陈 超 ，周先春 ，2，3

（1.南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京210044；2.南京信息工程大学 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，南京210044；3.东南大学儿童发展与学习科学教育部重点实验室，南京210096）

基于PSPICE软件的多级SPD仿真与实际冲击实验对比分析

陈 超1，周先春1，2，3

（1.南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京210044；2.南京信息工程大学 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，南京210044；3.东南大学儿童发展与学习科学教育部重点实验室，南京210096）

针对国内实际运用于电涌保护器 （SPD）的冲击平台较少，从而增加了对电涌保护器一系列研究困难的情况，利用PSPICE仿真软件采用组合波对多级SPD线-地、线-线两种工作模式下的残压以及通流量进行测试，测试结果并与实际冲击平台下测量结果进行对比分析，得出仿真冲击试验最终的最大残压值与最大通流容量较实际测量更为理想，但是总体上讲两者差距并不大，实际冲击试验结果对仿真结果进行了验证，充分说明了PSPICE仿真冲击试验的可行性。因此，在缺乏实际冲击工作平台的情况下，可以采用PSPICE仿真软件建立合适的电路仿真模型，用来对电涌保护器进行测试研究。

PSPICE；仿真SPD；残压；通流量

0 引言

由于高层建筑物的逐渐增多，导致雷击建筑物的概率不断提高，直接造成了建筑物内部敏感电子设备的损害越来越多。因此，对雷电过电压的防护越来越引起人们的重视，而对雷电过电压进行防护的主要器件为电涌保护器（SPD），所以有必要对电涌保护器的组成部件以及性能进行研究。

国内有学者对多种防雷器件之间的能量的配合进行了研究，萧赞亮[1]基于气体放电管的工作特性，利用PSPICE软件建立了气体放电管的仿真模型，并对仿真模型进行了冲击击穿电压进行了研究。李清泉等[2]根据传输线波过程理论，研究了压敏电阻以及气体放电管两者配合情况下的能量传输情况。李祥超等[3]对由限压型元件构成的电涌保护器进行了研究，研究表明，通过多级并联后会增加电涌保护器的通流量。王蕙莹等[4]人根据波的传输线理论对电涌保护器的能量配合进行了研究。杨仲江等[5]利用热稳定试验箱以及压敏电阻直流参数仪，对限压型SPD的耐受能力进行了研究，研究发现MOV在交直流电压下的耐受能力与热容量和散热能力有关。张欣等[6]利用工频电压耐受下的氧化锌压敏电阻冲击老化试验，研究了不同冲击电压作用下氧化锌压敏电阻老化情况。杜志航等[7]对压敏电压配合使用时老化、劣化进行了研究。颜湘莲等[8]对MOV在线监测进行了分析研究。国内还有一些学者[9-16]采用静态参数来判定压敏电阻劣化程度以及对压敏电压在冲击作用下其他特性进行了分析研究。

就目前，国内实际运用于电涌保护器（SPD）的冲击平台较少，从而增加了对电涌保护器一系列研究的困难，因此需要一款软件，构建合适的电路来对电涌保护器的冲击性能进行研究。本文利用PSPICE仿真软件，构建冲实验仿真电路来对电涌保护器的冲击性能进行研究，研究结果并与实际冲击平台下的结果进行对比，从而找出适用于对电涌保护器进行研究的仿真模型。

1 多级SPD仿真电路模型冲击试验平台

ORCAD PSPICE Release是一款用于电路冲击仿真实验的用途较广的电子线路仿真软件，PSPICE软件使用简单、试验平台收敛性好，仿真能力快速、准确。图1为使用PSPICE软件搭建的1.2/50 μs、8/20 μs组合波冲击源，用于对多级SPD进行仿真实验。

图1 组合波PSPICE仿真回路图Fig.1 Combination wave PSPICE simulation circuit diagram

根据GB18802.1-2011标准，组合波的1.2/50 μs开路电压波波头、波尾偏差要求分别为±30%、±20%；8/20 μs短路电流波波头、波尾偏差均为±10%。从图2所示的PSPICE仿真波形中可以看出该次组合波冲击源达到了要求。

图2 组合波仿真波形Fig.2 Combination wave simulation waveform

多级SPD仿真试验原理框图如图3所示，根据图3在PSPICE中搭建多级SPD仿真电路进行试验，并规定冲击激励最低冲击电压为0.1 kV，同时考虑到实际实验过程，将电压抬升级差设置为0.1 kV。

图3 仿真试验原理框图Fig.3 Block diagram of the simulation experiment

2 多级SPD残压、通流量实际冲击试验平台

为了与上述PSPICE仿真结果进行对比，现依据GB18802.1-2011对该多级SPD进行线-地和线-线模式下的冲击耐受试验。该部分试验主要利用自行焊接的简易多级SPD电路进行，其中气体放电管型号为3RM090-8，ZnO压敏电阻型号为TVR14680，TVS的型号为1.5KE47CA，退耦电感采用顺时针密绕，取值根据仿真中的计算结果分别取为L1+L2＝50 μH，L3+L4＝70 μH，其具体结构如下图 4。

图4 多级SPD结构Fig.4 Multi-stage SPD chart

实验中将冲击波加在第一级即气体放电管之上，利用电压探头和电流探头在末级即TVS测量两种不同模式下的残压Ures和通流容量。在线-地模式下主要是对地进行浪涌的泄放，因此此模式下的通流容量更大，耐受性能更好。而相比之下线-线模式下对浪涌的吸收主要依靠元器件的吸收性能，通流容量较小。所以在残压与通流容量测量过程中，线-地模式和线-线模式下的最低冲击电压均设置为0.1 kV，但在线-地模式下，冲击电压较低时其抬升级差设定为0.1 kV，随着冲击电压升高将其抬升级差扩大到0.5 kV；而在线线模式下，冲击电压较低时其抬升级差设定为10 V，其级差较线-地模式下小，随冲击电压升高将其抬升级差增大到0.1 kV。两组测试均在其通流容量发生明显下降时停止测试。波形的采集主要利用的是Tektronix TDS 2022B示波器。

3 多级SPD仿真实验与实际冲击实验对比

分别使用PSPICE仿真软件以及实际冲击平台，对多级SPD线-地模式和线-线模式下的残压Ures和通流容量进行测试。

从图5中可以看出，在线-地模式下，多级SPD在冲击电压较小约小于2 kV时，残压与通流容量的仿真结果与实际试验基本一致，随着冲击电压的不断升高仿真与实测值出现了差异。其中实际最大残压在40～45 kV附近波动，且较仿真最大残压40 kV更大；而实际最大通流容量在3 000 A左右却比仿真的最大通流容量4 000 A小。且实际测试中，残压与通流容量都在最大值附近起伏较变化大，得到的曲线并不规则。尽管仿真冲击试验最终的最大残压值与最大通流容量较实际测量更为理想，但是总体上讲两者差距并不大，且两组曲线的总体趋势与仿真冲击中的结果相一致，都随冲击电压增大而升高，使仿真得到了验证。

从图6中可以得到，线-线模式中仿真与实测曲线的对比与线-地模式下一样，总体趋势都随冲击电压的增大而升高。实际冲击中的线线模式下的残压但在冲击电压较小时，约在0.3～0.6 kV之间，实际冲击试验中的残压和通流容量均出现较大起伏，特别是残压波动较大。而总体上来看，仿真冲击试验的曲线十分规则，且最终的最大残压值与最大通流容量仍较实际测量更为理想，但是两者的差距在较小范围内，依旧可以说明仿真的正确性。

图5 线-地模式下仿真冲击与实际冲击曲线比较Fig.5 Comparison between simulation impulse curve and actual impulse curve under line-earth mode

4 结论

利用PSPICE仿真软件以及实际冲击平台，对多级电涌保护器线-地、线-线模式下的残压以及通流量进行测试，得出：在线-地模式下，PSPICE仿真软件以及实际冲击平台测出的多级SPD在冲击电压较小约小于2 kV时，残压与通流容量的仿真结果与实际试验基本一致，随着冲击电压的不断升高仿真与实测值出现了差异。在线-线模式下，最终的最大残压值与最大通流容量仍较实际测量更为理想，但是两者的差距在较小范围内，依旧可以说明仿真的正确性。综上尽管仿真冲击试验最终的最大残压值与最大通流容量较实际测量更为理想，但是总体上讲两者差距并不大，实际冲击试验结果对仿真结果进行了验证，充分说明了PSPICE仿真冲击试验的可行性。

图6 线-线模式下仿真冲击与实际冲击曲线比较Fig.6 Comparison between simulation impulse curve and actual impulse curve under line-line mode

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Comparative Analysis of Practical Impulse Test and Multi-Stage SPD Simulation Based on PSPICE Software

CHEN Chao1，ZHOU Xianchun1，2，3
（1.College of Electronic ＆ Information Engineering，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China；2.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China；3.Key Laboratory of Child Development and Learning Science（Southeast University），Ministry of Education，Nanjing 210096，China）

Because of domestic less impulse platform applied in surge protection device （SPD），a series of studies difficult in SPD are increased.Based on Pspice simulation software using a combination of the wave of multi-stage SPD line-earth，line-line two kinds of work mode of residual voltage and current capacity are tested，the test results and the practical impulse of platform measurement results are comparative analysis，it is concluded that the impulse simulation test the final maximum residual voltage value and maximum current capacity is lower than the actual measurement is more ideal，but generally speaking，both gap is not large，the practical impulse test results of simulation results are verified，fully illustrates the Pspice simulation impulse test.Therefore，in the absence of the practical impulse of the work platform，using Pspice simulation software to establish a suitable model for circuit simulation is used to test is carried out to study the surge protector.

PSPICE；simulation；SPD；residual voltage；current capacity

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.012

2015-12-05

陈超 （1987—），男，硕士,主要从事雷电研究。