雷擊浪涌防護設計技術

1、電磁兼容技術講座雷擊浪涌防護設計技術Boris Ma雷擊浪涌防護設計技術主要內容雷電的產生雷電壓/電流的特性雷電的危害機理雷擊浪涌防護設計技術案例分析雷擊浪涌防護設計技術關于雷擊的數(shù)據(jù)我國一些重要城市的年平均雷電日城市雷電日城市雷電日北京40西安20上海35重慶40南京38南昌60天津30長沙50廣州90福州60哈爾濱80蘭州25沈陽33太原40雷擊浪涌防護設計技術雷電的產生雷擊浪涌防護設計技術雷電壓/電流的特性1.2/50uS雷電壓脈沖波形(IEC61000-4-5)雷擊浪涌防護設計技術雷電壓/電流的特性1.2/50uS雷電壓脈沖波形(擬合)u(t ) = AU m (1 etô

2、1) etô 210.90.80.70.6A = 1.0371 = 0.4074 S2 = 68.22 S0.50.40.30.20.100102030405060708090100time(uS )voltage(V)雷擊浪涌防護設計技術雷電壓/電流的特性1.2/50uS雷電壓脈沖的頻譜特性 jùtdtG(ù ) = AU m (1ô 21+ jù1ô 2+11ô 1+ jù)G(ù ) = u(t ) e雷擊浪涌防護設計技術雷電壓/電流的特性1.2/50uS雷電壓（1000V）的頻譜特性7010.96

3、00.8500.70.6400.530200.40.30.2100.10012345600123456frequencyfrequencyamplitudeamplitude雷擊浪涌防護設計技術雷電壓/電流的特性8/20uS雷電流脈沖波形(IEC61000-4-5)雷擊浪涌防護設計技術雷電壓/電流的特性8/20uS雷電流脈沖波形(擬合)10.93tô0.80.70.60.50.4A=0.01243(uS)-3=3.911(uS)0.30.20.1005101520253035404550time(uS )current(A)i(t ) = AI m t e雷擊浪涌防護設計技術雷電壓/

4、電流的特性8/20uS雷電流脈沖的頻譜特性 jùtdtG(ù ) =1ô6 AI m4G(ù ) = i(t ) e( + jù )雷擊浪涌防護設計技術雷電壓/電流的特性8/20uS雷電流（1000A）的頻譜特性0.050.0450.040.0350.030.0250.020.0150.010.00510.90.80.70.60.50.40.30.20.1x 10-40012345600123456frequencyfrequencyamplitudeamplitude雷擊浪涌防護設計技術雷電閃擊電壓的計算保護級別IIIIII-IV雷電流峰值.

5、kA200150100iîLit.: IEC 61024-1-1t10/350 µs波形ûE = î · Rst舉例:RstûE=100kA ·1=100kV雷擊浪涌防護設計技術雷擊電流引起的感應電壓雷擊電流建筑物s1 i/ t1 i tU時間s33s2下引線 tTime21=下引線繞行形成的回路s1.2=下引線與線路形成的回路s2.3=線路回路s3.雷擊浪涌防護設計技術正方形回路的互感M1µH 100101M10.1U i ta0.010.001aq0.010.030.10.31310amq =雷擊浪涌防護設計技

6、術正方形回路的過電壓計算電氣安裝的保護導體10mU = 150 µs10mq = 50mm²M1 16 µHU = 16 · 150 = 2400 kVi kAt雷擊浪涌防護設計技術正方形回路的互感M2µH1010.1M20.01 i t0.001Ua0.1 · 10-30.01 ·10-30.10.313s1030masa= 10ma = 3ma =a = 1ma = 0,1ma =0,03m雷擊浪涌防護設計技術正方形回路的過電壓計算 i kA t µs10mUM2 4.8 µHU = 4.8 

7、3; 150 = 720 kV10m1m = 150 雷擊浪涌防護設計技術并行電纜回路互感M'3nH 100m101U i tM'30.1ls0.010.001b0.10.313s1030mb =b= 3mm雷擊浪涌防護設計技術并行電纜回路互感M'3通訊線Ui kAt µs10mM'3 0.60 nH/m3mm1mU = 0.60 · 10 · 150 = 900 V = 150 雷擊浪涌防護設計技術并行電纜回路互感M'4nH 10mm10.1M'40.01Ub i t0.001ls0.10.3131030s(m)l

8、 =l =l = 1ml = 3ml = 10m雷擊浪涌防護設計技術并行電纜回路互感M'4通訊線i kAt µs3mmUM'4 0.48 nH/mm10m1mU = 0.48 · 3 · 150 = 216 V = 150 雷擊浪涌防護設計技術在環(huán)形回路中引起的最大感應電壓最大電壓 di dt ûsas(di / dt) max. 距離計算舉例ûs100 kA/µsa= 10 m500 kVs =1mVku2 = 5000kA/µsûs = ku2 · max.雷擊浪涌防護設計技術靜電感應

9、產生過電壓架空導線雷擊浪涌防護設計技術雷電的危害(小結)1直擊雷或鄰近雷擊:擊在外部防雷系統(tǒng)，如保護框架（工業(yè)裝置上.）電纜上等。2b1a2a1b浪涌電流在接地電阻Rst上引起電壓降。閉合環(huán)路感應產生過電壓1L120 kVL2L3PEN2c1a1b2a2b遠處雷擊:擊在遠處架空輸送線纜上雷云之間的放電通過架空線纜引起感應雷電波及過電壓。信息系統(tǒng)Rst電源系統(tǒng)2c在野外,雷電擊中通信線纜雷擊浪涌防護設計技術雷擊防護分區(qū)Lightning Protection Zone（LPZ）LEMP接閃系統(tǒng)LPZ 0 AMLPZ 0 B房間屏蔽LPZ 1LEMPü“滾球半徑"20m空調裝置

10、LPZ 2設備屏蔽LPZ 3ü üLEMP攝像機燈光üüLPZ 0 Büü局部等電位連接插座üLPZ 0 BSEMP電源系統(tǒng)üüLPZ 1電源系統(tǒng)信息網絡系統(tǒng)基礎接地極加強筋防雷等電位連接雷電流SPD過壓保護器SPDLPZ防雷保護區(qū)ü局部等電位連接雷擊浪涌防護設計技術進出線纜端口的防雷等電位連接等電位匯流排EBB水管燃氣管Z基礎接地極外部防雷系統(tǒng)雷擊浪涌防護設計技術設備的等電位保護雷擊浪涌防護設計技術分級保護L1L2L3NDEHNportBlitzstromableiterDEHN高能量避雷器線

11、纜長度>5m*如果PE線與主線在同一線纜中，則線纜長度要求>15mDEHNguardTyp 275DEHN過壓保護器雷擊浪涌防護設計技術分級保護uutt粗保護如:放電管退藕器件如:電阻,電感,濾波器等精細保護如:齊納二極管雷擊浪涌防護設計技術氣體放電管1kA100A伏安特性電10AEA：直流放電點流1ABCD：輝光放電區(qū)E：電弧放電點F：電弧熄滅點100mA10mA1mAFCBD100A200電壓 (V)雷擊浪涌防護設計技術氣體放電管應用中存在的問題u時延ufr：實際放電電壓續(xù)流ufrufdc ut當暫態(tài)電壓過去后，在被保護電路的電源或信號電壓作用下，原處于導通狀態(tài)的放電管不滅弧，

12、仍保持導通狀態(tài)雷擊浪涌防護設計技術氣體放電管主要技術參數(shù)直流放電電壓在上升陡度低于100V/s的電壓作用下，放電管開始放電的平均電壓值沖擊放電電壓在具有規(guī)定上升陡度的暫態(tài)脈沖電壓作用下，放電管開始放電的電壓值工頻耐受電流放電管通過工頻電流5次，使管子的直流放電電壓及絕緣電阻無明顯變化的最大電流沖擊耐受電流放電管通過規(guī)定濾形和規(guī)定次數(shù)的脈沖電流，使其直流放電電壓及絕緣電阻無明顯變化的最大值電流峰值絕緣電阻和極間電容放電管的絕緣電阻很大，極間電容很小雷擊浪涌防護設計技術氣體放電管參數(shù)的選擇直流放電電壓 ufdcufdc 1.8UU：電路額定工作直流電壓或交流電壓的峰值沖擊耐受電流大于電路實際工作中

13、可能遇到的瞬態(tài)過電流或相關標準要求的電流值雷擊浪涌防護設計技術氣體放電管優(yōu)點·極間絕緣電阻大·極間電容小·泄放暫態(tài)過電流能力強缺點·時延·續(xù)流·老化雷擊浪涌防護設計技術壓敏電阻伏安特性電壓10005002001005020泄漏區(qū)箝位工作區(qū)過載區(qū)1010-810-610-410-2100102104電流/A(V)雷擊浪涌防護設計技術壓敏電阻主要技術參數(shù)參考電壓通過1mA直流電流時壓敏電阻二端的電壓。符號：U1mA , UN殘壓壓敏電阻通過規(guī)定波形(常為8/20us)的某一幅值電流時二端的電壓。通流容量按規(guī)定時間間隔與次數(shù)施加規(guī)定波形(常

14、為8/20us)電流后，壓敏電阻參考電壓的變化率仍在規(guī)定范圍內所能通過的最大電流幅值泄漏電流在小于參考電壓(如0.75U1mA)的低電壓作用下，壓敏電阻中流過的電流額定工作電壓允許長期連續(xù)施加在壓敏電阻二端的工頻電壓有效值(或直流電壓值)雷擊浪涌防護設計技術壓敏電阻參數(shù)的選擇參考電壓直流回路：交流回路：Min ( U1mA ) ( 1.82 ) UdcMin ( U1mA ) ( 2.22.5 ) UacUdc：電路額定直流工作電壓Uac：電路額定交流工作電壓的有效值雷擊浪涌防護設計技術壓敏電阻參數(shù)的選擇殘壓壓敏電阻的殘壓必須低于被保護的電子設備的耐受電壓水平通流容量理想情況：壓敏電阻的通流容

15、量大于設備實際中可能遇到的最大瞬態(tài)過電流工程上：以產品標準所要求的嚴酷度等級為設計參考點雷擊浪涌防護設計技術壓敏電阻參數(shù)的選擇極間電容極間電容不能對電路工作信號產生有害的影響泄漏電流 ILIL 20 uA ( U1mA 100V)IL 80 uA ( U1mA 100V)對極低電壓(如5V)電路，當U1mA大于正常工作電壓的2.2倍時，可不考慮泄漏電流指標雷擊浪涌防護設計技術壓敏電阻優(yōu)點·通流容量大·動作響應快·無續(xù)流缺點·極間電容大·老化雷擊浪涌防護設計技術瞬態(tài)電壓抑制器TVSTransient Voltage Suppressor正伏安特性

16、反向電壓Vc Vbr VRM向電流正向+-IRM正向電壓反向-+反向IPP電流雷擊浪涌防護設計技術TVS主要技術參數(shù)額定截止電壓 VRM保持截止狀態(tài)時，可以加在TVS上的最大直流電壓額定擊穿電壓 Vbr在規(guī)定的反向擊穿電流(如1mA)下的擊穿電壓箝位電壓 VC在流過規(guī)定波形的大電流(IPP)時，TVS二端測得的電壓最大漏電流 IRM在額定截止電壓作用下，TVS中流過的最大反向電流雷擊浪涌防護設計技術TVS主要技術參數(shù)脈沖電流峰值 IPP按規(guī)定的幅度和波形施加脈沖電流時，不會造成TVS損壞的脈沖電流最大值脈沖功率峰值 PPP箝位電壓與脈沖電流峰值的乘積結電容 C在規(guī)定的頻率和偏置下，在TVS二端

17、測得的電容值雷擊浪涌防護設計技術TVS參數(shù)的選擇截止電壓VRM如果電路工作電壓的上限值為VMO，則VRM可取值：VRM=（1.11.2）VMOVRM最大不要超過VMO的1.4倍雷擊浪涌防護設計技術TVS參數(shù)的選擇脈沖電流峰值 IPPIPP應大于電路中預期出現(xiàn)的最大雷擊浪涌電流，或根據(jù)產品標準要求的嚴酷度等級來確定選定了TVS的型號后，通過型式試驗來檢測其是否滿足設計要求雷擊浪涌防護設計技術TVS結電容C參數(shù)的選擇結電容不應對電路中的信號產生畸變，不應對電路的正常工作產生不利影響雷擊浪涌防護設計技術TVS實例雷擊浪涌防護設計技術TVS優(yōu)點·箝位電壓低·動作響應快·無

18、續(xù)流·無老化缺點·通流容量較小雷擊浪涌防護設計技術三種保護器件的比較放電管壓敏電阻TVS泄漏電流無小小續(xù)流有無無極間電容小大中響應時間慢(us)較快(ns)快(ps)通流容量大(1kA100kA)大(0.11kA100kA)較小(0.1kA1kA)老化現(xiàn)象有有無箝位電壓放電電壓高中等低雷擊浪涌防護設計技術三級保護電路V輸入端tVtV輸出端t雷擊浪涌防護設計技術典型電路分析單相交流電源的單級保護電路LM1M3PEM2NM1、M2的型號和參數(shù)應一樣雷擊浪涌防護設計技術典型電路分析單相交流電源的單級保護電路LNM3放電管：min ( Ufdc ) 1.2 max (UP)UP：電

19、路最高工作電壓峰值M1M2壓敏電阻：在電壓UP下的電流應小于放電管的熄弧電流值PE雷擊浪涌防護設計技術典型電路分析單相交流電源的兩級保護電路第一級保第二級保L護電路L1護電路NM1L2C1M4第一級：泄流M2M3C2 C3 M5第二級：箝位M6PE雷擊浪涌防護設計技術典型電路分析Fuse直流電源保護電路-48VTVS根據(jù)電壓拉偏要求（EN300132-2），設備應在-40.5V-57V范圍內正常工作，因此單板供電電壓的上限值VMO取為57V，VRM可在（63V68V）范圍內取值，VRM最大值不超過80V。雷擊浪涌防護設計技術典型電路分析信號接口保護電路發(fā)送器保護電路長線保護電路接收器雷擊浪涌防

20、護設計技術典型電路分析E1、T1接口保護電路雷擊浪涌防護設計技術接地引線電感HdL = 0.002H ( 2.303 ln4Hd 0.75 )(µH )各線度量的單位均為cmHcbL = 0.002H ( 2.303 ln2Hb + c+ 0.5 + 0.2235b + cH)(µH )雷擊浪涌防護設計技術接地引線電感例：H=100cm，導體的橫截面積均為35mm2.Hdd =6.68mmL = 2.8 uHcHL = 1.95 uHbb =35mm, c =1mm雷擊浪涌防護設計技術減小寄生電感保護器件保護器件保護器件保護器件雷擊浪涌防護設計技術減小寄生電感PCB板上防雷

21、器件的布局防雷器件安裝點雷擊浪涌防護設計技術天饋線避雷器并聯(lián)放電管型高頻信號防雷器原理結構示意圖優(yōu)點·價格較低缺點·通流量較低·老化放電管雷擊浪涌防護設計技術天饋線避雷器四分之一波長型高頻信號防雷器原理結構示意圖優(yōu)點·通流量大·無須維修缺點·價格高雷擊浪涌防護設計技術室內設備防雷要點一次防護A）一次防護的機理是等電位保護；B）所有電纜出入建筑物時必須有避雷器到地C）所有避雷器的反應時間必須低于50nsD）等電位體必須有非常低的阻抗E）對接地電阻的要求不是非常嚴，當然能小于1歐姆更好，這樣雷擊電流泄放要快一些，等電位存在的時間和幅度也要

22、小一些。雷擊浪涌防護設計技術室內設備防雷要點二次防護A）二次防護主要目的是將浪涌電流旁路到地，從而避免過電壓沖擊內部電路；B）二次防護的主要器件有放電管、壓敏電阻、TVS等；C）防護器件應盡量靠近被保護端口；D）選擇放電管時需要注意其延時、工頻續(xù)流等問題E）選擇壓敏電阻需要注意其最大不動作電壓、最高殘壓、額定峰值脈沖電流、標稱工頻電流等參數(shù)；F）選擇TVS需要注意其峰值脈沖電流、額定截止電壓、結電容等參數(shù)。雷擊浪涌防護設計技術室內設備防雷要點一次防護與二次防護的配合A）一次防護安裝在電纜進入建筑物處，二次防護安裝在設備端口內，二者之間距離最好大于5m；B）當二者距離較近時，可以在二者之間串聯(lián)電感（15uH左右）；C）一次防護的啟動電壓要略高于二次防護的啟動電壓；D）一次防護的通流量應遠大于二次防護的通流量雷擊浪涌防護設計技術室內設備防雷要點對防護裝置的要求A）防護裝置應具有良好的箝位效果。在設計允許的最大雷電流沖擊下，防護裝置的箝位電壓應接近(13