雷电与浪涌防护及EMC电路设计ppt课件.ppt

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1、,1,1,雷电与浪涌防护及EMC电路设计,2,1. 雷电认识初步2. 雷电的产生3. 雷电的基本参数4. 雷电的防护5. 浪涌电压的产生与防护6. 静电的产生与ESD防护7. EMC电路设计,内 容 概 要,概 述,随着科学技术的不断进步，人类对雷电防护的意识也在不断加深，在雷电防护方面，人类已经开始从上个世纪的建筑防雷时代，走进产品防雷和信息防雷的时代。上个世纪80年代，我国开始从国外大量引进了建筑防雷技术，这些技术主要是关于建筑物和石油设施的防雷技术标准。我国在大量引进建筑防雷技术标准的同时，也不惜代价从美国LLP（雷电与防护公司）和ARIS公司引进了不少先进的雷电监测技术设备，最早引进这

2、些设备的地方有大庆油田、广西供电局，武汉高压研究所、兰州气象局、还有大兴安岭林区等。现在，这些雷电监测技术设备大部分国内都已经可以自己制造，目前，我国的很多地方气象站都已经安装了雷电监测技术设备，雷电给国民带来的损失也相对减少。下图是中国气象局的国家闪电监测系统。,3,这套设备安装有GPS定位系统，以及声、光、电测试设备，通过定点采样，可以把全国的雷电动态数据，如雷电闪击次数、雷电强度等，收集后进行计算机处理。GPS是实现信息防雷的基础，有了它就可以把全国的雷电分布做成电子地图。,目前，产品防雷技术和信息防雷技术正在世界范围内骤然兴起，人类社会从“建筑防雷”发展到“产品防雷”和“信息防雷”，这

3、是科技进步的必然结果。 早在20年前，我国就已经对产品的安全防护非常重视，并相应提出了很多安全标准，如CCEE认证（长城认证），现在，产品的安全防护已经纳入EMC技术标准中一起进行管理，随着科学技术的进步， 防雷技术与EMC技术的标准也将不断提高。希望从事电子产品设计的工程师不断提高产品安全的理念，以适应人们对安全要求的不断提高，而不是只为了满足某个标准，因为，技术水平的不断提高，相应的技术标准也要相应提高。 目前我国的低压配电设备普遍使用三相四线制（TN-C），这种供电系统现在还存在很大的不足。当这种供电系统被雷击到时，很容易给用户产生二次雷击，即，当雷电击中电网配电设备的高压输电线路时，会

4、在低压输电线路的中线中产生很高的浪涌电压。为了降低中线与电子设备保护地线之间的跨步电压，最好采用三相六线制，即：三条火线、一条中线、一条PE（保护）地线、一条等电位地线。后面两条地线以及中线，平时电位基本为零，但发生打雷时，等电位地线的电位与中线的电位一样，这样可以大大降低用电设备被雷击损坏的概率。,4,实践已经证明，很多雷击事故或火灾都是因为这种配电系统工作不安全引起的。特别是在城市郊区或农村，每年都有成千上万的电子产品被雷击损坏，主要原因就是城市郊区和农村大多数低压电网还是采用明线输电，这种输电线路很容易遭受雷击，或者遭受雷击后，由于中线不是采取多点接地，中线中产生的反击浪涌电压传输距离相

5、对会很远，使很多用电设备遭受二次雷击。现代电子设备功能越来越强，电路越来越复杂，元器件的密度越来高，但承受电磁干扰或感应电压的能力越来越低。如不对这些电子产品进行静电感应保护，或雷电感应保护，则通过ESD放电和二次雷击产生的浪涌电压脉冲，很容易就把这些电子设备损坏。目前，大部分电子设备都使用开关电源，其工作频率一般都很高，并且开关电源都是采用开关变压器、电感线圈等作为储能器件，这些器件的漏磁通对周围电路会产生电磁感应，很容易造成电磁干扰。特别是，开关电源一般都没有经过变压器隔离就直接与电网的线路连接，通过电网线路的传导和辐射作用，很容易使线路上的其它电子设备受到电磁干扰，不能正常工作。 因此，

6、目前电子产品的EMC问题，主要是开关电源的EMI（电磁干扰）问题。与此同时，开关电源也很容易受二次雷击产生的浪涌电压冲击损坏，对电子设备的雷电保护，首先也是对开关电源的安全保护。,5,我国的雷击浪涌抗扰度试验标准是GB/T17626.5（等同于国际标准IEC61000-4-5），欧洲为ITU-T K.20、ITU-T K.21、ITU-T K.45，美国雷击浪涌抗扰度试验的标准是ANSI/IEEEE C62.41、GR1089、FCC PART68、UL1449，相对来说，国外的技术标准要比中国的技术标准要严格很多，这也表示中国的总体科学技术水平相对还比较落后。目前我们国内使用的大多数电子产品

7、还不具备抵抗4000Vp以上的二次雷电浪涌电压的冲击，我国的很多地区，特别是农村或城市的郊区，配电设施的建设还很不规范，我国的三相四线制（TN-C）的弊端（地线与中线经常接错）也开始显露出来，每年被雷击损坏的各类电子设备不计其数，经济损失惨重，这要求我们的防雷意识还需进一步提高。防雷标准和EMC标准具有一定的代表性和普遍性，但完全符合现有的防雷标准和EMC标准的产品，并不一定能符合产品在特殊环境中的使用要求，例如，目前我国的产品防雷标准（GB/T17626.5），指明电子产品可分为五个等级进行雷电保护，但面对国内现有的三相四线制供电系统而言，这个标准是很低的，并且目前国内的大部分电子产品还不能

8、满足这个标准。,6,雷电危害简介,全球大约有4万多个雷暴中心，每天大约有8百万次雷击，每次雷击产生的能量可供一个100瓦的灯泡点亮3个月。在雨季，平均每6分钟就有一个人被雷电击中；每年有成千上万的人因雷电击中而丧伤。1992年6月22日，北京国家气象中心多台计算机接口因感应雷击被毁，损失二仟多万元。2004年6-8月份，我国共发生雷电灾害约6505起；造成人员伤亡997人(其中受伤544人，死亡453人) ，其中因雷击造成爆炸起火的有52起，造成建筑物受损350起，造成家用电器和办公电子电器设备受损2838起，造成供电故障362起，经济损失超过10亿元。2011年7月23日晚，杭深线D301次

9、列车与D3115次列车因雷电原因发生追尾事故，造成经济直接损失4亿多元。2011年1-8月，深圳市因雷电造成经济直接损失6000多万元。因雷电原因，每年全世界有数千万个电器设备被损坏，并造成数千亿元的经济损失。,7,我国地处温带和亚热带地区，雷暴活动十分频繁，全国21个省会城市年最多雷暴日均在50天以上，最多达到134天，雷电灾害是我国最严重的自然灾害之一。据有关部门统计，今年16月，全国共发生雷电灾害7000多起，造成直接经济损失1.3亿元，全国因雷击造成人员伤亡的事故240多起，致死363人、致伤216人。由雷电灾害引起的火灾爆炸事故400多起，建筑物受损300多起，电力行业遭雷击1700

10、多起，通讯行业遭雷击700多起，石化遭雷击200多起，各类贵重电器设备受损数达14000多件。,8,2011年7月23日D3315次和D301次列车在温州因雷击发生车祸,9,10,被雷电击坏的CRT电视机,被雷电击毁的平板电视机,11,12,被雷电击坏的电脑设备,迪拜塔遭雷击,13,1. 雷电的产生,雷电的概念，在古时候人们就是通过打雷的过程来认识的，直到今天，人们对雷电的认识还在不断深化过程中。我们从中学的物理书中就已经知道电子带负电，质子（原子核）带正电，但电子和质子只是带电，它们本身都不能代表电，因为在它们的周围还存在着电磁场，是电磁场支配着它们的运动，而电磁场究竟是什么东西？现在人们还

11、没有定论。所以，电是什么？目前还没有人能够给它下一个非常精确的定义，现在我们只能认为，电是物质运动的一种属性。通过试验和观测，比如：物质的裂变和聚变，两块磁铁以及两个带电物体之间的互相作用，还有地球在环绕太阳转动，现在人们已经知道，宇宙中最少存在四种作用力来支配宇宙中所有物质的微观运动。第一种力是核力，第二种力是磁力，第三种力是电场力，第四种力是重力。目前，人们对这四种力产生的原因，还不清楚，比如地球围绕太阳旋转，地球必须要受到一种力的作用，才有可能做曲线运动，但这种力目前还没有人知道它是怎么产生的，因此，人们都把这几个力的产生的原因归结为，是一种称为“场”的介质在起作用。如：磁场、电场、重力

12、场等。我们所看到的一切，都是物质微观运动时互相作用所呈现出的宏观景象（平均值），而更深层次的物质“微观”运动，我们现在还无法观测到，很多自然现象，我们现在主要还是靠用推理的方法来进行解释的，因为，目前我们还没有一种有效的方法来观测物质的“微观”运动。在宇宙中，电、磁场无处不在，概括地说，雷电和静电，都是通过电、磁场的作用而产生的。而电磁场也是一种物质，因为物质是力的载体，单纯的力是不存在的。,14,1.1 什么是电，电是什么,地球与电离层之间存在很强的电场，电场强度大约为：,E = 100V/米,地球与电离层之间相当于一个大电容器，电容量大约为1.1法拉。,地球本身也相当于一个大电容，它到无限

13、远处的电容量大约为： 80010-4 法拉。,15,在地球的周围充满着电场和磁场，这是造成很多大自然灾害的一个根源。,地球表面的所有物体，都相当于电容器中的电介质。,1.2 地球表面的电场,地球表面带负电，它带的电荷大约为4.5105库仑，电位大约为负4105伏。,1.3 电 场 感 应,电场强度,感应电压,U1、U2 分别为感应带电体的端电位，d为感应带电体的长度，所以，电场强度也成为电位梯度。,16,当某物体靠近另一带电物体时，就会被感应带电；一端带正电，而另一端则带负电，所以感应带电也叫极化带电 。,U1,U1,1.4 电场感应产生位移电流,当带电体的极性或电场方向改变时，被感应的导体中

14、就会产生位移电流。当导体中有位移电流流动时，在导体的周围，就会产生磁场，同时会产生很强的电磁辐射。,位移电流I等于电场强度E乘以迁移率m，即： I = Em由于感应导体中的电场强度每处都不一样，所以导体中位移电流大小每处都不一样。,17,1.5 实验证明空间电场的存在,-,+,E,-U1,+U1,-,E,-U1,把极化带电物体的一端接地，在物体中就会产生位移电流，位移电流的大小与物体的电容大小与电场强度有关，相当于对电容进行充放电。 把极化带电物体的一端接地，然后再把接地导线断开，物体就会带电。再把带电物体放进验电器的法拉第罩中，验电器就会指示物体带负电。,I,18,1.6 雷电的产生极化带电

15、,-,+,E,-U1,+U1,12,总体而言，世界上的所有物质都是属于电中性的，即其所带的正、负电荷代数和等于0 。但物体处于电场中时，电荷将要重新进行分布，一端带正电，另一端带负电，中间不带电，这叫极化带电。极化带电物体中的电位梯度等于电场强度。,形象地说，这里极化带电的物体就好比空中的一朵云。,19,-,+,E,-U1,+U1,-,+,E,-U2,+U2,1.7 雷电的产生 分离带电,20,在外力或强电场力的作用下。极化带电物体会产生分离，带电物体被一分为二，一个带正电，另一个带负电。,形象地说，被分离带电的两个物体就好比空中被风吹散的两朵云。,被分离的带电物体在电场中同样也要被极化，使一

16、端的电位要比另一端高，其电位梯度不变。,-,+,E,-U2,+U2,-,+,E,-U1,1.8 雷电的产生 极化带电体的组合,+U1,-U1,+U1,21,电场中的两个物体碰在一起的时候。其电荷也要重新分布。,形象地说，碰在一起的两个物体,就好比空中被风吹到一起的两朵云。,两个碰在一起的物体，电荷被重新分布之后，两端的电位，在数值上都比原来高，但其电位梯度还是不变。,+,-,1.9 雷电的产生 带电体的组合,22,电场中两个带负电（或正电）的物体互相碰在一起的时候。其电荷也要进行重新分布。两个带电物体互相碰在一起，相当于两个电容进行串联充放电。,形象地说，碰在一起的两个带电的物体, 就好比空中

17、两朵带电的云被风吹到一起。,两个带正电（或负电）的物体碰在一起，电荷被进行重新分布之后，带电端的电位，在数值上都比原来高，但其电位梯度还是不变。,电容与电容器完全是两个概念，电容只有一个带电体，而电容器中有两个带电体。,1.10 雷电的产生 ESD放电,23,两个带异性电荷的物体互相碰在一起，就会产生放电。 带电物体靠近地面建筑物的时候，也会产生放电，这种现象就是雷电，它会对人类造成很大危害。,2. 雷电的基本参数与输电设备的防雷,24,2.1 雷云的电荷分布,地球带负电，表示地球一直在接收宇宙外来空间辐射到地球的带负电微粒子，这些带负电的微粒子首先被雷云俘获，并被雷云中的正离子中和，因此，9

18、0%以上的雷电都是属于负极性的。 所谓雷电的极性，是指雷云下行到大地的电荷极性。 外来空间辐射到地球的带电微粒子产生的电流大约为1.4kA。这相当于地球通过电晕或雷电的方式，平均每秒钟从外来空间接收560兆焦耳的电能。,25,一架哥伦比亚飞机遭雷击,26,特别提示：在10005000米的高空是雷电活动最活跃的区域，雷雨季节，请大家少坐小飞机。,2.2 雷云的放电过程,雷云不是一个实体，而是一个被极化带电的松散体，一般雷云都有几个带不同电荷的中心，当第一个电荷中心放电时，其它电荷中心的电位梯度也将要相应改变，因此，当第一个雷电中心放电完毕后，第二个、第三个电荷中心也要紧跟着第一个电荷中心放电。打

19、雷时，经常会出现多条闪电亮线，每条闪电亮线就相当于一个电荷中心在放电。 下图是我国在年平均雷电日大于20日的地区测得1205个雷电流数据。我国的广西、广东、云南等地区雷电日超过90日，广东的雷州半岛和海南的雷电日高达100133日。,雷云放电过程中雷电流的变化情况,27,2.3 避雷针的工作原理与落雷密度,避雷针可以起到很好的先导引雷作用，先导引导作用的大小与避雷针的高度相关。雷击概率（N）和避雷针高度（H）之间的数量关系为： N0.015TK1K2H2104（次/年）式中： T当地年雷暴日数（d/a）； K1落雷不均匀系数，建筑物一般取：K11.52.0； K2建筑材料影响系数，金属材料一般

20、取：K20.15 。 结果表明：雷击概率与避雷针高度的平方成正比，这是由于电场强度与距离的平方成反比的缘故。,28,试验证明，在避雷针附近的雷击事故明显增多，所以“避雷针”这个名字并不名副其实，应该把“避雷针”改成“引雷针”才比较合理。当雷电击到避雷针时，在其周围会产生强大的电磁场，其周围的金属导线、电器、电子设备的天馈线、信号线、电源线等，以及金属门窗、金属物体、金属网格的裂缝、裂口处，都会产生很高的感应电压，这叫做二次雷击，或间接雷击。打雷时，雷云与大地之间的电位差高达数亿伏，当雷击到避雷针或地面设备时，在避雷针附近的地面还会产生很高的“跨步电压”，在避雷针周围的30米范围内，平均跨步电压

21、高达3万伏/米。这个“跨步电压”通过地线会对电子设备产生很高的“反击电压”，如果电子设备不加以防雷保护，将导致大量电器、电子设备被雷击损坏。由此可知，避雷针的作用主要是减小电子设备被直接雷击的概率，但却增加了电子设备被二次雷击的概率。因此，贵重电子设备一定要在电源输入电路中安装雷电防护电路，电子设备防雷主要是二次防雷。,2. 4 避雷针的防雷作用,29,高速公路上的路灯是很好的避雷工具，每隔20米安装一盏路灯，其避雷作用比照明还重要。,30,对比之下，因为普通公路上没有路灯，行走在公路上的车辆，很多都成为了雷击的靶子。,31,高度为537米的莫斯科电视台：平均每年遭雷击33次；在其建成后的4年

22、半时间中，遭雷击达143次之多，可见其高度号称为欧洲之最的莫斯科电视台，其遭雷击的次数也可称之为欧洲之最；以莫斯科电视台为中心，以1.5公里为半径的区域内的遭雷击几率为莫斯科其它地区（2.54.0）倍。高度为380米的纽约帝国大厦：平均每年遭雷击23次；高度为157.5米的美肯尼迪航天中心垂直装配楼：每年平均遭雷击4.3次；高度为84米的美肯尼迪航天中心脐带塔：平均每年遭雷击2.1次。以上数据表明，高度越高遭受雷击的概率就越大，当避雷针的高度高于周边的其它建筑设备时，其它建筑遭受雷击的概率可相应减小，或直接遭受雷击的损坏程度可以降低，从而起到保护其它建筑物的作用，但避雷针周边的电子设备，被二次

23、雷击的几率，却会成倍增加，这是值得我们特别注意的地方。,2. 5 避雷针的引雷作用,32,高压线之下，山林遭雷击,33,在高压输电线下面很容易引来雷击，是最不安全的地方。目前大多数高压输电线路都是不防雷的，它只在最后两公里的地方才开始防雷，其余地方难免要遭受雷击。,2.6 雷击在地面产生跨步电压浅析,雷云和地球都相当于一个充了电的电容，打雷时相当于两个充了电的电容在进行串联放电。地球对无限远处的电容为708微法，对电离层的电容大约为1.1法拉。上图是雷云和地球两个电容进行放电时的原理图。图中，Cy为雷云的等效电容，Cd为地球的等效电容，Rd为雷云对避雷针的放电电阻（这里看成是接地电阻），Rp为

24、地球表面的跨步电阻（单位距离的电阻），Rp两端的电压称“跨步电压”，Cp为地球表面的跨步电容，G表示电位等于零处，可表示为地球的中心。X表示地球表面的某个方向，-X表示另一方向。,34,2.7 雷击时地面电位的分布,打雷时，雷电落地中心区地电位会升高，地面的电位按指数规律进行分布，地面某处的电位为：,35,扇形系数P表示雷电落地的电阻是一个扩散电阻，电阻率随着落地距离在改变。打雷时，在避雷针附近（30米范围内），平均跨步电压高达3万伏/米以上。,地球是一个带电体，它所带的电荷主要集中在地球的表面，而球心的电位等于0；当我们把地球看成是“0”电位时，这个“0”电位与真正的0电位（地心的电位）实际

25、上是两回事。 假设雷云与避雷针（或避雷线）的距离为1公里，气体放电距离一般为10001500V/mm，由此可推算出雷云对地的电压为10万万伏以上。,供电设备或电器设备的外壳一般都要接地，这个接地电阻一般都比较容易测量，但雷电落地电阻就很难测量。一方面雷电是个数亿伏的高压脉冲，它会对落地附近的绝缘物体进行击穿或极化充电，这个阻抗用低电压试验是无法测量的；另一方面，地球和雷云都属于电容，雷云对地球放电后，地球表面的电位也要相应改变，两个电容在充放电的过程中，与之相关的阻抗都在变化。,上图为雷电从避雷针落地时对大地放电的等效电路，图(a)为雷电流通过避雷针向地球扩散；图(b)是图(a) 的等效电路，

26、图中，Rp为不随电压大小改变的纯电阻，E代表土壤中两种不同性质的导体产生的电池效应，Re为电池的内阻，D代表土壤中两种不同性质的物体互相接触时产生的二极管效应，Cx为土壤中两跨步导体之间的电容，Rc为电容内阻，GP为土壤的跨步击穿电压（大约为3000V/Cm）可等效成一个放电管，Rg为内阻，L为避雷针地线的分布电感，RL为电感内阻，GD为雷云击穿空气时等效成一个气体放电管； Cd为地球的等效电容，Cy为雷云等效的电容；图(c) 为图(b) 的进一步简化，Rv为图(b) 中AB 两端的等效电阻， 可称为扩散电阻，它的最小值可定义为冲击电阻Rx， Rx的值等于其两端（AB）最高电压与最大电流之比，

27、显然Rv与一般的接地电阻Rd的概念并不完全相符，一般Rx小于Rd。试验结果表明， Rd的最小值约等于4欧姆。,2.8 雷电落地的接触电阻,36,2.9 雷感应电流、电压的测试,37,雷击产生瞬间电流非常大，一般达数百kA，直接对流过避雷针的雷电流进行测量是很难的，但可以通过测量与避雷针并行导体的感应电流或电压（二次雷击），再折算出流过避雷针的雷电流。,流过避雷针的雷电流在避雷针附近的平行金属导线或导体上产生的感应电压可用下式表示：,式中：a 为平行金属导线相对避雷针的距离，以米为单位；di/dt 为雷电流的平均上升率，di 以kA为单位，dt 以s为单位；Vj 为与避雷针平行金属导线因避雷针的

28、二次雷击效应而产生的电压，以kV/m为单位。这里平行导线的长度约等于避雷针的二分之一。但一般认为，平行导线的长度应约等于 vdt（v为电流在导线中的速度）的时候，测试结果才比较准确。,2.10 中国雷电流幅值的概率分布,38,最大雷电流的大小，几乎与接地电阻的大小没有关系。因为，雷云放电时，数亿伏的电位差主要是降在空气放电的整个路程上，而空气被击穿之后，动态电阻很小，相当于一个稳压管。接地电阻的大小，主要影响雷电落地时，地面电位的高低。,2.11 雷云放电时，电位随时间变化的曲线,带电雷云相当于一个充满电的电容，打雷时，相当于电容通过地电阻对另一电容（地球）放电。雷云放电时电位随时间变化曲线与

29、地表面的电位分布曲线很相似。雷云的电位可由下式表示：,39,式中，uc为雷云的电位，Um为雷云放电前的电位，Tb为雷云放电达一半时对应的时间，R为雷云与地球的放电电阻，主要为落地电阻，因为空气被击穿后的动态电阻很小，C为雷云与地球之间的电容。 由于雷云与地球在宇宙中都不是一个孤立的带电体，而是处于一个很强的电场空间之中，因此，单独计算雷云与地球的电容都没有实用价值，雷云与地球之间的电容可根据实际试验数据求得。,或,2.12 雷云电容的计算,根据雷电流的测试数据，雷电流脉冲的宽度（30%Im）大约为50100uS，进一步参考“雷击浪涌抗扰度试验国家标准”GB/T17626.5（国际标准 IEC6

30、1000-4-5）：浪涌电压Up为6kV，0.5Up脉冲宽度为50uS，我们可以认为，大部分雷云放电脉冲的宽度也是50uS，那么，只需知道雷云的放电电阻，根据前面给出的雷云电位随时间变化的关系式，就很容易估算出雷云与地球之间的电容。 如果把Tb=50uS，并假设地电阻R=4欧姆（地电阻大约为410欧姆），代入雷云放电时的电位-时间函数式，则可以求得： 雷云与地球之间的电容: C = 17.875 uF （微法） 由于地球的电容要比雷云的电容大很多，两个电容串联后，总容量基本上还是偏向于小者，由此我们可以认为，雷云电容的平均容量约等于18微法（对4欧姆电阻放电）。这样，每次打雷的时候，我们都可以

31、看成是一个18微法的电容对地球放电。 上面计算结果，实际上还不能完全算是雷云的电容量，而只能算雷云电容的变化量（增量），因为雷云在放电过程中，由于空气放电的路经很长，空气击被穿后，虽然动态内阻很小，但残存电压非常大（相当于一个稳压二级管），当电压降低到某个值时，放电就会停止，因此，雷云在放电过程中并没有彻底放电，其释放的电量只是其总电荷的一部分，即雷云的总容量要远远大于18微法，但其在对地球的放电过程中，我们还是可以把它等效成一个容量为18微法的电容在对4欧姆电阻进行放电。另外，当我们分析二次雷击的情况时，我们还可以把雷击看成是一根长度为15公里长的传输线，被充上40006000Vp以上的电压

32、后，再向电子产品的输入电路放电。,40,2.13 避雷针容易引起二次雷击浅释,41,42,2.14 外部防雷系统遭雷击后容易引起二次雷击,2.15 乱拉电线容易引起雷击,43,防雷标准要求，各种入户线路不能外露，线路入户，最少要有一段大于20m长的线路从地下走。图中显然是违背了这个常理，所以很容易招致雷击。,2.16 因乱拉电线引雷击坏的电视机,44,2. 17 避雷针的保护范围,45,避雷针的保护范围是指，通过避雷针的引雷作用，使避雷针周围低于避雷针的建筑物，免受或降低直接雷击的概率，这个免受雷击的概率也可称为绕击率。 显然建筑物相对于避雷针的高度越低，受直接雷击的几率就越低。但由于避雷针的

33、引雷作用，反而增加了避雷针周边建筑物被二次雷击的概率，因此，不要把避雷针看成是电子产品的保护神，因为大多数电子产品都是安置于建筑物之中，直接受雷击的几率非常小，而安装避雷针之后，反而增加了被二次雷击的概率。,尽管50%的雷电流幅度小于50kA，但我国各地区雷电流幅值的分布密度还是有很大的不同。由于南方的雷电日要比北方多，相对来说，南方每年出现较大雷电流幅值的次数要比北方多很多，因此，防雷工作对南方数省来说更为重要。,2. 18 雷击脉冲在输电线上的电位分布,当雷击落到输电线路上时，相当于以行波的方式给传输电线输入了一个宽度为 的脉冲；当雷击脉冲刚刚结束时，相当于一个行波脉冲被存储于一根长度为d

34、的传输线之中（ ）。 当脉冲过去之后（ ），由于输电线再没有输入信号可存储，输电线开始释放能量，一部份能量以电流if继续向前传输，另一部份能量以电流ib向后传传输，在电位的峰值处，电流等于0，因为在输电线中，电流的大小与电位梯度dV/dt成正比。此后，脉冲宽度将变宽，但幅度将变低。,图中，L为输电线路的分布电感，C为分布电容；d为传输线的长度，v 为电脉冲传输速度， ，c为光速， 为导磁率， 为介电系数。假设，v等于0.75C，雷电脉冲的宽度为50uS，则d的长度大约为1115公里。 顺便指出，雷电波在地面传播原理与在输电线中传播的原理基本相同，但其速度v只有输电线速度的几十分之一，即雷电波d

35、的长度大约只有3001000m。,46,2. 19 雷击脉冲在输电线上的传输,当雷击脉冲落到输电线路上时，开始它会以行波的方式在输电线上向正反两个方向传播；当雷击脉冲刚刚结束时，相当于两个行波脉冲分别被存储于两根长度为d的输电线之中。 当脉冲过去之后，两段输电线都开始释放能量，一部份能量以电流if继续向前传输，另一部份能量以电流ib向后传传输，在电位的高峰处，电流等于0；在原来落雷的地方（Ui处）电流也等于0，因为两个返射回来的电流互相抵消。此后，两个脉冲的幅度将随时间按指数规律迅速降低，脉冲衰减的速度要比雷电脉冲只向一个方向（单方向）传输快很多。,47,2.20 输电线路的防雷,48,一般在

36、容易受雷击设备的上方都安装有避雷针或避雷地线，设备的外壳通过防护地线与大地连接，使外壳与避雷针基本同电位，防止发电机或变压器的线圈绕组被雷电（对地）击穿，这是最基本的雷电防护方法。但由于大地存在电阻，两条地线之间存在电位差，使每条地线之间的跨步电压都不一样，跨步电压会通过地线或电网的中线迭加到电子设备的电源输入端。 另外，如果电力变压器初级线圈线路被雷击中，通过电磁感应，在电力变压器的次级输电线路中也会产生非常高的共模和差模浪涌电压。,2.21 输电线路最后两公里的防雷,根据前面分析，当雷击脉冲落到输电线路上时，雷击脉冲的大部分能量都存储在长度为d的输电线路中（ ），如果在雷击脉冲还没有完全被

37、存储下来之前，就开始对雷电脉冲进行吸收，那么，雷击脉冲的大部分能量就不能在输电线中得以保存。对雷击脉冲最好的吸收时间就是雷击电流脉冲由幅值的0.1上升到幅值Vp所对应的时间，此时间一般为58uS，对应输电线的长度大约为15002500米。因此，在输电线路中最好在所需保护的线路段，每隔15002500米左右就安装一个避雷器。对于数百公里，甚至数千公里的输电线，则只需要考虑前后15公里之内的输电线路防雷即可，因为，在d距离之外，雷电的脉冲幅度将随着输电线路距离的增加，按指数式的规律迅速衰减。下图是一个户外输电线路的雷电防护电路。,图中，避雷地线的长度最好不要超过2km，否则避雷地线的落雷概率将增大

38、，并会在地面产生很高的反击电压。虚线避雷器表示可要，可不要。,49,2.22 低压输电设备被雷击时产生反击高压,我国低压输电变压器一般采用TN-C接线标准（如上图），当输电线路被雷击中时，设备接地的地面将产生非常高的反击电压，这个电压会以行波的方式通过输电中线向用户端传播，与此同时，通过接地电阻也会向地面的各个方向传播，因此，在用户端就会产生两个浪涌电压，一个是共模浪涌电压，另一个是差模浪涌电压，这两个浪涌电压的大小与用户跟输电设备的距离有关。,50,2. 23 雷击时中线与地面浪涌电压的比较,当传输信号线路的长度等于或者长于信号的波长（或脉冲宽度）时，我们就可以把信号看成是以行波的形式在传输

39、线中传输。 当雷击到输电线路上时，会在中线和地面产生很高的反击电压，这个反击电压会以行波（雷波）的形式，同时在中线和地面传播，但两者的传输速度是不一样的，行波传输的速度：式中：c为光速， 为导磁率， 为介电系数。 一般地面物质的导磁率为1020，介电常数为2080，因此，地波的传播速度只有光波的几十分之一。,51,由于雷电波在中线中传输的速度要比在地表面传输的速度快几十倍（2030倍），因此，在雷电脉冲宽度相同的情况下（ 50uS） ，雷电波在中线中传输的距离比较远（1115公里），而雷波在地面传输的距离相对比较近（约300600米），因此中线是产生浪涌电压的祸首。 雷击时，如果中线产生的浪涌

40、电压对15公里以内的用电设备均受到严重影响，则受地面跨步电压的影响一般只有几百米。这个结论我们也可从电磁场散射的原理来理解。,被二次雷击损坏的电子设备,52,53,3. 电子设备的雷电防护,按照接地的用途和性质，接地可以分为工作接地和保护接地两大类。工作接地，一般是指利用大地作为导线的接地，这种接地在大地中有电流流过。保护接地，主要有防止人体触电的保护接地、防雷接地、防静电接地、EMC接地等，这种接地一般很少有地电流流过。根据每种接地的功能或要求的不同，接地方法也不同，如果接地接错了地方，不但达不到良好的效果和要求，有时反而得到相反的结果。 下图是现今我国低压供电设备通常采用的TN-C线路图，

41、即三相四线供电原理图，这种配电线路，一般只考虑配电设备自身的安全，而对用户端的用电安全，基本不考虑。,54,图(a)，设备的外壳通过地线与大地连接，属于安全保护接地，图(b)，外壳没有进行防护接地。但两种情况对人的生命财产保护都是不安全的。图(a)的中线会与地线击穿打火，图(b)人体触摸外壳会触电。,图3-1,3.1 现有供电设备容易引起二次雷击的原因,3.2 现有各种接地方法的不足,55,图3-2,下图是国际上常用的低压供电设备采用的多种保护接地标准原理图，图中N为中线，PE为保护接地线。PEN既可做为中线使用，也可作为保护接地线使用。 显然，这些标准接地方法并没有把EMC接地的方法考虑进去

42、，如果仅从EMC方面考虑，EMC接地应该是就近接地，因此，下图中的中线是不宜作为EMC的地来使用的，把中线当地使用，虽然对防雷有一点好处，但也会在中线中产生严重的共模干扰。 最好的方法是令中线两端都接地，或多点重复接地，但在国内普遍上都没有这么做，并且很多用户的都没有把中线进行接地，即，不使用中线接地的PE功能。 我国的低压供电设备普遍采用TN-C系统，但大多数情况下，中线的PE功能都没有用，因此失去了基本的防雷功能。,3.2 现有各种接地方法的不足,先把中线接到等电位体上，等电位体每隔一定的步长就与地连接，然后家用电器的地线再与等电位体连接，这样可以达到非常好的防雷效果。 当配电设备被雷击中

43、后，中线的电位会升得很高，地面的电位也升得很高，但通过中线和大地同与等电位体连接，使中线与大地等电位，家电的接地端与等电位体等电位，从而达到非常好的防雷效果。 等电位的意思是：Ub与Uc，Ud与Ue等电位。,3.3 等电位体防雷技术,所谓的等电位体，就是多处与大地连接的导体，其跨步距离要小于25m，如自来水管就是非常良好的等电位体。等电位体对于EMC接地也具有非常良好的抑制共模干扰信号效果。,56,图3-3,3.4 对现有配电线路防雷技术的改进,57,图3-4,采用变压器隔离，可以大大减小雷击产生的反击高压。如图，如果由配电变压器直接输出电压，800kV的反击高压通过中线可传送15公里，采用隔

44、离变压器后，800kV的反击高压得先通过大地传送给隔离变压器的中线，而大地传送反击高压的有效距离大约只有500米，超过500米之后的能量已经很小，可以不用考虑。另外，单相变压器很容易进行静电屏蔽，这样可以减小雷电脉冲通过初次级线圈之间的分布电容感应产生的静电高压脉冲，这对EMC滤波更有利。单相变压器最好采取两组电压输出，中心抽头接地，这样可减小初次级线圈的静电感应，单边输出为110V，双边为220V，并且中线既可当0线(N)使用，也可以当保护线（PE)使用，对用户使用更便利。,3.5 对变压器进行静电屏蔽的必要性,上图是有静电屏蔽和无静电屏蔽的隔离变压器浪涌输出波形的比较。经静电屏蔽之后，图(

45、b)比图(a) 少了i3、i5两个共模电流输出，而多了一个电流i9入地，这样经过静电屏蔽以后，原来对用电设备构成威胁最大的i3、i4、i5、i7，只剩下i4、i7两个； i4、i7可以应用等电位体技术把它们消除，而i4、i5只能通过后面介绍的Y电容滤波电路来消除。 顺便指出，放电管G4、G5对i3、i4、i5、i7几乎是起不到抑制作用的，因为，C1、C2、C3分布电容的容量很小，流过它们的是与电压上升率非常高的充放电电流。,58,图3-5,3.6 电子产品雷击防护电路设计,59,雷电防护是一项非常复杂的系统工程，它涉及到供电系统中的所有环节，针对不同的用户，每个环节对防雷的要求也不一样。例如，

46、我国的电子设备雷击浪涌抗扰度试验国家标准（GB/T17626.5），主要是针对间接雷击（二次雷击）在电源线上感应产生的浪涌电压脉冲（标准为4000Vp/50uS，最高可选6000Vp/50uS ），对于直接雷击，数百万伏的高压脉冲落到被雷击物上，对于普通用户的设备，是防不胜防的。 目前我国的国民防雷意识还非常落后，防雷技术相对也很落后，比如，我国目前普遍使用的三相四线制配电系统（TN-C）进行供电，这种供电系统对二次雷击防护效能相对其它国家的三相五线制（TN-S）是最差的，很多雷击事故或火灾都是因为这种配电系统工作不安全引起的。特别是在城市郊区或农村，每年都有成千上万的电子产品被雷击损坏，主要

47、原因是城市郊区和农村大多数电网还是采用明线供电，这种供电线路很容易遭雷击。 在三相四线制配电系统，当雷电击中电网设备（供电线路）时，通过感应会在供电线路中同时产生共模浪涌电压和差模浪涌电压，另外，在直接遭受雷击的地方，通过地电阻的作用，会在电网的中线中产生很高的反击电压，相当于在用户电子设备的电压输入端与用户地之间迭加了一个很高的浪涌电压。 电子产品雷击防护电路的设计，主要任务就是在电子设备的输入端加接一个浪涌抑制电路，对电源线上因二次雷击感应产生的浪涌电压脉冲进行有效抑制，防止电子设备过压、过流损坏，或出现其它故障，影响正常工作。,3.6.1 电子设备雷击浪涌抗扰度试验标准,电子设备雷击浪涌

48、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

49、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。,60,3.6.2 雷击浪涌脉冲生成电路的工作原理,上图是模拟

50、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。,61,图3-6,3.6.3 雷击浪涌电压脉冲的基本参数,62,基本参数要求：（1）开路输出电压：0.56kV，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