雷击浪涌防护设计技术

1、电磁兼容技术讲座雷击浪涌防护设计技术Boris Ma雷击浪涌防护设计技术主要内容雷电的产生雷电压/电流的特性雷电的危害机理雷击浪涌防护设计技术案例分析雷击浪涌防护设计技术关于雷击的数据我国一些重要城市的年平均雷电日城市雷电日城市雷电日北京40西安20上海35重庆40南京38南昌60天津30长沙50广州90福州60哈尔滨80兰州25沈阳33太原40雷击浪涌防护设计技术雷电的产生雷击浪涌防护设计技术雷电压/电流的特性1.2/50uS雷电压脉冲波形(IEC61000-4-5)雷击浪涌防护设计技术雷电压/电流的特性1.2/50uS雷电压脉冲波形(拟合)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)雷击浪涌防护设计技术雷电压/电流的特性1.2/50uS雷电压脉冲的频谱特性 jùtdtG(ù ) = AU m (1ô 21+ jù1ô 2+11ô 1+ jù)G(ù ) = u(t ) e雷击浪涌防护设计技术雷电压/电流的特性1.2/50uS雷电压（1000V）的频谱特性7010.96

3、00.8500.70.6400.530200.40.30.2100.10012345600123456frequencyfrequencyamplitudeamplitude雷击浪涌防护设计技术雷电压/电流的特性8/20uS雷电流脉冲波形(IEC61000-4-5)雷击浪涌防护设计技术雷电压/电流的特性8/20uS雷电流脉冲波形(拟合)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雷击浪涌防护设计技术雷电压/

4、电流的特性8/20uS雷电流脉冲的频谱特性 jùtdtG(ù ) =1ô6 AI m4G(ù ) = i(t ) e( + jù )雷击浪涌防护设计技术雷电压/电流的特性8/20uS雷电流（1000A）的频谱特性0.050.0450.040.0350.030.0250.020.0150.010.00510.90.80.70.60.50.40.30.20.1x 10-40012345600123456frequencyfrequencyamplitudeamplitude雷击浪涌防护设计技术雷电闪击电压的计算保护级别IIIIII-IV雷电流峰值.

5、kA200150100iîLit.: IEC 61024-1-1t10/350 µs波形ûE = î · Rst举例:RstûE=100kA ·1=100kV雷击浪涌防护设计技术雷击电流引起的感应电压雷击电流建筑物s1 i/ t1 i tU时间s33s2下引线 tTime21=下引线绕行形成的回路s1.2=下引线与线路形成的回路s2.3=线路回路s3.雷击浪涌防护设计技术正方形回路的互感M1µH 100101M10.1U i ta0.010.001aq0.010.030.10.31310amq =雷击浪涌防护设计技

6、术正方形回路的过电压计算电气安装的保护导体10mU = 150 µs10mq = 50mm²M1 16 µHU = 16 · 150 = 2400 kVi kAt雷击浪涌防护设计技术正方形回路的互感M2µH1010.1M20.01 i t0.001Ua0.1 · 10-30.01 ·10-30.10.313s1030masa= 10ma = 3ma =a = 1ma = 0,1ma =0,03m雷击浪涌防护设计技术正方形回路的过电压计算 i kA t µs10mUM2 4.8 µHU = 4.8 

7、3; 150 = 720 kV10m1m = 150 雷击浪涌防护设计技术并行电缆回路互感M'3nH 100m101U i tM'30.1ls0.010.001b0.10.313s1030mb =b= 3mm雷击浪涌防护设计技术并行电缆回路互感M'3通讯线Ui kAt µs10mM'3 0.60 nH/m3mm1mU = 0.60 · 10 · 150 = 900 V = 150 雷击浪涌防护设计技术并行电缆回路互感M'4nH 10mm10.1M'40.01Ub i t0.001ls0.10.3131030s(m)l

8、 =l =l = 1ml = 3ml = 10m雷击浪涌防护设计技术并行电缆回路互感M'4通讯线i kAt µs3mmUM'4 0.48 nH/mm10m1mU = 0.48 · 3 · 150 = 216 V = 150 雷击浪涌防护设计技术在环形回路中引起的最大感应电压最大电压 di dt ûsas(di / dt) max. 距离计算举例ûs100 kA/µsa= 10 m500 kVs =1mVku2 = 5000kA/µsûs = ku2 · max.雷击浪涌防护设计技术静电感应

9、产生过电压架空导线雷击浪涌防护设计技术雷电的危害(小结)1直击雷或邻近雷击:击在外部防雷系统，如保护框架（工业装置上.）电缆上等。2b1a2a1b浪涌电流在接地电阻Rst上引起电压降。闭合环路感应产生过电压1L120 kVL2L3PEN2c1a1b2a2b远处雷击:击在远处架空输送线缆上雷云之间的放电通过架空线缆引起感应雷电波及过电压。信息系统Rst电源系统2c在野外,雷电击中通信线缆雷击浪涌防护设计技术雷击防护分区Lightning Protection Zone（LPZ）LEMP接闪系统LPZ 0 AMLPZ 0 B房间屏蔽LPZ 1LEMPü“滚球半径"20m空调装置

10、LPZ 2设备屏蔽LPZ 3ü üLEMP摄像机灯光üüLPZ 0 Büü局部等电位连接插座üLPZ 0 BSEMP电源系统üüLPZ 1电源系统信息网络系统基础接地极加强筋防雷等电位连接雷电流SPD过压保护器SPDLPZ防雷保护区ü局部等电位连接雷击浪涌防护设计技术进出线缆端口的防雷等电位连接等电位汇流排EBB水管燃气管Z基础接地极外部防雷系统雷击浪涌防护设计技术设备的等电位保护雷击浪涌防护设计技术分级保护L1L2L3NDEHNportBlitzstromableiterDEHN高能量避雷器线

11、缆长度>5m*如果PE线与主线在同一线缆中，则线缆长度要求>15mDEHNguardTyp 275DEHN过压保护器雷击浪涌防护设计技术分级保护uutt粗保护如:放电管退藕器件如:电阻,电感,滤波器等精细保护如:齐纳二极管雷击浪涌防护设计技术气体放电管1kA100A伏安特性电10AEA：直流放电点流1ABCD：辉光放电区E：电弧放电点F：电弧熄灭点100mA10mA1mAFCBD100A200电压 (V)雷击浪涌防护设计技术气体放电管应用中存在的问题u时延ufr：实际放电电压续流ufrufdc ut当暂态电压过去后，在被保护电路的电源或信号电压作用下，原处于导通状态的放电管不灭弧，

12、仍保持导通状态雷击浪涌防护设计技术气体放电管主要技术参数直流放电电压在上升陡度低于100V/s的电压作用下，放电管开始放电的平均电压值冲击放电电压在具有规定上升陡度的暂态脉冲电压作用下，放电管开始放电的电压值工频耐受电流放电管通过工频电流5次，使管子的直流放电电压及绝缘电阻无明显变化的最大电流冲击耐受电流放电管通过规定滤形和规定次数的脉冲电流，使其直流放电电压及绝缘电阻无明显变化的最大值电流峰值绝缘电阻和极间电容放电管的绝缘电阻很大，极间电容很小雷击浪涌防护设计技术气体放电管参数的选择直流放电电压 ufdcufdc 1.8UU：电路额定工作直流电压或交流电压的峰值冲击耐受电流大于电路实际工作中

13、可能遇到的瞬态过电流或相关标准要求的电流值雷击浪涌防护设计技术气体放电管优点·极间绝缘电阻大·极间电容小·泄放暂态过电流能力强缺点·时延·续流·老化雷击浪涌防护设计技术压敏电阻伏安特性电压10005002001005020泄漏区箝位工作区过载区1010-810-610-410-2100102104电流/A(V)雷击浪涌防护设计技术压敏电阻主要技术参数参考电压通过1mA直流电流时压敏电阻二端的电压。符号：U1mA , UN残压压敏电阻通过规定波形(常为8/20us)的某一幅值电流时二端的电压。通流容量按规定时间间隔与次数施加规定波形(常

14、为8/20us)电流后，压敏电阻参考电压的变化率仍在规定范围内所能通过的最大电流幅值泄漏电流在小于参考电压(如0.75U1mA)的低电压作用下，压敏电阻中流过的电流额定工作电压允许长期连续施加在压敏电阻二端的工频电压有效值(或直流电压值)雷击浪涌防护设计技术压敏电阻参数的选择参考电压直流回路：交流回路：Min ( U1mA ) ( 1.82 ) UdcMin ( U1mA ) ( 2.22.5 ) UacUdc：电路额定直流工作电压Uac：电路额定交流工作电压的有效值雷击浪涌防护设计技术压敏电阻参数的选择残压压敏电阻的残压必须低于被保护的电子设备的耐受电压水平通流容量理想情况：压敏电阻的通流容

15、量大于设备实际中可能遇到的最大瞬态过电流工程上：以产品标准所要求的严酷度等级为设计参考点雷击浪涌防护设计技术压敏电阻参数的选择极间电容极间电容不能对电路工作信号产生有害的影响泄漏电流 ILIL 20 uA ( U1mA 100V)IL 80 uA ( U1mA 100V)对极低电压(如5V)电路，当U1mA大于正常工作电压的2.2倍时，可不考虑泄漏电流指标雷击浪涌防护设计技术压敏电阻优点·通流容量大·动作响应快·无续流缺点·极间电容大·老化雷击浪涌防护设计技术瞬态电压抑制器TVSTransient Voltage Suppressor正伏安特性

16、反向电压Vc Vbr VRM向电流正向+-IRM正向电压反向-+反向IPP电流雷击浪涌防护设计技术TVS主要技术参数额定截止电压 VRM保持截止状态时，可以加在TVS上的最大直流电压额定击穿电压 Vbr在规定的反向击穿电流(如1mA)下的击穿电压箝位电压 VC在流过规定波形的大电流(IPP)时，TVS二端测得的电压最大漏电流 IRM在额定截止电压作用下，TVS中流过的最大反向电流雷击浪涌防护设计技术TVS主要技术参数脉冲电流峰值 IPP按规定的幅度和波形施加脉冲电流时，不会造成TVS损坏的脉冲电流最大值脉冲功率峰值 PPP箝位电压与脉冲电流峰值的乘积结电容 C在规定的频率和偏置下，在TVS二端

17、测得的电容值雷击浪涌防护设计技术TVS参数的选择截止电压VRM如果电路工作电压的上限值为VMO，则VRM可取值：VRM=（1.11.2）VMOVRM最大不要超过VMO的1.4倍雷击浪涌防护设计技术TVS参数的选择脉冲电流峰值 IPPIPP应大于电路中预期出现的最大雷击浪涌电流，或根据产品标准要求的严酷度等级来确定选定了TVS的型号后，通过型式试验来检测其是否满足设计要求雷击浪涌防护设计技术TVS结电容C参数的选择结电容不应对电路中的信号产生畸变，不应对电路的正常工作产生不利影响雷击浪涌防护设计技术TVS实例雷击浪涌防护设计技术TVS优点·箝位电压低·动作响应快·无

18、续流·无老化缺点·通流容量较小雷击浪涌防护设计技术三种保护器件的比较放电管压敏电阻TVS泄漏电流无小小续流有无无极间电容小大中响应时间慢(us)较快(ns)快(ps)通流容量大(1kA100kA)大(0.11kA100kA)较小(0.1kA1kA)老化现象有有无箝位电压放电电压高中等低雷击浪涌防护设计技术三级保护电路V输入端tVtV输出端t雷击浪涌防护设计技术典型电路分析单相交流电源的单级保护电路LM1M3PEM2NM1、M2的型号和参数应一样雷击浪涌防护设计技术典型电路分析单相交流电源的单级保护电路LNM3放电管：min ( Ufdc ) 1.2 max (UP)UP：电

19、路最高工作电压峰值M1M2压敏电阻：在电压UP下的电流应小于放电管的熄弧电流值PE雷击浪涌防护设计技术典型电路分析单相交流电源的两级保护电路第一级保第二级保L护电路L1护电路NM1L2C1M4第一级：泄流M2M3C2 C3 M5第二级：箝位M6PE雷击浪涌防护设计技术典型电路分析Fuse直流电源保护电路-48VTVS根据电压拉偏要求（EN300132-2），设备应在-40.5V-57V范围内正常工作，因此单板供电电压的上限值VMO取为57V，VRM可在（63V68V）范围内取值，VRM最大值不超过80V。雷击浪涌防护设计技术典型电路分析信号接口保护电路发送器保护电路长线保护电路接收器雷击浪涌防

20、护设计技术典型电路分析E1、T1接口保护电路雷击浪涌防护设计技术接地引线电感HdL = 0.002H ( 2.303 ln4Hd 0.75 )(µH )各线度量的单位均为cmHcbL = 0.002H ( 2.303 ln2Hb + c+ 0.5 + 0.2235b + cH)(µH )雷击浪涌防护设计技术接地引线电感例：H=100cm，导体的横截面积均为35mm2.Hdd =6.68mmL = 2.8 uHcHL = 1.95 uHbb =35mm, c =1mm雷击浪涌防护设计技术减小寄生电感保护器件保护器件保护器件保护器件雷击浪涌防护设计技术减小寄生电感PCB板上防雷

21、器件的布局防雷器件安装点雷击浪涌防护设计技术天馈线避雷器并联放电管型高频信号防雷器原理结构示意图优点·价格较低缺点·通流量较低·老化放电管雷击浪涌防护设计技术天馈线避雷器四分之一波长型高频信号防雷器原理结构示意图优点·通流量大·无须维修缺点·价格高雷击浪涌防护设计技术室内设备防雷要点一次防护A）一次防护的机理是等电位保护；B）所有电缆出入建筑物时必须有避雷器到地C）所有避雷器的反应时间必须低于50nsD）等电位体必须有非常低的阻抗E）对接地电阻的要求不是非常严，当然能小于1欧姆更好，这样雷击电流泄放要快一些，等电位存在的时间和幅度也要

22、小一些。雷击浪涌防护设计技术室内设备防雷要点二次防护A）二次防护主要目的是将浪涌电流旁路到地，从而避免过电压冲击内部电路；B）二次防护的主要器件有放电管、压敏电阻、TVS等；C）防护器件应尽量靠近被保护端口；D）选择放电管时需要注意其延时、工频续流等问题E）选择压敏电阻需要注意其最大不动作电压、最高残压、额定峰值脉冲电流、标称工频电流等参数；F）选择TVS需要注意其峰值脉冲电流、额定截止电压、结电容等参数。雷击浪涌防护设计技术室内设备防雷要点一次防护与二次防护的配合A）一次防护安装在电缆进入建筑物处，二次防护安装在设备端口内，二者之间距离最好大于5m；B）当二者距离较近时，可以在二者之间串联电感（15uH左右）；C）一次防护的启动电压要略高于二次防护的启动电压；D）一次防护的通流量应远大于二次防护的通流量雷击浪涌防护设计技术室内设备防雷要点对防护装置的要求A）防护装置应具有良好的箝位效果。在设计允许的最大雷电流冲击下，防护装置的箝位电压应接近(13