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雷击浪涌的防护 1

雷击浪涌的防护 1

雷击浪涌的防护





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。



        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







        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。



        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。



        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。
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