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雷擊浪涌的防護解析(一)

日期:2024-10-18 20:17
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摘要:1、電子設備雷擊浪涌抗擾度試驗標準 電子設備雷擊浪涌抗擾度試驗的國家標準為GB/T17626.5(等同于國際標準IEC61000-4-5 )。 標準主要是模擬間接雷擊產(chǎn)生的各種情況: (1)雷電擊中外部線路,有大量電流流入外部線路或接地電阻,因而產(chǎn)生的干擾電壓。 (2)間接雷擊(如云層間或云層內(nèi)的雷擊)在外部線路上感應出電壓和電流。 (3)雷電擊中線路鄰近物體,在其周圍建立的強大電磁場,在外部線路上感應出電壓。 (4)雷電擊中鄰近地面,地電流通過公共接地系統(tǒng)時所引進的干擾。 標準除了模擬雷擊外,還模擬變電所等場...
1、電子設備雷擊浪涌抗擾度試驗標準
        電子設備雷擊浪涌抗擾度試驗的國家標準為GB/T17626.5(等同于國際標準IEC61000-4-5 )。
        標準主要是模擬間接雷擊產(chǎn)生的各種情況:
  (1)雷電擊中外部線路,有大量電流流入外部線路或接地電阻,因而產(chǎn)生的干擾電壓。
  (2)間接雷擊(如云層間或云層內(nèi)的雷擊)在外部線路上感應出電壓和電流。
  (3)雷電擊中線路鄰近物體,在其周圍建立的強大電磁場,在外部線路上感應出電壓。
  (4)雷電擊中鄰近地面,地電流通過公共接地系統(tǒng)時所引進的干擾。

標準除了模擬雷擊外,還模擬變電所等場合,因開關動作而引進的干擾(開關切換時引起電壓瞬變),如:
  (1)主電源系統(tǒng)切換時產(chǎn)生的干擾(如電容器組的切換)。
  (2)同一電網(wǎng),在靠近設備附近的一些較小開關跳動時的干擾。
  (3)切換伴有諧振線路的晶閘管設備。
  (4)各種系統(tǒng)性的故障,如設備接地網(wǎng)絡或接地系統(tǒng)間的短路和飛弧故障。


標準描述了兩種不同的波形發(fā)生器:
一種是雷擊在電源線上感應生產(chǎn)的波形;
另一種是在通信線路上感應產(chǎn)生的波形。


        這兩種線路都屬于空架線,但線路的阻抗各不相同:在電源線上感應產(chǎn)生的浪涌波形比較窄一些(50uS),前沿要陡一些(1.2uS);而在通信線上感應產(chǎn)生的浪涌波形比較寬一些,但前沿要緩一些。后面我們主要以雷擊在電源線上感應生產(chǎn)的波形來對電路進行分析,同時也對通信線路的防雷技術進行簡單介紹。


2、模擬雷擊浪涌脈沖生成電路的工作原理

       上圖是模擬雷電擊到配電設備時,在輸電線路中感應產(chǎn)生的浪涌電壓,或雷電落地后雷電流通過公共地電阻產(chǎn)生的反擊高壓,的脈沖產(chǎn)生電路。4kV時的單脈沖能量為100焦耳。


圖中Cs是儲能電容(大約為10uF,相當于雷云電容);
Us為高壓電源;
Rc為充電電阻;
Rs為脈沖持續(xù)時間形成電阻(放電曲線形成電阻);
Rm為阻抗匹配電阻Ls為電流上升形成電感。


       雷擊浪涌抗擾度試驗對不同產(chǎn)品有不同的參數(shù)要求,上圖中的參數(shù)可根據(jù)產(chǎn)品標準要求不同,稍有改動。


基本參數(shù)要求:
(1)開路輸出電壓:0.5~6kV,分5等級輸出,*后**由用戶與制造商協(xié)商確定;
(2)短路輸出電流:0.25~2kA,供不同等級試驗用;
(3)內(nèi)阻:2 歐姆,附加電阻10、12、40、42歐姆,供其它不同等級試驗用;
(4)浪涌輸出極性:正/負;浪涌輸出與電源同步時,移相0~360度;
(5)重復頻率:至少每分鐘一次。

雷擊浪涌抗擾度試驗的嚴酷等級分為5級:
1級:較好保護的環(huán)境;
2級:有一定保護的環(huán)境;
3級:普通的電磁騷擾環(huán)境、對設備未規(guī)定特殊安裝要求,如工業(yè)性的工作場所;
4級:受嚴重騷擾的環(huán)境,如民用空架線、未加保護的高壓變電所。
X級:由用戶與制造商協(xié)商確定。

圖中18uF電容,可根據(jù)嚴酷等級不同,選擇數(shù)值也可不同,但大到一定值之后,基本上就沒有太大意義。


     10歐姆電阻以及9uF電容,可根據(jù)嚴酷等級不同,選擇數(shù)值也不同,電阻*小值可選為0歐姆(美國標準就是這樣), 9uF電容也可以選得很大,但大到一定值之后,基本上就沒有太大意義。


3、共模浪涌抑制電路


         防浪涌設計時,假定共模與差模這兩部分是彼此獨立的。然而,這兩部分并非真正獨立,因為共模扼流圈可以提供相當大的差模電感。這部分差模電感可由分立的差模電感來模擬。
         為了利用差模電感,在設計過程中,共模與差模不應同時進行,而應該按照一定的順序來做。首先,應該測量共模噪聲并將其濾除掉。采用差模抑制網(wǎng)絡(Differential Mode Rejection Network),可以將差模成分消除,因此就可以直接測量共模噪聲了。如果設計的共模濾波器要同時使差模噪聲不超過允許范圍,那么就應測量共模與差模的混合噪聲。因為已知共模成分在噪聲容限以下,因此超標的僅是差模成分,可用共模濾波器的差模漏感來衰減。對于低功率電源系統(tǒng),共模扼流圈的差模電感足以解決差模輻射問題,因為差模輻射的源阻抗較小,因此只有極少量的電感是有效的。


         對4000Vp以下的浪涌電壓進行抑制,一般只需采用LC電路進行限流和平滑濾波,把脈沖信號盡量壓低到2~3倍脈沖信號平均值的水平即可。由于L1、L2有50周電網(wǎng)電流流過,電感很容易飽和,因此,L1、L2一般都采用一種漏感很大的共模電感。


        用在交流,直流的都有,通常我們在電源EMI濾波器,開關電源中常見到,而直流側(cè)少見,在汽車電子中能夠看到用在直流側(cè)。

        加入共模電感是為了消除并行線路上的共模干擾(有兩線的,也有多線的)。由于電路上兩線阻抗的不平衡,共模干擾*終體現(xiàn)在差模上。用差模濾波方法很難濾除。

         共模電感到底需要用在哪。共模干擾通常是電磁輻射,空間耦合過來的,那么無論是交流還是直流,你有長線傳輸,就涉及到共 模濾波就得加共模電感。例如:USB線好多就在線上加磁環(huán)。 開關電源入口,交流電是遠距離傳輸過來的,就需要加。通常直流側(cè)不需要遠傳就不需要加了。沒有共模干擾,加了就是浪費,對電路沒有增益。

         電源濾波器的設計通常可從共模和差模兩方面來考慮。共模濾波器*重要的部分就是共模扼流圈,與差模扼流圈相比,共模扼流圈的一個顯著優(yōu)點在于它的電感值極高,而且體積又小,設計共模扼流圈時要考慮的一個重要問題是它的漏感,也就是差模電感。通常,計算漏感的辦法是假定它為共模電感的1%,實際上漏感為共模電感的0.5% ~4%之間。在設計*優(yōu)性能的扼流圈時,這個誤差的影響可能是不容忽視的。

漏感的重要性
         漏感是如何形成的呢?緊密繞制,且繞滿一周的環(huán)形線圈,即使沒有磁芯,其所有磁通都集中在線圈“芯”內(nèi)。但是,如果環(huán)形線圈沒有繞滿一周,或者繞制不緊密,那么磁通就會從芯中泄漏出來。這種效應與線匝間的相對距離和螺旋管芯體的磁導率成正比。共模扼流圈有兩個繞組,這兩個繞組被設計成使它們所流過的電流沿線圈芯傳導時方向相反,從而使磁場為0。如果為了**起見,芯體上的線圈不是雙線繞制,這樣兩個繞組之間就有相當大的間隙,自然就引起磁通“泄漏”,這即是說,磁場在所關心的各個點上并非真正為0。共模扼流圈的漏感是差模電感。事實上,與差模有關的磁通必須在某點上離開芯體,換句話說,磁通在芯體外部形成閉合回路,而不僅僅只局限在環(huán)形芯體內(nèi)。


         一般CX電容可承受4000Vp的差模浪涌電壓沖擊,CY電容可承受5000Vp的共模電壓沖擊。正確選擇L1、L2和CX2、CY參數(shù)的大小,就可以抑制4000Vp以下的共模和差模浪涌電壓。但如果兩個CY電容是安裝在整機線路之中,其總?cè)萘坎荒艹^5000P,如要抑制浪涌電壓超過4000Vp,還需選用耐壓更高的電容器,以及帶限幅功能的浪涌抑制電路。


        所謂抑制,只不過是把尖峰脈沖的幅度降低了一些,然后把其轉(zhuǎn)換成另一個脈沖寬度相對比較寬,幅度較為平坦的波形輸出,但其能量基本沒有改變。


         兩個CY電容的容量一般都很小,存儲的能量有限,其對共模抑制的作用并不很大,因此,對共模浪涌抑制主要靠電感L1和L2,但由于L1、L2的電感量也受到體積和成本的限制,一般也難以做得很大,所以上面電路對雷電共模浪涌電壓抑制作用很有限。




       圖(a)中L1與CY1、 L2與CY2,分別對兩路共模浪涌電壓進行抑制,計算時只需計算其中一路即可。?對L1進行**計算,須要求解一組2階微分方程,結(jié)果表明:電容充電是按正弦曲線進行,放電是按余弦曲線進行。但此計算方法比較復雜,這里采用比較簡單的方法。


        假說,共模信號是一個幅度為Up、寬度為τ的方波,以及CY電容兩端的電壓為Uc,測流過電感的電流為一寬度等于2τ的鋸齒波:


流過電感的電流為:

流過電感的*大電流為:

在2τ期間流過電感的平均電流為:

由此可以求得CY電容在2τ期間的電壓變化量為:


         上面公式是計算共模浪涌抑制電路中電感L和電容CY參數(shù)的計算公式,式中,Uc為CY電容兩端的電壓,也是浪涌抑制電路的輸出電壓,?Uc為CY電容兩端的電壓變化量,但由于雷電脈沖的周期很長,占空比很小,可以認為Uc = ?Uc,Up為共模浪涌脈沖的峰值,q為CY電容存儲的電荷,τ為共模浪涌脈沖的寬度,L為電感,C為電容。


        根據(jù)上面公式,假設浪涌峰值電壓Up=4000Vp,電容C=2500p,浪涌抑制電路的輸出電壓Uc=2000Vp,則需要電感L的數(shù)值為1H。顯然這個數(shù)值非常大,在實際中很難實現(xiàn),所以上面電路對雷電共模抑制的能力很有限,此電路還需進一步改進。


        差模浪涌電壓抑制,主要是靠圖中的濾波電感L1、L2 ,和濾波電容CX ,L1、L2濾波電感和CX濾波電容等參數(shù)的選擇,同樣可以用下面公式來進行計算。

         但上式中的L應該等于L1和L2兩個濾波電感之和,C=CX,Uc等于差模抑制輸出電壓。一般,差模抑制輸出電壓應不大于600Vp,因為很多半導體器件和電容的*大耐壓都在此電壓附近,并且,經(jīng)過L1和L2兩個濾波電感以及CX電容濾波之后,雷電差模浪涌電壓的幅度雖然降低了,但能量基本上沒有降低,因為經(jīng)過濾波之后,脈沖寬度會增加,一旦器件被擊穿,大部分都無法恢復到原來的狀態(tài)。


       根據(jù)上面公式,假設浪涌峰值電壓Up=4000Vp,脈沖寬度為50uS,差模浪涌抑制電路的輸出電壓Uc=600Vp,則需要LC的數(shù)值為14mH×uF。顯然,這個數(shù)值對于一般電子產(chǎn)品的浪涌抑制電路來說還是比較大的,相比之下,增加電感量要比增加電容量更有利,因此*好選用一種有3個窗口、用矽鋼片作鐵芯,電感量相對較大(大于20mH)的電感作為浪涌電感,這種電感共模和差模電感量都很大,并且不容易飽和。 順便指出,整流電路后面的電解濾波電容,同樣也具有抑制浪涌脈沖的功能,如果把此功能也算上,其輸出電壓Uc就不能選600Vp,而只能選為電容器的*高耐壓Ur(400Vp)。


4、雷擊浪涌脈沖電壓抑制常用器件 

       避雷器件主要有陶瓷氣體放電管、氧化鋅壓敏電阻、半導體閘流管(TVS)、浪涌抑制電感線圈、X類浪涌抑制電容等,各種器件要組合使用。


        氣體放電管的種類很多,放電電流一般都很大,可達數(shù)十kA,放電電壓比較高,放電管從點火到放電需要一定的時間,并且存在殘存電壓,性能不太穩(wěn)定;氧化鋅壓敏電阻伏安特性比較好,但受功率的限制,電流相對比放電管小,多次被雷電過流擊穿后,擊穿電壓值會下降,甚至會失效;半導體TVS管伏安特性*好,但功率一般都很小,成本比較高;浪涌抑制線圈是*基本的防雷器件,為防流過電網(wǎng)交流電飽和,必須選用三窗口鐵芯;X電容也是必須的,要選用容許紋波電流較大的電容。


氣體放電管


           氣體放電管指作過電壓保護用的避雷管或天線開關管一類,管內(nèi)有二個或多個電極,充有一定量的惰性氣體。氣體放電管是一種間隙式的防雷保護元件,它用在通信系統(tǒng)的防雷保護。


           放電管的工作原理是氣體間隙放電i當放電管兩極之間施加一定電壓時,便在極間產(chǎn)生不均勻電場:在此電場作用下,管內(nèi)氣體開始游離,當外加電壓增大到使極間場強超過氣體的絕緣強度時,兩極之間的間隙將放電擊穿,由原來的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導電狀態(tài),導通后放電管兩極之間的電壓維持在放電弧道所決定的殘壓水平,這種殘壓一般很低,從而使得與放電管并聯(lián)的電子設備免受過電壓的損壞。


        氣體放電管有的是以玻璃作為管子的封裝外殼.也有的用陶瓷作為封裝外殼,放電管內(nèi)充入電氣性能穩(wěn)定的惰性氣體(如氬氣和氖氣等),常用放電管的放電電極一般為兩個、三個,電極之間由惰性氣體隔開。按電極個數(shù)的設置來劃分,放電管可分為二極、三極放電管。


        陶瓷二極放電管由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和陶瓷管體等主要部件構(gòu)成。管內(nèi)放電電極上涂覆有放射性氧化物,管體內(nèi)壁也涂覆有放射性元素,用于改善放電特性。放電電極主要有桿形和杯形兩種結(jié)構(gòu),在桿形電極的放電管中,電極與管體壁之間還要加裝一個圓筒熱屏,該熱屏可以使陶瓷管體受熱趨于均勻,不致出現(xiàn)局部過熱而引起管斷裂。熱屏內(nèi)也涂覆放射性氧化物,以進一步減小放電分散性。在杯形電極的放電管中,杯口處裝有鉬網(wǎng),杯內(nèi)裝有銫元素,其作用也是減小放電分散性。


        三極放電管也是由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和陶瓷管體等部件構(gòu)成。與二極放電管不同,在三極放電管中增加了鎳鉻鈷合金圓筒,作為第三極,即接地電極。
























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