雷击及过电压保护

雷擊及過電壓保護DATE:2007/07/20康舒電子(東莞)有限公司

1/14/2023雷电及其威胁雷电是雷雨云之间或在雷雨云与地之间产生的放电现象。由于雷雨云中不同部位聚集着不同极性的电荷，当电荷积累到一定程度时，在云团与云团之间，云团与地面之间会产生很强的电场，当电场强度达到空气击穿强度时，便会发生正负电荷之间的放电现象，这种瞬间的强火花放电就是闪电。闪电的雷击过程中产生了强大的雷电流（目前观测到的最大雷电电流幅值为430KA)和高电压（雷电通道两端电位差可达上万伏），雷电具有极强大的功率，从而构成一次爆炸过程。雷电直击到地面的建筑物和各种生物上，因其电效应，热效应和机械力会造成严重的破坏和灾害。雷电强大的破坏力，主要是由于它把雷云蕴藏的能量在极短促的几十微秒中释放出来，它的功率巨大。雷电威胁的主要对象:建筑物,人,设备。1/14/2023雷电电流英国标准BS6651-1999Characteristicsoflightning（雷电特性）一节有下面的论述：“给各种雷电参数给定一个范围比用‘平均’值来描述雷电更加简洁容易。雷电闪击造成损害的一个重要部分是回击（Returnstroke），回击的电流范围由2000A到大约200000A，并且发生在自然界的雷电频度分布概率可以用所谓的‘对数正态’分布方式表示如下：1%的雷击电流超过200000A；10%的雷击电流超过80000A；50%的雷击电流超过28000A；90%的雷击电流超过8000A；99%的雷击电流超过3000A；有的雷闪包含2次以上的雷击，这些雷击像单次雷击一样以50ms至100ms的时间间隔一个接一个的出现。极少数超过10次雷击的多重雷，放电持续时间可达1s。因此,为了设计雷电防护系统，下面的电流峰值（imax）最严酷的情况：Imax=200kA1/14/2023雷击路徑:(1)由供電綫路直擊或感應入侵由電力綫路輸入室內，電力綫路可能遭受直擊雷和感應雷。直擊雷擊中高壓電力綫路，經過變壓器耦合到220伏低壓；或由低壓綫路也可能被直擊雷擊中或感應雷過電壓。在低壓綫路上出現雷電過電壓(Surge)，對系統造成毀滅性打擊。

(2)由通信綫路入侵

可分爲三種情况：(1)當地面突出物遭直擊雷打擊時，强雷電壓將鄰近土壤擊穿，雷電流直接入侵到電纜外皮，進而擊穿外皮，使高壓入侵綫路。(2)雷雲對地面放電時，在綫路上感應出的過電壓，擊壞與綫路相連的電器設備，通過設備連綫侵入通信綫路。這種入侵沿通信綫路傳播，涉及面廣，危害範圍大。(3)若通過一條多芯電纜連接不同來源的導綫或者多條電纜平行鋪設時，當某一導綫被雷電擊中時，會在相鄰的導綫感應出過電壓，擊壞低壓電子設備。

1/14/2023(3)地电位反击雷擊時强大的雷電流經過引下綫和接地體泄入大地，在接地體附近放射型的電位分布，建筑地网的电位会瞬间升高到几十KV,而设备本身的相线、零线及信号线路都还处在一个比较低的电位，所以地线与相线和信号线之间存在的这个电压差就会同时施加到设备上，这个电压可能高达几十KV甚至几百KV，会把通信设备完全击毁或击坏。(4)空间电磁场建築物防直擊雷的避雷引入了强大的雷電流通過引下綫入地，在附近空間産生强大的電磁場變化，會在相鄰的導綫(包括電源綫和信號綫)上感應擊雷電過電壓。1/14/20231/14/20231/14/2023配电柜被损坏电路板及元器件损坏1/14/2023设备防雷保护预防措施：从前面分析可以看出通信设备的遭遇雷击的途径主要有四条：1）电源,信号线路；2）地电位反击3）空间磁场。

所以必须对每一条途径加以预防，才能保证安全，主要预防措施为：（1）针对电源线路在上加装电源避雷器予以预防；（2）针对信号线路，在上加装信号避雷器予以预防；（3）做等电位连接预防地电位反击；（4）利用设备金属外壳及接地来预防空间电磁场.这四条预防措施都是至关重要的。1/14/2023

綜合防雷1/14/2023防雷分区及防雷分级示意图1/14/20231/14/2023三级保护原理图1/14/2023国际标准总则 IEC61312-1防雷器的选择 IEC61312-3(pending)雷击保护 IEC61024-1设备保护 IEC61000-4-5低压防雷器的安装 IEC61643-1-2(pending)低压线路上的过电压IEC62066(pending)通信防雷器 IEC61644-2-1(pending)低压防雷器 IEC61643-1-1低压防雷器(法国标准) NFC61740低压防雷器(德国标准) VDE0675低压防雷器(美国标准) UL1449ANSIC62.41,C62.45低压防雷器(英国标准) BS66511/14/20231/14/2023

雷电测试电流比较表200µs350µs600µs800µs1000µs180µs20kA40kA60kA80kA100kA50kA23

1

2

3波形（µs） 10/350 8/80 8/20i峰值电流.kA 100 100 5QAs 50 10 0.1W/RJ/ 2.5·106 5·105 0,4·103相关标准 IEC61024-1-1 DINVDE DINVDE 0675T.6,E 0432T.2在同等峰值的情况下，一个由实验室电涌发生器所产生的10/350µs波形的总能量是8/20µs波形的17~25倍。1/14/20231/14/2023建立聯合接地系統，形成等電位防雷體系对地將建築物的基礎鋼筋，梁柱鋼筋，金屬框架，建築物防雷引下綫等連接起來，形成閉合良好接地的法拉第籠，將建築物各部分的交流工作地，安全保護地，直流工作地，防雷接地與建築物法拉第籠良好連接，避免接地綫之間存在電位差，消除感應過電壓産生的原因。1/14/2023通信基站之接地对于每个通信基站接地线和接地阻值进行详细的检查，检查内容包括：地网实际阻值、地网的实际位置、接地是否是联合接地、地网的覆盖面积、接地线的线径及引入情况、设备的接地情况及各处的连接情况。新建地网必须通过镀锌扁钢与建筑主钢筋及变压器地网可靠地连接在一起；将墙穿孔，把地线引入室内，地线引线套镀锌管暗埋引至设备安装处。被破坏的地面进行还原处理。如果通信基站地阻不合标准（>4Ω），则按等电位连接的原则进行重新施工；地沟开挖深度0.8米，埋地线（角钢）深度2.5米，角钢间距5米，采用规格不小于4×40mm的镀锌扁钢，沿通信基站四周铺设“网”状水平接地体（要求保持全长可靠的电气连通）；扁钢距地表距离0.8米.1/14/2023外部防雷系统

(接闪系统,引下线,基础接地极)1/14/2023功能性等电位连接分两种，其一是S型星形(通称一点)等电位连接，它适用于工作频率300kHz以下的模拟线路；另一种是M型网状(通称多点)等电位连接，它适用于MHz级的数字化线路在一栋建筑物中不應有独立接地体，在动态条件下实际上是把人身安全和设备安全放在第二位，这是不对的：应将人身安全放在第一位来处理接地和等电位连接。1/14/2023进出线缆端口的防雷等电位连接Z阴极保护输送管基础接地极等电位汇流排EBB水管燃气管电源外部防雷系统1/14/20231/14/2023MOV(MetalOxideVaristor)氧化鋅壓敏電阻.它是一種因外加電壓的改變而呈現非線性電阻變化的電阻器,具有雙向,對稱的V/I特性.金屬氧化物壓敏電阻器簡稱為MOV,是一種以氧化鋅為主體,添加多種金屬氧化物,經典型的電子陶瓷工藝制成的多晶半導體陶瓷元件.當壓敏電阻遭受瞬間過電壓時,壓敏電阻器會從穩定狀態(近似開路)轉向限壓狀態(高導電狀態).1/14/2023壓敏電阻的主要作用就是保護設備免受瞬時過電壓的破壞.典型V-I特性曲線如下圖所示.在預擊穿區,V/I特性近似線性關係,此時呈現高阻狀態,近似絕緣體,可看作開路.在上升區,呈低阻狀態,可以看作短路.小電流區中電流區大電流區1/14/2023

壓敏電阻的特點:

1.更好的熱特性:它由數百萬個P-N結組成,這種結構有更好的能量吸收能力和浪涌電流承受能力.2.反應速度快:傳導發生非常快,延時只在納秒級的範圍內,所以可以滿足任何實際需求.3.過溫條件下有穩定的限壓:壓敏電阻器的限制電壓在超過工作溫度範圍的情況下仍然幾乎保持恆定.當壓敏熱阻器的漏電流隨著元件本體溫度的升高而增加時,壓敏電阻器的限制電壓不會隨著溫度的改變而改變.4.電容值:比齊納二級管有更高的容值.在直流電路中,壓敏電阻的電容既可以起到去耦的作用又可以起到抑制瞬時過電壓的雙重作用.5.低成本.1/14/2023壓敏電阻應用:1.保護設備免受電源突波損壞可以成為理想的交,直流輸電線的突波吸收器.1/14/20232.感性負載開關時的零件保護:下圖中的晶體管是用於操作一線圈,電感性負載,儲存在電感中的能量,以晶體管反向偏壓釋放出來,可能損害晶體管.此時在晶體管集极上接入一壓敏電阻,以正偏壓方向釋放儲能,從而使晶體管免受破壞.3.延長繼電器接點的壽命:當電感性負載上的電流受到機械接點的中斷時,接點間的電壓升高,從而產生電弧,造成接點損害.壓敏電阻可以用來預防弧火的產生.4.集成電路的靜電放電(ESD)防護.信號噪聲抑制.1/14/2023MOV主要性能参数避雷器的額定電壓最大持续工作电压:是指可以连续施加于MOV的最大交流有效值电压或最大直流电压.通流容量(也可称为冲击通流容量)1)标称通流容量(标称放电电流IN):是指流过MOV的电流波形为8/20的电流峰值.2)最大放电电流IMAX:是指MOV能安全泄放的8/20波形涌流最大峰值.残压(限制电压):MOV施加规定波形及幅值的冲击波时,

在设备侧线路端子与接地端子间的电压峰值.标称导通电压:是指在施加恒定1mA直流电流的情况下,防雷器的起始动作电压.泄露电流1/14/2023标准:VDE0675等级:C最大持续工作电压UC:385V标称电压UN:230V标称放电电流IN：20KA（8/20µS）最大放电电流Imax：40KA（8/20µS）电压保护级别Up：≤1.5KV响应时间：≤25ns模块化设计高承受冲击能力高阻燃性(外壳采用热固材料）SPD(SurgeProtectionDevice)主要性能参数1/14/20231压敏电阻MOV2脱扣装置3外壳封装材料4连接器件SPD内部结构介绍1/14/20231/14/2023瞬態電壓抑制器(TransientVoltageSuppressor;TVS)亦称齐纳二极管，是一种专门用于抑制过电压的器件。其核心部分是具有较大截面积的PN结，该PN结工作在雪崩状态时，具有较强的脉冲吸收能力。正向特性與二极管相同,反向特性為PN結雪崩器件.Id:反向漏電流

Ir

擊穿電流Ipp

峰值脈衝電流Vwm:反向關斷電壓Vbr

擊穿電壓(雪崩電壓)Vc

最大峰值電壓

1/14/2023以下的原则选用适合的TVS器件：

1、反向關斷电压（Vwm）应等于或略高于电路的正常工作电压。这样可以确保不因TVS的接入而影响电路的正常工作。注意，在交流电路中，交流工作电压需乘1.4倍取其峰值来确定应选用的關斷电压。

2、反向击穿电压（VB）不小于电路的最大允许工作电压。如果在最大允许工作电压下，TVS进入击穿状态。将使电路中的漏电流增大，而影响电路的正常工作。

3、最大箝位电压（VC）必须小于电路的最大允许安全电压。即在箝位电压下，不会损坏电路中的任何元器件。

4、最大峰值脉冲功率必须大于电路内部或外部可能出现的峰值脉冲功率：

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气体放电管(GAS)采用陶瓷密闭封装，内部由两个或数个带间隙的金属电极，充以惰性气体（氩气或氖气）构成，基本外形如图所示。当加到两电极端的电压达到使气体放电管内的气体击穿时，气