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一文看雷击浪涌的防护解析

发布时间:2022-02-11 15:16

1、电子设备雷击浪涌抗扰度试验标准
电子设备雷击浪涌抗扰度试验的国家标准为GB/T17626.5(等同于国际标准IEC61000-4-5 )。
标准主要是模拟间接雷击产生的各种情况:
(1)雷电击中外部线路,有大量电流流入外部线路或接地电阻,因而产生的干扰电压。
(2)间接雷击(如云层间或云层内的雷击)在外部线路上感应出电压和电流。
(3)雷电击中线路邻近物体,在其周围建立的强大电磁场,在外部线路上感应出电压。
(4)雷电击中邻近地面,地电流通过公共接地系统时所引进的干扰。

雷击浪涌测试


标准除了模拟雷击外,还模拟变电所等场合,因开关动作而引进的干扰(开关切换时引起电压瞬变),如:
(1)主电源系统切换时产生的干扰(如电容器组的切换)。
(2)同一电网,在靠近设备附近的一些较小开关跳动时的干扰。
(3)切换伴有谐振线路的晶闸管设备。
(4)各种系统性的故障,如设备接地网络或接地系统间的短路和飞弧故障。

标准描述了两种不同的波形发生器:
一种是雷击在电源线上感应生产的波形;
另一种是在通信线路上感应产生的波形。
这两种线路都属于空架线,但线路的阻抗各不相同:在电源线上感应产生的浪涌波形比较窄一些(50uS),前沿要陡一些(1.2uS);而在通信线上感应产生的浪涌波形比较宽一些,但前沿要缓一些。后面我们主要以雷击在电源线上感应生产的波形来对电路进行分析,同时也对通信线路的防雷技术进行简单介绍。
2、模拟雷击浪涌脉冲生成电路的工作原理

雷击浪涌抗扰度试验


上图是模拟雷电击到配电设备时,在输电线路中感应产生的浪涌电压,或雷电落地后雷电流通过公共地电阻产生的反击高压,的脉冲产生电路。4kV时的单脉冲能量为100焦耳。
图中Cs是储能电容(大约为10uF,相当于雷云电容);
Us为高压电源;
Rc为充电电阻;
Rs为脉冲持续时间形成电阻(放电曲线形成电阻);
Rm为阻抗匹配电阻Ls为电流上升形成电感。
雷击浪涌抗扰度试验对不同产品有不同的参数要求,上图中的参数可根据产品标准要求不同,稍有改动。

基本参数要求:
(1)开路输出电压:0.5~6kV,分5等级输出,最后一级由用户与制造商协商确定;
(2)短路输出电流:0.25~2kA,供不同等级试验用;
(3)内阻:2 欧姆,附加电阻10、12、40、42欧姆,供其它不同等级试验用;
(4)浪涌输出极性:正/负;浪涌输出与电源同步时,移相0~360度;
(5)重复频率:至少每分钟一次。

雷击浪涌抗扰度试验


雷击浪涌抗扰度试验的严酷等级分为5级:
1级:较好保护的环境;
2级:有一定保护的环境;
3级:普通的电磁骚扰环境、对设备未规定特殊安装要求,如工业性的工作场所;
4级:受严重骚扰的环境,如民用空架线、未加保护的高压变电所。
X级:由用户与制造商协商确定。

雷击浪涌抗扰度试验


图中18uF电容,可根据严酷等级不同,选择数值也可不同,但大到一定值之后,基本上就没有太大意义。
10欧姆电阻以及9uF电容,可根据严酷等级不同,选择数值也不同,电阻最小值可选为0欧姆(美国标准就是这样), 9uF电容也可以选得很大,但大到一定值之后,基本上就没有太大意义。
3、共模浪涌抑制电路
防浪涌设计时,假定共模与差模这两部分是彼此独立的。然而,这两部分并非真正独立,因为共模扼流圈可以提供相当大的差模电感。这部分差模电感可由分立的差模电感来模拟。  
为了利用差模电感,在设计过程中,共模与差模不应同时进行,而应该按照一定的顺序来做。首先,应该测量共模噪声并将其滤除掉。采用差模抑制网络(Differential Mode Rejection Network),可以将差模成分消除,因此就可以直接测量共模噪声了。如果设计的共模滤波器要同时使差模噪声不超过允许范围,那么就应测量共模与差模的混合噪声。因为已知共模成分在噪声容限以下,因此超标的仅是差模成分,可用共模滤波器的差模漏感来衰减。对于低功率电源系统,共模扼流圈的差模电感足以解决差模辐射问题,因为差模辐射的源阻抗较小,因此只有极少量的电感是有效的。

共模浪涌抑制电路

对4000Vp以下的浪涌电压进行抑制,一般只需采用LC电路进行限流和平滑滤波,把脉冲信号尽量压低到2~3倍脉冲信号平均值的水平即可。由于L1、L2有50周电网电流流过,电感很容易饱和,因此,L1、L2一般都采用一种漏感很大的共模电感。
用在交流,直流的都有,通常我们在电源EMI滤波器,开关电源中常见到,而直流侧少见,在汽车电子中能够看到用在直流侧。加入共模电感是为了消除并行线路上的共模干扰(有两线的,也有多线的)。由于电路上两线阻抗的不平衡,共模干扰最终体现在差模上。用差模滤波方法很难滤除。共模电感到底需要用在哪。共模干扰通常是电磁辐射,空间耦合过来的,那么无论是交流还是直流,你有长线传输,就涉及到共 模滤波就得加共模电感。例如:USB线好多就在线上加磁环。开关电源入口,交流电是远距离传输过来的,就需要加。通常直流侧不需要远传就不需要加了。没有共模干扰,加了就是浪费,对电路没有增益。
电源滤波器的设计通常可从共模和差模两方面来考虑。共模滤波器最重要的部分就是共模扼流圈,与差模扼流圈相比,共模扼流圈的一个显著优点在于它的电感值极高,而且体积又小,设计共模扼流圈时要考虑的一个重要问题是它的漏感,也就是差模电感。通常,计算漏感的办法是假定它为共模电感的1%,实际上漏感为共模电感的0.5% ~4%之间。在设计最优性能的扼流圈时,这个误差的影响可能是不容忽视的。
漏感的重要性漏感是如何形成的呢?紧密绕制,且绕满一周的环形线圈,即使没有磁芯,其所有磁通都集中在线圈“芯”内。但是,如果环形线圈没有绕满一周,或者绕制不紧密,那么磁通就会从芯中泄漏出来。这种效应与线匝间的相对距离和螺旋管芯体的磁导率成正比。共模扼流圈有两个绕组,这两个绕组被设计成使它们所流过的电流沿线圈芯传导时方向相反,从而使磁场为0。如果为了安全起见,芯体上的线圈不是双线绕制,这样两个绕组之间就有相当大的间隙,自然就引起磁通“泄漏”,这即是说,磁场在所关心的各个点上并非真正为0。共模扼流圈的漏感是差模电感。事实上,与差模有关的磁通必须在某点上离开芯体,换句话说,磁通在芯体外部形成闭合回路,而不仅仅只局限在环形芯体内。
一般CX电容可承受4000Vp的差模浪涌电压冲击,CY电容可承受5000Vp的共模电压冲击。正确选择L1、L2和CX2、CY参数的大小,就可以抑制4000Vp以下的共模和差模浪涌电压。但如果两个CY电容是安装在整机线路之中,其总容量不能超过5000P,如要抑制浪涌电压超过4000Vp,还需选用耐压更高的电容器,以及带限幅功能的浪涌抑制电路。
所谓抑制,只不过是把尖峰脉冲的幅度降低了一些,然后把其转换成另一个脉冲宽度相对比较宽,幅度较为平坦的波形输出,但其能量基本没有改变。
两个CY电容的容量一般都很小,存储的能量有限,其对共模抑制的作用并不很大,因此,对共模浪涌抑制主要靠电感L1和L2,但由于L1、L2的电感量也受到体积和成本的限制,一般也难以做得很大,所以上面电路对雷电共模浪涌电压抑制作用很有限。

图(a)中L1与CY1、 L2与CY2,分别对两路共模浪涌电压进行抑制,计算时只需计算其中一路即可。对L1进行精确计算,须要求解一组2阶微分方程,结果表明:电容充电是按正弦曲线进行,放电是按余弦曲线进行。但此计算方法比较复杂,这里采用比较简单的方法。
假说,共模信号是一个幅度为Up、宽度为τ的方波,以及CY电容两端的电压为Uc,测流过电感的电流为一宽度等于2τ的锯齿波:
流过电感的电流为:

流过电感

上面公式是计算共模浪涌抑制电路中电感L和电容CY参数的计算公式,式中,Uc为CY电容两端的电压,也是浪涌抑制电路的输出电压,Uc为CY电容两端的电压变化量,但由于雷电脉冲的周期很长,占空比很小,可以认为Uc = Uc,Up为共模浪涌脉冲的峰值,q为CY电容存储的电荷,τ为共模浪涌脉冲的宽度,L为电感,C为电容。
根据上面公式,假设浪涌峰值电压Up=4000Vp,电容C=2500p,浪涌抑制电路的输出电压Uc=2000Vp,则需要电感L的数值为1H。显然这个数值非常大,在实际中很难实现,所以上面电路对雷电共模抑制的能力很有限,此电路还需进一步改进。
差模浪涌电压抑制,主要是靠图中的滤波电感L1、L2 ,和滤波电容CX ,L1、L2滤波电感和CX滤波电容等参数的选择,同样可以用下面公式来进行计算。


但上式中的L应该等于L1和L2两个滤波电感之和,C=CX,Uc等于差模抑制输出电压。一般,差模抑制输出电压应不大于600Vp,因为很多半导体器件和电容的最大耐压都在此电压附近,并且,经过L1和L2两个滤波电感以及CX电容滤波之后,雷电差模浪涌电压的幅度虽然降低了,但能量基本上没有降低,因为经过滤波之后,脉冲宽度会增加,一旦器件被击穿,大部分都无法恢复到原来的状态。
根据上面公式,假设浪涌峰值电压Up=4000Vp,脉冲宽度为50uS,差模浪涌抑制电路的输出电压Uc=600Vp,则需要LC的数值为14mH×uF。显然,这个数值对于一般电子产品的浪涌抑制电路来说还是比较大的,相比之下,增加电感量要比增加电容量更有利,因此最好选用一种有3个窗口、用矽钢片作铁芯,电感量相对较大(大于20mH)的电感作为浪涌电感,这种电感共模和差模电感量都很大,并且不容易饱和。顺便指出,整流电路后面的电解滤波电容,同样也具有抑制浪涌脉冲的功能,如果把此功能也算上,其输出电压Uc就不能选600Vp,而只能选为电容器的最高耐压Ur(400Vp)。
4、雷击浪涌脉冲电压抑制常用器件

雷击浪涌脉冲电压抑制常用器件


避雷器件主要有陶瓷气体放电管、氧化锌压敏电阻、半导体闸流管(TVS)、浪涌抑制电感线圈、X类浪涌抑制电容等,各种器件要组合使用。
气体放电管的种类很多,放电电流一般都很大,可达数十kA,放电电压比较高,放电管从点火到放电需要一定的时间,并且存在残存电压,性能不太稳定;氧化压敏电阻伏安特性比较好,但受功率的限制,电流相对比放电管小,多次被雷电过流击穿后,击穿电压值会下降,甚至会失效;半导体TVS管伏安特性最好,但功率一般都很小,成本比较高;浪涌抑制线圈是最基本的防雷器件,为防流过电网交流电饱和,必须选用三窗口铁芯;X电容也是必须的,要选用容许纹波电流较大的电容。
气体放电管


气体放电管指作过电压保护用的避雷管或天线开关管一类,管内有二个或多个电极,充有一定量的惰性气体。气体放电管是一种间隙式的防雷保护元件,它用在通信系统的防雷保护。
放电管的工作原理是气体间隙放电i当放电管两极之间施加一定电压时,便在极间产生不均匀电场:在此电场作用下,管内气体开始游离,当外加电压增大到使极间场强超过气体的绝缘强度时,两极之间的间隙将放电击穿,由原来的绝缘状态转化为导电状态,导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平,这种残压一般很低,从而使得与放电管并联的电子设备免受过电压的损坏。
气体放电管有的是以玻璃作为管子的封装外壳.也有的用陶瓷作为封装外壳,放电管内充入电气性能稳定的惰性气体(如氩气和氖气等),常用放电管的放电电极一般为两个、三个,电极之间由惰性气体隔开。按电极个数的设置来划分,放电管可分为二极、三极放电管。
陶瓷二极放电管由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体等主要部件构成。管内放电电极上涂覆有放射性氧化物,管体内壁也涂覆有放射性元素,用于改善放电特性。放电电极主要有杆形和杯形两种结构,在杆形电极的放电管中,电极与管体壁之间还要加装一个圆筒热屏,该热屏可以使陶瓷管体受热趋于均匀,不致出现局部过热而引起管断裂。热屏内也涂覆放射性氧化物,以进一步减小放电分散性。在杯形电极的放电管中,杯口处装有钼网,杯内装有铯元素,其作用也是减小放电分散性。
三极放电管也是由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体等部件构成。与二极放电管不同,在三极放电管中增加了镍铬钴合金圆筒,作为第三极,即接地电极。

主要参数:
(1)直流击穿电压。此值由施加一个低上升速率(dv/dt=100V/s)的电压值来决定。
(2)冲击(或浪涌)击穿电压。它代表放电管的动态特性,常用上升速率为dv/dt=1kV/us的电压值来决定。
(3)标称冲击放电电流。8/20us波形(前沿8us,半峰持续时间20us)的额定放电电流,通常放电10次。
(4)标准放电电流。通过50Hz交流电流的额定有效值,规定每次放电的时间为1s,放电10次。
(5)最大单次冲击放电电流。对8/20us电流波的单次最大放电电流。
(6)耐工频电流值。对8/20us电流波的单次最大放电电流。对50Hz交流电,能经受连续9个周波的最大电流的有效值。
(7)绝缘电阻。对8/20us电流波的单次最大放电电流。对50Hz交流电,能经受连续9个周波的最大电流的有效值。
(8)电容。放电管电极间的电容,一般在2~10pF之间,是所有瞬变干扰吸收器件中最小的。

金属氧化物压敏电阻
压敏电阻一般都是以氧化锌为主要成分,另加少量的其它金属氧化物(颗粒),如:鈷、猛、铋等压制而成。由于两种不同性质的物体组合在一起,相当于一个PN结(二极管),因此,压敏电阻相当于众多的PN结串、并联组成。


5、超高浪涌电压抑制电路
实例1


上图是一个可抗击较强雷电浪涌脉冲电压的电原理图,图中:G1、G2为气体放电管,主要用于对高压共模浪涌脉冲抑制,对高压差模浪涌脉冲也同样具有抑制能力;VR为压敏电阻,主要用于对高压差模浪涌脉冲抑制。经过G1、G2和VR抑制后,共模和差模浪涌脉冲的幅度和能量均大幅度降低。
G1、G2的击穿电压可选1000Vp~3000Vp,VR的压敏电压一般取工频电压最大值的1.7倍。
G1、G2击穿后会产生后续电流,一定要加保险丝以防后续电流过大使线路短路。
实例2


增加了两个压敏电阻VR1、VR2和一个放电管G3,主要目的是加强对共模浪涌电压的抑制,由于压敏电阻有漏电流,而一般电子产品都对漏电流要求很严格(小于0.7mAp),所以图中加了一个放电管G3,使平时电路对地的漏电流等于0。G3的击穿电压要远小于G1、G2的击穿电压,采用G3对漏电隔离后,压敏电阻VR1或VR2的击穿电压可相应选得比较低,VR1、VR2对差模浪涌电压也有很强的抑制作用。
实例3


G1是一个三端放电管,它相当于把两个二端放电管安装在一个壳体中,用它可以代替上面两个实例中的G1、G2放电管。除了二端、三端放电管之外,放电管还有四端、五端的,各放电管的用途也不完全相同。
实例4


增加了两个压敏电阻(VR1、VR2),主要目的是为了隔断G1击穿后产生的后续电流,以防后续电流过大使输入电路短路,但由于VR1、VR2的最大峰值电流一般只有G1的几十分之一,所以,本实例对超高浪涌电压的抑制能力相对实例3要的抑制能力差很多。
实例5 直接在PCB板上制作避雷装置


在PCB板上直接制作放电避雷装置,可以代替防雷放电管,可以抑制数万伏共模或差模浪涌电压冲击,避雷装置电极之间距离一般要求比较严格,输入电压为AC110V时,电极之间距离可选4.5mm,输入电压为AC220V时,可选6mm;避雷装置的中间电极一定要接到三端电源线与PCB板连接的端口上。
实例6 PCB板气隙放电装置代替放电管
在PCB板上直接制作气隙放电装置,正常放电电压为每毫米1000~1500V,4.5mm爬电距离的放电电压大约为4500~6800Vp,6mm爬电距离的放电电压大约为6000~9000Vp。


6、各种防雷器件的连接
避雷器件的安装顺序不能搞错,放电管必须在最前面,其次是浪涌抑制电感和压敏电阻(或放电管),再其次才是半导体TVS闸流管或X类电容及Y类电容。


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