二输出组包括：分别串联在第二输出组中的相线和中线上的低频抑制器48，用于抑制交流电***中的低频信号，以得到输出信号。其中，该低频抑制器48包括耦合电路，该耦合电路包括电容器，例如：高耐压陶瓷安规电容器，对交流电呈现高阻抗，对PLC信号呈现低阻抗，从而隔离并抑制低频的交流电信号。

优选地，第二输出组还包括：第二浪涌抑制器49，至少与第二输出组中传输输出信号的相线和中线并联连接，用于抑制在传输输出信号的的相线和中线上产生的浪涌。其中，第二浪涌抑制器49可以包括瞬态电压抑制器。

本实施例还提供了一种浪涌防护方法，该方法用于描述上述浪涌防护装置的工作过程，可以与上述装置对应的功能实现进行结合描述，在此不再赘述。

其中，该方法包括：在开关保护器的至少三个电极中的两个电极之间的极间电压达到预定值的情况下，击穿这两个电极，其中，至少三个电极分别与交流电***的中线、保护地线和至少一个相线并联连接。

优选地，该方法还包括：分离通过开关保护器保护的输出端中的输出交流电和输出信号；分别对输出交流电和输出信号进行浪涌保护。

下面结合优选实施例进行描述和说明。

本优选实施例涉及浪涌防护技术，尤其涉及电力线通信终端交流电源端口浪涌防护电路。在本优选实施例中针对单相交流电***的浪涌防护进行说明。

本优选实施例提供了一种PLC终端交流电源端口的浪涌防护电路，包括：一个公共端口、一个低频端口、一个高频端口、一个熔断装置、一个初级浪涌防护装置、一个耦合/去耦电路、以及一个低频端口次级浪涌防护装置和一个高频端口次级浪涌防护装置。

公共端口，包括一根L线、一根N线和一根PE线，与交流电网相连，用于获取交流电和传输PLC信号。L线、N线和PE线均有两根分叉线，一组分叉线组成低频端口（相当于第一输出组），用于传输交流电至PLC终端的电源转换电路，另一组分叉线组成所述高频端口（相当于第二输出组），与PLC终端通信电路相连，用于传输PLC信号。

熔断装置串联在L线上，一端与L线上的分叉点相连，另一端与公共端口相连。优选的，熔断装置为限流保险丝，或者由遇高温可熔的材料构成的电路连接装置。

初级浪涌防护装置（相当于开关保护器10）跨接在L线、N线和PE线之间，具有三个连接端，其中两端分别与L线和N线上的分叉点相连，中间端与PE线相连。优选的，初级浪涌防护装置包括三个浪涌防护器件，例如：两个压敏电阻和一个三极气体放电管。

优选的，两个压敏电阻参数相同，它们的一端分别与三极气体放电管两侧的电极相连。

优选的，初级浪涌防护电路的两端为压敏电阻的自由端，初级浪涌防护电路的中间端为三极气体放电管的中间电极。

耦合/去耦电路包括：两个去耦装置（相当于高频抑制器）和两个耦合装置（相当于低频抑制器）。去耦装置分别串联在属于低频端口并分别与L线和N线相连的两根分叉线上，一端与所在线上的分叉点相连，另一端与低频端口相连；耦合装置分别串联在属于高频端口并分别与L线和N线相连的两根分叉线上，一端与所在线上的分叉点相连，另一端与高频端口相连。

优选的，去耦装置为空心电感或其它电感器，对交流电呈现为低阻抗，对PLC信号呈现为高阻抗。

优选的，耦合装置为高耐压陶瓷安规电容或其它高耐压安规电容器，对交流电呈现为高阻抗，对PLC信号呈现为低阻抗。

低频端口次级浪涌防护装置（相当于第一浪涌抑制器）跨接在属于低频端口并与L线和N线相连的两根分叉线上，两端分别与低频端口相连。

优选的，低频端口次级浪涌防护装置包括：一个浪涌防护器件，包括以下之一：压敏电阻或者瞬态电压抑制器（Transient Voltage Suppressor，简称为TVS）、电压开关型浪涌抑制器（Thyristor Surge Suppressor，简称为TSS）。

高频端口次级浪涌防护装置（相当于第二浪涌抑制器）跨接在属于高频端口并与L线和N线相连的两根分叉线上，两端分别与高频端口相连。

优选的，高频端口次级浪涌防护装置包括：一个浪涌防护器件，例如：双向瞬态电压抑制器。

根据本发明的上述优选实施例，在几乎不影响PLC终端通信性能的前提下，不但能够提供足够的差模和共模浪涌防护能力，而且电路简单、所需器件较少，节约了浪涌防护的成本，减小了防护电路占用的结构空间，有助于PLC终端的低成本和微型化设计。

下面结合附图对上述PLC终端交流电源端口的浪涌防护电路进行说明。

图5是根据本发明优选实施例的浪涌防护电路的结构示意图，如图5所示：

公共端口包括：一根L线、一根N线和一根PE线，与交流电网相连，用于获取交流电和传输PLC信号。L线、N线和PE线均有两根分叉线，一组分叉线组成低频端口，用于传输交流电至PLC终端电源转换电路，另一组分叉线组成高频端口，与PLC终端通信电路相连，用于传输PLC信号。

耦合/去耦电路包括：串联在与低频端口相连的L线和N线的分叉线上的去耦装置，分别为电感L1和L2，以及串联在与高频端口相连的L线和N线的分叉线上的耦合装置，分别为电容C1和C2。利用电感在低频交流电下的低阻抗和高频PLC信号下的高阻抗特性，阻止PLC信号通过而允许交流电通过该电感传输至低频端口；利用电容在低频交流电下的高阻抗和高频PLC信号下的低阻抗特性，阻止交流电通过而允许PLC信号通过该电容在高频端口与公共端口之间耦合。通过上述的耦合/去耦电路实现了交流电和PLC信号在低频端口和高频端口的分离，以及在公共端口的合流。

L线上串联有一个熔断装置F1，应用中具体为电流保险丝或者由遇高温可熔的材料构成的电路连接装置，当L线上电流在一定时间内超过某个限值时通过熔断方式切断电路，起到过电流保护作用。

初级浪涌防护装置为三个浪涌防护器件的组合，例如，在图5中示出的是2个同规格的压敏电阻RV1和RV2和一个三极气体放电管GDT1。其中；一个压敏电阻RV1的一端与L线上的分叉点相连，另一端与三极气体放电管GDT1的一侧电极相连；三极气体放电管GDT1的另一侧电极与另一个压敏电阻RV2的一端相连；压敏电阻RV2的另一端与N线上的分叉点相连；三极气体放电管GDT1的中间电极与PE线上的分叉点相连。

低频端口次级浪涌防护装置为一个浪涌防护器件，在图5中为一个压敏电阻RV3，根据应用需求的不同也可以是瞬态电压抑制器和电压开关型浪涌抑制器。压敏电阻RV3的两端分别与电感L1和电感L2靠近低频端口的一端相连。用来阻止PLC信号的电感L1和L2同时也用来隔离初级和次级浪涌防护装置，充当退耦电感作用。

所述高频端口次级浪涌防护装置为一个浪涌防护器件，例如，在图5中示出的是一个双向瞬态电压抑制器TVS1，TVS1的两端分别与电容C1和电容C2靠近高频端口的一端相连。

压敏电阻的结电容一般在几百到几千皮法的数量级范围。然而，初级浪涌防护装置所导致的L线与N线之间的寄生电容为两个压敏电阻RV1与RV2的寄生电容和三极气体放电管GDT1两侧电极间寄生电容的串联，由电容串联原理可知，L线和N线之间的寄生电容小于三极气体放电管GDT1两侧电极间寄生电容。而三极气体放电管GDT1两侧电极间寄生电容为几皮法，甚至小于1皮法，因此初级浪涌防护装置对于高频PLC信号几乎没有衰减作用，对PLC终端通信性能的影响几乎可以忽略不计。由于电感L1和L2阻止了高频PLC信号的通过，因此，处于电感L1和L2输出端的次级浪涌防护电路所具有的寄生电容并不会衰减PLC信号，因此，低频端口次级浪涌防护装置对PLC终端的通信性能不会产生影响。由于TVS的寄生电容可以小于1皮法，因此，作为高频端口次级浪涌防护装置也不会对PLC信号产生影响。也就是说，根据本发明优选实施例提供的浪涌防护电路几乎不会对PLC终端的通信性能产生影响。

当电力线上仅有工作电压时，压敏电阻和气体放电管两端的电压小于其动作电压，因而不会动作而保持高阻状态，对电路正常工作没有影响。

当PLC终端电源端口的L线和PE线之间和/或N线和PE线之间出现一个正极性共模浪涌干扰时，初级浪涌防护装置动作，此时L线上的浪涌能量经压敏电阻RV1、三极气体放电管GDT1通过GDT1的中间电极泄放，N线上的浪涌能量经压敏电阻RV2、三极气体放电管GDT1通过GDT1的中间电极泄放。

当PLC终端电源端口的L线和N线之间具有一个正极性差模浪涌干扰时，由于电感L1和L2的退耦作用以及电容C1和C2的阻隔作用，初级浪涌防护装置动作，此时浪涌能量经压敏电阻RV1、三极气体放电管GDT1和压敏电阻RV2泄放，如果初级浪涌防护装置的钳位电压大于次级浪涌防护装置的动作电压，则次级浪涌防护装置开始动作，此时，流向低频端口的剩余浪涌能量通过压敏电阻RV3泄放，流向高频端口的剩余浪涌能量通过TVS1泄放。

当PLC终端电源端口的浪涌干扰消失后，压敏电阻恢复到高阻状态，气体放电管实现有效灭弧恢复到断路状态，对电路正常工作没有影响。

负极性浪涌干扰泄放机理与正极性相同，在此不再赘述。

初级浪涌防护装置使用的是压敏电阻与气体放电管的串联电路，因此，压敏电阻在通流量和漏电流满足要求时，其动作电压可以选的较低，从而压敏电阻的钳位电压也较低。

在共模浪涌防护时，初级浪涌防护装置的钳位电压为单个压敏电阻（RV1或者RV2）的钳位电压与气体放电管GDT1放电导通后的电压（一侧电极与中间电极之间的电压）的和，通过恰当的器件选型容易使得该电压小于后级器件的耐压水平，满足防护能力要求。

在差模浪涌防护时，初级浪涌防护装置的钳位电压为两个压敏电阻（RV1和RV2）的钳位电压以及气体放电管GDT1放电导通后的电压（两侧电极之间的电压）的和，该电压约为共模浪涌防护时钳位电压的2倍，利用次级防护装置进一步防护，以达到防护要求。

综上所述，通过本发明的上述实施例或优选实施例提供的PLC终端电源端口浪涌防护电路，采用初级浪涌防护装置实现共模浪涌防护，采用初级和次级浪涌防护装置实现差模浪涌防护，防护电路几乎不会影响PLC通信能力，电路简单，可靠性较高，防护器件较少，节约了电路成本，减小了电路占用的结构空间。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种浪涌防护装置，其特征在于包括：

包括至少三个电极的开关保护器，用于在所述至少三个电极中的两个电极之间的极间电压达到预定值的情况下，击穿所述两个电极，其中，所述至少三个电极分别与交流电***的中线、保护地线和至少一个相线并联连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

熔断器，串联在所述至少一个相线上，其中，所述至少一个相线上的电压通过所述熔断器传递到所述开关保护器。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少三个电极中的至少一个通过至少一个第一压敏电阻分别与所述至少一个相线连接，所述至少三个电极中其他的电极中的一个通过第二压敏电阻与所述中线连接，其中，所述第一压敏电阻与所述第二压敏电阻的参数相同。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述中线的输出端包括至少两个引出中线，所述保护地线的输出端包括至少两个引出保护地线，所述至少一个相线中的每个相线的输出端分别包括至少两个引出相线，其中，所述至少两个引出中线、所述至少两个引出保护地线和所述至少一个相线中的每个相线的至少两个引出相线分别形成至少两组输出组。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述至少两组输出组中的第一输出组包括：

高频抑制器，分别串联在所述第一输出组中的相线和中线上，用于抑制所述交流电***中的高频信号，以得到输出交流电。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一输出组还包括：

第一浪涌抑制器，至少与所述第一输出组中传输所述输出交流电的相线和中线并联连接，用于抑制在传输所述输出交流电的相线和中线上产生的浪涌。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述至少两组输出组中的第二输出组包括：

低频抑制器，分别串联在所述第二输出组中的相线和中线上，用于抑制所述交流电***中的低频信号，以得到输出信号。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二输出组还包括：

第二浪涌抑制器，至少与所述第二输出组中传输所述输出信号的相线和中线并联连接，用于抑制在传输所述输出信号的的相线和中线上产生的浪涌。

9.一种浪涌防护方法，其特征在于包括：

在开关保护器的至少三个电极中的两个电极之间的极间电压达到预定值的情况下，击穿所述两个电极，其中，所述至少三个电极分别与交流电***的中线、保护地线和至少一个相线并联连接。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

分离通过所述开关保护器保护的输出端中的输出交流电和输出信号；

分别对所述输出交流电和所述输出信号进行浪涌保护。