一种光纤加强筋专用电涌保护器的制作方法

1.本发明涉及光纤保护技术领域，尤其涉及一种光纤加强筋专用电涌保护器。


背景技术：

2.随着风力发电技术的推广，人们对风机(即风力发电机)是否能够正常运行越来越重视。光纤环网是指光纤交换机通过网线与数据采集器连接，利用光缆把各个风机的光纤终端盒连接起来组成的环网。风机之间的信号由光缆来传输，在不同风机有一个相同方向信号的线路上设置一个监控中心，由此组成光纤环网通讯系统。光缆往往直接埋地铺设，不会被雷电直接击中。但是，如果雷击点位于光缆附近，雷电电磁脉冲会在光缆内部的加强筋上产生感应电流和电磁场，并将产生热效应造成加强筋熔化，铠装层击穿并使光缆变形中断通信，甚至光缆上的雷电过电流传导到风机中的其它电子设备上，从而使光纤环网通讯系统造成损坏，影响风机的正常运行。因此对于设有光纤环网通信线路的风力发电场都应对光纤加强筋采取必要的雷电防护技术措施。
3.目前通常在光纤电缆的两端连接单脉冲电涌保护器(简称spd)以进行防雷。单脉冲电涌保护器的保护原理为：在正常工作情况下，单脉冲电涌保护器对正常的工频电压呈现高阻抗，几乎没有电流通过，相当于开路；当系统中出现了瞬态过电压时，单脉冲电涌保护器对高频瞬态过电压呈现低阻抗，相当于把被保护设备短路，使得瞬态过电压产生的强大的过电流对地进行泄放，将瞬态过电压限制在被保护设备可以承受的电压范围内，从而使被保护设备得到保护。然而，由于光纤电缆的信号传输速率高，光纤电缆受到雷击后会迅速传到单脉冲电涌保护器处。而雷电是多脉冲放电，其使得单脉冲电涌保护器不能较好地起到对过电流的泄放作用，导致单脉冲电涌保护器无法承受雷电的冲击而损坏，从而不能实现对光纤电缆的有效防雷。
4.为实现对低压配电系统的有效防雷，申请人提出了jd-ms系列的多脉冲电涌保护器，例如新型多脉冲电涌保护器(专利申请号为201410092805.3)、多脉冲电涌保护器(专利申请号为201420113945.x)及两端口抗干扰电涌保护器(专利申请号为201220597150.1)。其中，新型多脉冲电涌保护器采用具有通过大的脉冲通流能力且具有小的工频分断能力的脉冲保险丝(简称mb)与金属氧化锌电阻(简称)，按照离散性参数控制技术串联的分级分断技术，使脉冲保险丝在工频短路时快速断开，使低压配电线路不受spd短路影响，起到后备保护装置作用，实现了在工频短路试验时无需用铜块替代mov的直接分断。多脉冲电涌保护器采用了全部使用tmov(热保护型压敏电阻)并按照离散性参数控制技术进行的奇偶配对技术，克服了目前spd采用开关或开关与限压器件混合设计，能量与响应时间的配合不能满足抑制雷电脉冲的缺陷，实现了能量与时间配合的一致性。两端口抗干扰电涌保护器采用了多级mov参数对等并联的分布参数平衡技术，使spd在通过雷电脉冲时，各条并联支路的tmov都能均衡地通过雷电脉冲电流，使得保护器具有承受真实雷电多脉冲的冲击能力。
5.然而，该jd-ms系列多脉冲电涌保护器在电路设计及元件选择上均以220v/380v配电线路为基础，对于光纤加强筋而言没有工频电压，不能有效抑制雷电波波头陡度，因此难
以适用于光纤加强筋的强电磁脉冲防护。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种光纤加强筋专用电涌保护器，解决了现有电涌保护器因不能有效抑制雷电波波头陡度而难以适用于光纤加强筋的强电磁脉冲防护的技术问题。
7.本发明提供一种光纤加强筋专用电涌保护器，包括雷电波陡度抑制模块；
8.所述雷电波陡度抑制模块包括并联连接的第一级吸收电路、第二级吸收电路和第三级吸收电路，所述第一级吸收电路和所述第三级吸收电路均包括由至少一个脉冲保险丝和一个压敏电阻组成的串联支路，所述第二级吸收电路包括由至少一个第一普通电阻和一个滤波电容组成的串联支路；
9.所述第一级吸收电路、第二级吸收电路和第三级吸收电路的一个并联端用以连接光纤加强筋，所述第一级吸收电路、第二级吸收电路和第三级吸收电路的另一个并联端与一个穿心电容串联后接地。
10.根据本发明的一种能够实现的方式，所述脉冲保险丝的额定脉冲电流为15ka。
11.根据本发明的一种能够实现的方式，所述压敏电阻为热保护型压敏电阻。
12.根据本发明的一种能够实现的方式，所述压敏电阻的额定动作电压为471v
±
10％。
13.根据本发明的一种能够实现的方式，所述第一级吸收电路和所述第三级吸收电路均还包括故障指示电路，所述故障指示电路与对应的脉冲保险丝并联。
14.根据本发明的一种能够实现的方式，所述故障指示电路包括由一个第二普通电阻和一个故障指示灯组成的串联支路。
15.根据本发明的一种能够实现的方式，所述故障指示灯为发光二极管。
16.根据本发明的一种能够实现的方式，所述光纤加强筋专用电涌保护器还包括连接模块；
17.所述雷电波陡度抑制模块通过所述连接模块连接光纤加强筋。
18.根据本发明的一种能够实现的方式，所述连接模块包括两个纯铜部分；
19.所述两个纯铜部分通过螺母固定连接，连接后两所述纯铜部分之间形成用于嵌入所述光纤加强筋的通道。
20.根据本发明的一种能够实现的方式，所述连接模块的末端通过多芯铜线连接所述雷电波陡度抑制模块。
21.从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
22.本发明的光纤加强筋专用电涌保护器包括雷电波陡度抑制模块；雷电波陡度抑制模块包括三级吸收电路，其中第一级吸收电路和第三级吸收电路均包括由至少一个脉冲保险丝和一个压敏电阻组成的串联支路，第二级吸收电路包括由至少一个第一普通电阻和一个滤波电容组成的串联支路；三级吸收电路的一个并联端用以连接光纤加强筋，另一个并联端与一个穿心电容串联后接地；本发明通过第一级吸收电路和第三级吸收电路承受多脉冲雷电波，通过第二级吸收电路防止电压突变，吸收波头(陡度极大)状态的过电压，并通过与该穿心电容串联，有效滤除通过三级吸收电路的雷电波中的高频分量，从而能够实现对雷电波陡度的有效抑制，避免雷击引起的电磁场和过电压对光缆造成损坏，能够适用于光
纤加强筋的强电磁脉冲防护。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
24.图1为本发明一个可选实施例提供的一种雷电波陡度抑制模块的结构连接示意图；
25.图2为本发明一个可选实施例提供的雷电波陡度抑制模块的电路原理示意图；
26.图3为本发明另一个可选实施例提供的一种雷电波陡度抑制模块的结构连接示意图；
27.图4为本发明一个可选实施例提供的连接模块与雷电波陡度抑制模块、光纤加强筋的连接示意图。
28.附图标记：
29.1-雷电波陡度抑制模块；2-连接模块；11-第一级吸收电路；12-第二级吸收电路；13-第三级吸收电路；14-脉冲保险丝；15-压敏电阻；16-第一普通电阻；17-滤波电容；18-故障指示电路；19-第二普通电阻；20-故障指示灯；21-纯铜部分；22-螺母；23-光纤加强筋；24-多芯铜线；25-外层护套；26-光纤接线盒；27-穿心电容。
具体实施方式
30.本发明实施例提供了一种光纤加强筋专用电涌保护器，用于解决现有电涌保护器因不能有效抑制雷电波波头陡度而难以适用于光纤加强筋的强电磁脉冲防护的技术问题。
31.为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本发明提供了一种光纤加强筋专用电涌保护器。
33.图1示出了本发明实施例提供的一种光纤加强筋专用电涌保护器的结构连接示意图；图2示出了本发明实施例提供的雷电波陡度抑制模块1的电路原理示意图。
34.如图1、图2所示，本发明实施例提供的光纤加强筋专用电涌保护器包括雷电波陡度抑制模块1；
35.所述雷电波陡度抑制模块1包括并联连接的第一级吸收电路11、第二级吸收电路12和第三级吸收电路13，所述第一级吸收电路11和所述第三级吸收电路13均包括由至少一个脉冲保险丝14和一个压敏电阻15组成的串联支路，所述第二级吸收电路12包括由至少一个第一普通电阻16和一个滤波电容17组成的串联支路；
36.所述第一级吸收电路11、第二级吸收电路12和第三级吸收电路13的一个并联端用以连接光纤加强筋23，所述第一级吸收电路11、第二级吸收电路12和第三级吸收电路13的
另一个并联端与一个穿心电容27串联后接地。
37.本发明实施例中，第一级吸收电路11和第三级吸收电路13的设置使得电涌保护器能够承受多脉冲雷电波。具体地，在通过雷电多脉冲电流冲击时，并联的压敏电阻15能均衡地通过电流，从而实现了具有吸收雷电多脉冲能量的能力，解决了当前传统单脉冲电涌保护器采用开关或开关与限压器件混合设计，其能量与时间的配合不能满足抵御雷电波多脉冲冲击的缺陷。
38.进一步地，通过设置第二级吸收电路12，能够防止电压突变，吸收波头(陡度极大)状态的过电压；通过将三级吸收电路与该穿心电容27串联，能够更加有效滤除通过三级吸收电路的雷电波中的高频分量。
39.具体地，根据雷电流的双指数波特点，利用傅里叶变换和巴塞瓦等式，可得到雷电波的振幅频谱和能量频谱。可以发现，雷电流主要的能量分布在10
3-104hz，因此本实施例中，利用穿心电容27对高频分量的滤波作用非常显著的特性(穿心电容27的连接电感比较小，在高频时也有较好的旁路效果)，将三级吸收电路与该穿心电容27串联。当前端吸收电路中的压敏电阻15导通将雷电流泄流时，穿心电容27将其中的部分高频分量滤去，使得雷电波能量进一步被吸收，提高整体的电涌吸收能力。
40.因此，本发明的光纤加强筋专用电涌保护器能够实现对雷电波陡度的有效抑制，避免雷击引起的电磁场和过电压对光缆造成损坏，适用于光纤加强筋23的强电磁脉冲防护。
41.在一种能够实现的方式中，所述脉冲保险丝14的额定脉冲电流为15ka。当通过脉冲保险丝14的脉冲电流达到或超过该额定脉冲电流，脉冲保险丝14即断开。
42.在一种能够实现的方式中，所述压敏电阻15为热保护型压敏电阻15(即tmov)。热保护型压敏电阻15作为具有热能正反馈能力的氧化锌压敏电阻15，能够在通过雷电多脉冲电流冲击时，更均衡地通过电流，提高吸收雷电多脉冲能量的性能。
43.在一种能够实现的方式中，所述压敏电阻15的额定动作电压为471v
±
10％。
44.在一种能够实现的方式中，如图2所示，所述第一级吸收电路11和所述第三级吸收电路13均还包括故障指示电路18，所述故障指示电路18与对应的脉冲保险丝14并联。作为具体的实施方式，所述故障指示电路18包括由一个第二普通电阻19和一个故障指示灯20组成的串联支路。
45.具体地，该故障指示灯20为发光二极管，所述发光二极管的额定工作电流可以为1ma，该第二普通电阻19可以为10kω的电阻。
46.需要说明的是，该故障指示灯20还可以是其他现有的发光元件，本发明实施例不限定于此。
47.本发明上述实施例，通过故障指示电路18的设置，能够直观便捷地确定脉冲保险丝14的开断状态。
48.图3示出了本发明另一个可选实施例提供的一种雷电波陡度抑制模块1的结构连接示意图。
49.如图3所示，所述光纤加强筋专用电涌保护器除了包括图1、图2所示的雷电波陡度抑制模块1外，还包括连接模块2。该雷电波陡度抑制模块1通过所述连接模块2连接光纤加强筋23。
50.在一种能够实现的方式中，如图4所示，在风机的环网通讯系统的光纤接线盒26入线前端处安装光纤加强筋专用电涌保护器。所述连接模块2包括两个纯铜部分21；所述两个纯铜部分21通过螺母22固定连接，连接后两所述纯铜部分21之间形成用于嵌入光纤加强筋23的通道。
51.具体地，可以剥除光缆的外层护套25，露出光纤加强筋23，进而将光纤加强筋23高通道。嵌入光纤加强筋23后可以在通道处用高温焊锡进行充填，确保光纤加强筋23与连接模块2的良好电气连接。所述连接模块2的末端通过多芯铜线24连接所述雷电波陡度抑制模块1，以尽可能减少接线过程中产生的过渡电阻，从而减少由此产生的过电压。
52.为验证本发明上述实施例的光纤加强筋专用电涌保护器的性能，以下通过几个测试实施例进行说明。
53.测试实施例1：
54.对光纤加强筋专用电涌保护器进行多脉冲冲击测试。
55.具体地，使用十次测试脉冲进行冲击测试。十次测试脉冲如下：
56.产生第一个脉冲，峰值为i1(i1＝15ka)；
57.间隔60ms后(即60ms处)产生第二个脉冲，峰值为i2＝i1/2(即i2＝7.5ka)；
58.再间隔60ms后(即120ms处)产生第三个脉冲，峰值为i3＝i1/2(即i3＝7.5ka)；
59.再间隔60ms后(即180ms处)产生第四个脉冲，峰值为i4＝i1/2(即i4＝7.5ka)；
60.再间隔60ms后(即240ms处)产生第五个脉冲，峰值为i5＝i1/2(即i5＝7.5ka)；
61.再间隔60ms后(即300ms处)产生第六个脉冲，峰值为i6＝i1/2(即i6＝7.5ka)；
62.再间隔60ms后(即360ms处)产生第七个脉冲，峰值为i7＝i1/2(即i7＝7.5ka)；
63.再间隔60ms后(即420ms处)，产生第八个脉冲，峰值为i8＝i1/2(即i8＝7.5ka)；
64.再间隔60ms后(即480ms处)，产生第九个脉冲，峰值为i9＝i1/2(即i9＝7.5ka)；
65.再间隔400ms后(即880ms处)，产生第十个脉冲，峰值为i10(即i10＝15ka)。
66.经过试验，本发明的光纤加强筋专用电涌保护器能够成功通过多脉冲冲击测试未损坏，证明了其耐受自然雷电多脉冲放电的能力，
67.测试实施例2：
68.设计雷电波陡度抑制模块1的充电时间远远大于标准雷电流的波头时间，确定光纤加强筋专用电涌保护器的陡度抑制效果。
69.已知，当电容器中未充电时，电容两端电压为零，随着充电电荷的增加，电流发生突变，电容两端电压按指数规律逐渐增大，直到等于充电电压为止。相应公式为：
70.τ＝rc
71.式中，τ称为rc电路的时间常数，r的单位为欧姆(ω)，c的单位为法拉，τ的单位为秒。
72.理论上讲，电容充电的时间是无限长的。工程上通常认为经过3-5τ后，即可认为电路趋于稳定，充电过程基本结束。
73.在实地测量及高压试验过程中设计从碳素钢丝至雷电波陡度抑制模块1第一普通电阻16的阻值为2kω，滤波电容17的电容值为2.2μf，因此有：
74.3τ＝3rc＝3
×2×
103×
2.2
×
10-6
＝13.2ms
75.5τ＝3rc＝5
×2×
103×
2.2
×
10-6
＝22ms
76.根据上式计算的结果，本次试验设计雷电波陡度抑制模块1的充电时间为13.2ms～22ms。
77.已知标准雷电流的波头时间为8μs，因此本次设计的雷电波陡度抑制模块1的充电时间远远大于标准雷电流的波头时间。在雷电波波头上升过程，由于rc电路的抑制作用，充电过程中电压无法突变，呈指数规律上升，因此雷电波波头陡度被抑制，因为感应过电压值为电感量与雷电波波头陡度的乘积。由于陡度被抑制，电压下降，实现了降低光纤加强筋23上的感应过电压的目的。
78.原雷电波陡度为15ka/8us，即1.875/μs，在风机的环网通讯系统的光纤接线盒26入线前端处安装本发明的光纤加强筋专用电涌保护器后，采用8/20μs冲击测试波形进行测试，得到波形时间长度为60μs，即的雷电波陡度为15ka/60μs，即0.25/μs。
79.根据所得到的数据计算陡度抑制效果：
80.δ＝(1-0.25/1.87)
×
100％＝86.6％
81.可知，安装本发明的光纤加强筋专用电涌保护器后，能够大大降低雷电波陡度，从而降低过电压的幅值。
82.测试实施例3：
83.测试本发明的光纤加强筋专用电涌保护器的电涌吸收能力。
84.已知衡量保护器的电涌吸收能力可用以下公式计算：
[0085][0086]
式中，η表示电涌吸收效率，up表示注入电流波形在输出端的残压(单位为v)，in表示注入电流的标称值(单位为a)。
[0087]
经雷电高压实验室检验，采用8/20μs波形，冲击电流为15.00ka，得到的up≤44.1v。
[0088]
将检验数据输入至衡量保护器的电涌吸收能力的上述公式，可以得到本发明的光纤加强筋专用电涌保护器的电涌吸收效率为99.71％。
[0089]
因此，本发明的光纤加强筋专用电涌保护器具有较好的电涌吸收能力。
[0090]
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。