CN207251196U - 一种用于电力挂网设备的雷电电磁脉冲防护电路 - Google Patents

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白志华
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Abstract

本实用新型公开了一种用于电力挂网设备的雷电电磁脉冲防护电路，包括：第一能量泄放电路、第二能量泄放电路、第一中间电路、第二中间电路、第一限压电路、第二限压电路、第一限流电感、第二限流电感、第三限流电感和第四限流电感。该保护电路由三级电路协调保护实现功能，在保证设备***无线通信不受影响的情况下，保护设备不受雷电电磁脉冲的破坏。该保护电路采用多重滤波的设计，避免有源器件和电压、电流敏感器件在经受雷电破坏性脉冲时自身的适用风险。且针对电力挂网设备低功耗的特殊要求，该电路更贴合实用需求。

Description

一种用于电力挂网设备的雷电电磁脉冲防护电路
技术领域
本实用新型涉及设备保护技术领域，特别涉及一种用于电力挂网设备的雷电电磁脉冲防护电路。
背景技术
现有的技术主要是利用光电、电光转换的方式实现对***设备的保护。现有的技术因光电模块自身对高功率电磁环境的耐受性不足，在经受雷电直接放电的情况下极易损坏，无法解决电力挂装设备的实际需要。且因安装挂装设备的区域本身存在的问题，导致设备更换极不方便，现有技术无法满足电力电网的需求。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种用于电力挂网设备的雷电电磁脉冲防护电路，从而克服现有保护装置易损坏的缺陷。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种用于电力挂网设备的雷电电磁脉冲防护电路，包括：第一能量泄放电路、第二能量泄放电路、第一中间电路、第二中间电路、第一限压电路、第二限压电路、第一限流电感、第二限流电感、第三限流电感和第四限流电感；所述第一能量泄放电路的一端为第一信号输入端，所述第二能量泄放电路的一端为第二信号输入端，所述第一能量泄放电路的另一端与所述第二能量泄放电路的另一端相连并接地；所述第一限压电路的一端为第一信号输出端，所述第二限压电路的一端为第二信号输出端，所述第一限压电路的另一端与所述第二限压电路的另一端相连并接地；所述第一信号输入端依次串接所述第一限流电感、第二限流电感后与所述第一信号输出端相连；所述第二信号输入端依次串接所述第三限流电感、第四限流电感后与所述第二信号输出端相连；所述第一中间电路的一端与所述第一限流电感和第二限流电感之间的连接节点相连，所述第二中间电路的一端与所述第三限流电感和第四限流电感之间的连接节点相连；所述第一中间电路的另一端与所述第二中间电路的另一端相连并接地。
在一种可能的实现方式中，所述第一能量泄放电路包括：第一并联电容、第一串联电容和第一电感；所述第一并联电容的一端与所述第一信号输入端相连，所述第一并联电容的另一端接地；所述第一电感与所述第一并联电容并联；所述第一串联电容的一端与所述第一信号输入端相连，另一端与所述第一限流电感的一端相连。
在一种可能的实现方式中，所述第一中间电路包括：第二并联电容、第二串联电容和第二电感；所述第二并联电容的一端与所述第一限流电感的另一端相连，所述第二并联电容的另一端接地；所述第二电感与所述第二并联电容并联；所述第二串联电容的一端与所述第二并联电容的一端相连，所述第二串联电容的另一端与所述第二限流电感的一端相连。
在一种可能的实现方式中，所述第一限压电路包括：第三并联电容和第三串联电容；所述第三并联电容的一端与所述第一信号输出端相连，所述第三并联电容的另一端接地；所述第三电感与所述第三并联电容并联。
在一种可能的实现方式中，所述第一能量泄放电路为TVS管、气体放电管或强效放电管。
在一种可能的实现方式中，所述第一能量泄放电路与所述第二能量泄放电路结构相同；所述第一中间电路与第二中间电路结构相同；所述第一限压电路与所述第二限压电路结构相同。
与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
本实用新型实施例提供的雷电电磁脉冲防护电路，限压电路可以及时削减雷电电磁脉冲产生的暂态干扰，将雷电电磁脉冲的电压限制到到后端***设备可接受的范围之内，能量泄放电路可以将上述暂态干扰中的大部分雷电浪涌能量***入地，而中间电路兼有能量泄放模块和限压模块的功能。该保护电路由三级电路协调保护实现功能，在保证设备***无线通信不受影响的情况下，保护设备不受雷电电磁脉冲的破坏。该保护电路采用多重滤波的设计，避免有源器件和电压、电流敏感器件在经受雷电破坏性脉冲时自身的适用风险。且针对电力挂网设备低功耗的特殊要求，该电路更贴合实用需求。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为实用新型实施例中雷电电磁脉冲防护电路的结构图；
图2为实用新型实施例中雷电电磁脉冲防护电路的部分电路结构图；
图3为实用新型实施例中频率响应特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
参见图1所示，本实用新型实施例提供的一种用于电力挂网设备的雷电电磁脉冲防护电路，包括：第一能量泄放电路10、第二能量泄放电路20、第一中间电路30、第二中间电路40、第一限压电路50、第二限压电路60、第一限流电感LS1、第二限流电感LS2、第三限流电感LS3和第四限流电感LS4。
具体的，第一能量泄放电路10的一端为第一信号输入端，第二能量泄放电路20的一端为第二信号输入端，第一能量泄放电路10的另一端与第二能量泄放电路20的另一端相连并接地。
第一限压电路50的一端为第一信号输出端，第二限压电路60的一端为第二信号输出端，第一限压电路50的另一端与第二限压电路60的另一端相连并接地。
第一信号输入端依次串接第一限流电感LS1、第二限流电感LS2后与第一信号输出端相连；第二信号输入端依次串接第三限流电感LS3、第四限流电感LS4后与第二信号输出端相连。
第一中间电路30的一端与第一限流电感LS1和第二限流电感LS2之间的连接节点相连，第二中间电路40的一端与第三限流电感LS3和第四限流电感LS4之间的连接节点相连；第一中间电路30的另一端与第二中间电路40的另一端相连并接地。
现有雷电电磁脉冲的频谱完全覆盖了常用移动通信信号的频段，所以不能简单的对窜入信号线的电磁脉冲进行直接滤波。通常，雷电电磁脉冲为微秒级，电流峰值可达100千安以上。因此，既要实现保护，又要有很好的通流能力。本实用新型实施例提供的雷电电磁脉冲防护电路采用分级滤波的方式，由三级电路协调保护实现功能(即该防护电路分级为能量泄放电路、中间电路和快速的限压电路)，不同电路的作用机理和响应时间均不同；在保证设备***无线通信不受影响的情况下，可以保护设备不受雷电电磁脉冲的破坏。
图1中，中间电路和限压电路最先对雷电电磁脉冲做出反应，能量泄放电路随后反应。具体的，限压电路的功能为：及时削减雷电电磁脉冲产生的暂态干扰，将雷电电磁脉冲的电压限制到到后端***设备可接受的范围之内。能量泄放电路的功能是将上述暂态干扰中的大部分雷电浪涌能量***入地。而中间电路兼有能量泄放电路和限压电路的功能。
由于在实际的自然环境中，雷击产生的雷电电磁脉冲的电流峰值可达几万安，能量泄放电路可选用反应时间小于100纳秒，但泄流能力达10000安的气体放电管。在工程中，TVS(Transient Voltage Suppressor，瞬态电压抑制)管、强效放电管、气体放电管等元器件的选用需要根据设备后端保护器件的最大工作电压值进行。
同时，又由于TVS管、强效放电管、气体放电管等都具有一定的结电容，特别是TVS管的电容量相当高，而这些电容会和限流电感、引线电感等构成一个多级T型低通滤波器，限制电力挂装终端的无线电路接收的移动台发射信号顺利的通过。为了使通信正常，本实施例中，在已具备的低通滤波电路的基础上，通过增加滤波级数的方式继续构建，将其设计为带通滤波器。
在上述实施例的基础上，参见图2所示，第一能量泄放电路10包括：第一并联电容CP1、第一串联电容CS1和第一电感LP1。第一并联电容CP1的一端与第一信号输入端相连，第一并联电容CP1的另一端接地；第一电感LP1与第一并联电容CP1并联；第一串联电容CS1的一端与第一信号输入端相连，另一端与第一限流电感LS1的一端相连。
第一中间电路30包括：第二并联电容CP2、第二串联电容CS2和第二电感LP2。第二并联电容CP2的一端与第一限流电感LS1的另一端相连，第二并联电容CP2的另一端接地；第二电感LP2与第二并联电容CP2并联；第二串联电容CS2的一端与第二并联电容CP2的一端相连，第二串联电容CS2的另一端与第二限流电感LS2的一端相连。
第一限压电路50包括：第三并联电容CP3和第三串联电容。第三并联电容CP3的一端与第一信号输出端相连，第三并联电容CP3的另一端接地；第三电感LP3与第三并联电容CP3并联。
需要说明的是，本实用新型实施例中三级电路之间协同工作，且能量泄放电路等也需要限流电感才可以实现相应的功能。具体的，该雷电电磁脉冲防护电路位于通信电子模组和天线之间，作用是防护雷电电磁脉冲，因为实际条件下电能量复杂，因此，雷电电磁脉冲防护电路的三级电路都是以基本滤波结构为基础，加入部分器件以完善功能。具体阐述如下：
如图2所示，第一能量泄放电路由CP1、CS1和LP1构成，且LS1也参与能量泄放过程。其中CP1和LS1构成二阶LC滤波器，能够将雷电暂态电磁干扰中的大部分雷电浪涌能量***入地，LP1辅助LC滤波器进行低频分量泄放，CS1对低频分量呈现高阻，同样辅助LC滤波器进行低频分量泄放，LP1、CS1和LC滤波器均为级联关系。
第一中间电路由CP2、LP2、CS2构成，且LS1、LS2协同中间电路实现相应的功能。具体的，其中LP2和CS2的作用同LP1和CS1，为第二级保护，LS1、CP2和LS2构成T型滤波器，利用T型滤波器两边高阻，抑制振铃的特性，既能实现将部分雷电浪涌能量***入地、又能限压缓和冲击；LP2、CS2和T型滤波器为级联关系。
第一限压电路由LS2、CP3构成，LP3协同第一限压电路实现限压功能。具体的，LP3作用同LP1和LP2，LS2和CP3构成二阶LC滤波器，起到的作用为削减雷电电磁脉冲产生的暂态干扰，将雷电电磁脉冲的电压限制到到后端***设备可接受的范围之内。
该三级电路都是依托基本滤波器网络结构。对电容和电感设计不同的取值，并选择不同材料类型的电容、电感，容和电感的搭配实现不同的功能重心。该保护电路是由滤波器构成的，三个电路和离散的泄放电感、隔离电容等均为级联关系，他们共同可以构成了一个十一级的滤波器。
需要说明的是，图2只是示出了保护电路的部分结构，而第一能量泄放电路10与第二能量泄放电路20结构相同；第一中间电路30与第二中间电路40结构相同；第一限压电路50与第二限压电路60结构相同。故根据图2可以确定保护电路完整的电路结构。
若假设滤波器的信号源端负载阻抗为Z，由上述电路网络结构可以得知，串联支路和并联支路的电容、电感的计算公式分别是：
在所列的上式中，和分别是线路中的感生电感和分布电容，均需要对实际电路网络测量得出，Q＝f0/fb，f0是谐振频率，fb是3dB带宽。带入各参数后可得到网络中各个电容和电感的取值，之后再根据此值比对实际标称电容和电感值，即可设计出模块电路。
为证明此设计方法，下文举实例进行说明：现测量得到并联支路分布电容CP1＝CP3＝0.618F，CP2＝2.00F,串联支路感生电感Z取27欧姆，将这些值代入上式可得到：
LS1＝LS2＝69.5nH，CS1＝CS2＝0.93pF，CP1＝CP3＝36.4pF，CP2＝117.9pF，LP1＝LP3＝934pH，LP2＝118.4pH。
考虑到工程实用性，对比实际标称电容、电感值，LS1和LS2选择68nH的高频大电流绕线电感，CS1和CS2选择1pF电容器，CP1和CP3选择36pF电容器，CP2选择120pF电容器，LP1、LP2和LP3选择1nH绕线电感。可以得到此网络的传输函数如下：
上式中，整个传输函数以三段表示，传输函数的分子为9.793e+43×S5，分母如上式所示；且式中为表示传输函数的原始状态，对分母中的常数项(如2.033e、1.728e等)没有进行合并。
经建模，该电路的频率响应特性曲线图3所示。由频率响应特性曲线可知，该电路满足设计要求，且在通带内具有平坦的幅度响应。
本实用新型实施例提供的雷电电磁脉冲防护电路，限压电路可以及时削减雷电电磁脉冲产生的暂态干扰，将雷电电磁脉冲的电压限制到到后端***设备可接受的范围之内，能量泄放电路可以将上述暂态干扰中的大部分雷电浪涌能量***入地，而中间电路兼有能量泄放模块和限压模块的功能。该保护电路由三级电路协调保护实现功能，在保证设备***无线通信不受影响的情况下，保护设备不受雷电电磁脉冲的破坏。该保护电路采用多重滤波的设计，避免有源器件和电压、电流敏感器件在经受雷电破坏性脉冲时自身的适用风险。且针对电力挂网设备低功耗的特殊要求，该电路更贴合实用需求。
前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (6)

1.一种用于电力挂网设备的雷电电磁脉冲防护电路，其特征在于，包括：第一能量泄放电路、第二能量泄放电路、第一中间电路、第二中间电路、第一限压电路、第二限压电路、第一限流电感、第二限流电感、第三限流电感和第四限流电感；
所述第一能量泄放电路的一端为第一信号输入端，所述第二能量泄放电路的一端为第二信号输入端，所述第一能量泄放电路的另一端与所述第二能量泄放电路的另一端相连并接地；
所述第一限压电路的一端为第一信号输出端，所述第二限压电路的一端为第二信号输出端，所述第一限压电路的另一端与所述第二限压电路的另一端相连并接地；
所述第一信号输入端依次串接所述第一限流电感、第二限流电感后与所述第一信号输出端相连；所述第二信号输入端依次串接所述第三限流电感、第四限流电感后与所述第二信号输出端相连；
所述第一中间电路的一端与所述第一限流电感和第二限流电感之间的连接节点相连，所述第二中间电路的一端与所述第三限流电感和第四限流电感之间的连接节点相连；所述第一中间电路的另一端与所述第二中间电路的另一端相连并接地。
2.根据权利要求1所述的雷电电磁脉冲防护电路，其特征在于，所述第一能量泄放电路包括：第一并联电容、第一串联电容和第一电感；
所述第一并联电容的一端与所述第一信号输入端相连，所述第一并联电容的另一端接地；所述第一电感与所述第一并联电容并联；所述第一串联电容的一端与所述第一信号输入端相连，另一端与所述第一限流电感的一端相连。
3.根据权利要求2所述的雷电电磁脉冲防护电路，其特征在于，所述第一中间电路包括：第二并联电容、第二串联电容和第二电感；
所述第二并联电容的一端与所述第一限流电感的另一端相连，所述第二并联电容的另一端接地；所述第二电感与所述第二并联电容并联；所述第二串联电容的一端与所述第二并联电容的一端相连，所述第二串联电容的另一端与所述第二限流电感的一端相连。
4.根据权利要求3所述的雷电电磁脉冲防护电路，其特征在于，所述第一限压电路包括：第三并联电容和第三串联电容；
所述第三并联电容的一端与所述第一信号输出端相连，所述第三并联电容的另一端接地；第三电感与所述第三并联电容并联。
5.根据权利要求1所述的雷电电磁脉冲防护电路，其特征在于，所述第一能量泄放电路为TVS管、气体放电管或强效放电管。
6.根据权利要求1-5任一所述的雷电电磁脉冲防护电路，其特征在于，所述第一能量泄放电路与所述第二能量泄放电路结构相同；
所述第一中间电路与第二中间电路结构相同；
所述第一限压电路与所述第二限压电路结构相同。
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