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。 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。 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。 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。但假如两个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。Ø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: |
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