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防雷电路原理及基础设计研究 - - 防雷电路原理及基础设计研究防雷电路原理及基础设计研究 目录 1.基本概念基本概念1 1.1问题背景1 1.2雷电和浪涌.1 1.3避雷器和浪涌保护器的异同 .2 2.浪涌保护器件及原理浪涌保护器件及原理3 2.1浪涌保护器类型 .3 2.2主要类型的原理及优缺点.3 3.基础浪涌防护电路基础浪涌防护电路6 3.1交流电源浪涌防护6 3.1.1最简单的防护电路.6 3.1.2较安全的防护电路.7 3.1.3通用的安全防护电路 .8 3.2通用两级信号防护电路.8 3.2.1双绞线型 .8 3.2.2同轴线型 .10 4.器件选取器件选取12 4.1常用参数12 4.1.1压敏电阻：12 4.1.2气体放电管12 4.1.3瞬变抑制二极管.13 4.1.4浪涌模块整体参数.13 4.2选用原则14 4.2.1通流容量选择14 4.2.2气体放电管14 4.2.3压敏电阻：15 4.2.4TVS 管 16 4.2.5温度保险管：16 5.参考设计参考设计16 5.1APC 排插保护电路.16 5.2其他参考18 6.补充资料补充资料19 防雷电路原理及基础设计研究 - 0 - 1.基本概念基本概念 1.1 问题背景问题背景 在购买排插的时候，经常看到不同品牌采用防雷排插和防浪（电）涌排插的买点说明，甚至同一 个品牌也有不同的描述，如图 1.1-1 所示。那么这些排插在防护上面有什么区别吗？ 图 1.1 -1 不同的排插说明 答案是：没有！ 在排插上所有的防雷和防浪（电）涌都是相同的东西，属于浪涌保护器，一般用于对于接入的电 网可能存在的过电压和过电流进行限制，以保护后端的接入设备。在电子技术领域，可以等效看待。 1.2 雷电和浪涌雷电和浪涌 雷击即大气中形成的自然放电现象。 在社会生活领域，根据放电位置的不同分为直击雷和感应雷。直击雷，带电云层（雷云）与建筑 物、其它物体、大地或防雷装置之间发生的迅猛放电现象。相对应的，感应雷，则是没有直接参与雷 电放电作用的物体中产生了高电压大电流的现象。 感应雷根据原理不同，分为静电感应雷和电磁感应雷。静电感应雷，是在带电积云接近地面时， 由于单一雷云带电的单极性，总是会在附近的金属导体上感应出大量的反极性束缚电荷。而金属导体 远离带电积云端会相应产生与雷电同级性的电荷，从而在金属导体与雷云之间，以及金属导体自身产 生出很高的静电电压（感应电压），其电压幅值可达到几万到几十万伏。电磁感应雷，则是由于雷电 放电时，巨大的冲击雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场引起的。这种电磁感应雷对建筑物内的 电子设备造成干扰、破坏，又或者使周围的金属构件产生感应电流，从而产生大量的热而引起火灾。 雷电的直击雷与感应雷原理如图 1.2-1 所示： 防雷电路原理及基础设计研究 - 1 - 图 1.2-1 直击雷和感应雷示意图 现代建筑由于避雷针的普遍使用，通常可以有效应对直击雷对建筑本身的直接危害。但在雷电电 磁脉冲（LEMP）经由这个路径释放的过程中仍然会在周围的线路中形成感应雷。根据距离泄放路径 远近的不同，形成的感应电压也不同，当其中形成的电压较低时可以被称作浪（电）涌。这也是排插 广告中防雷的来源。 另一方面，浪涌的产生并不仅仅限于感应雷，电网中的容性负载接入电路或者感性负载突然断开 等都会由于其特性在电路中瞬间的电流，这些属于电流浪涌。常见的如洗衣机启动，日光灯启动等都 会产生。 根据研究显示，平时电网中存在的浪涌，仅有 20%来自于雷击，其余 80%都是由于电网中其他用 电设备或者电网运行中产生的。 1.3 避雷器和浪涌保护器的异同避雷器和浪涌保护器的异同 了解了雷电和浪涌的关系就比较容易明确避雷器和浪涌保护器的关系。 a) 在电子电信领域：避雷器和浪涌保护器是完全相同的。 b) 在工业领域： 相同点：采用相同的原理对过电压和过电流进行保护，即接地保护 差异点： 防雷电路原理及基础设计研究 - 2 - 1） 避雷器有多个电压等级，从 0.38KV 低压到 500KV 特高压均有，而浪涌保护器一般只 有低压产品； 2） 避雷器多安装在一次系统上，防止雷电波的直接侵入，而浪涌保护器大多安装在二次 系统上，是在避雷器消除了雷电波的直接侵入后，或避雷器没有将雷电波消除干净时 的补充措施； 3） 避雷器是保护电气设备的，而浪涌保护器大多是为保护电子仪器或仪表的； 4） 避雷器由于接于电气一次系统上，要有足够的外绝缘性能，外观尺寸比较大，而浪涌 保护器由于接于低压，尺寸制作的可以很小。 2.浪涌保护器件及原理浪涌保护器件及原理 2.1 浪涌保护器类型浪涌保护器类型 根据浪涌的形成及其特性，才能有针对性的选择浪涌保护器件。 从组合结构分；现在市场上的浪涌保护器有几下几种： 1）间隙类开放式间隙、密闭式间隙 2）放电管类开放式放电管密封式放电管 3）压敏电阻类单片、多片 4）抑制二极管类 5）压敏电阻/气体放电管组合类-简单组合、复杂组合 6）碳化硅类 按照其保护性质有可以分为：开路式、短路式或开关型、限压型； 按照工作状态（安装形式）又可分为：并联和串联式。 2.2 主要类型的原理及优缺点主要类型的原理及优缺点 1. 开放式间隙保护器： 基于电弧放电技术，当电极间的电压达到一定程度时，击穿空气电弧在电极上进行爬电。 优点：放电能力强，通流量大（部分可达 100KA），同时漏电流小，热稳定性好 缺点：残压高，反应时间慢，存在续流。电极承受电流大，可能会引起金属升华或融化影响下一 次放电性能。 电路板上的放电间隙应用如图 2.2-1 所示。 防雷电路原理及基础设计研究 - 3 - 图 2.2-1 电路板上的放电间隙 2. 气体放电管： 它是由相互离开的一对冷阴板封装在充有一定的惰性气体（Ar）的玻璃管或陶瓷管内组成的.为 了提高放电管的触发概率,在放电管内还有助触发剂.这种充气放电管有二极型的,也有三极型的, 优点：体积小 通流能力强（10-15KA） 漏电流小 无电弧喷泻 缺点：残压较高，有续流，产品一致性差，反应时间慢 气体放电管如图 2.2-2 所示：又按封装形式分为陶瓷气体放电管和玻璃气体放电管。玻璃气体放 电管的响应速度更快，寄生电容更小，但绝缘阻抗相对较低，且通流能力弱于陶瓷放电管。玻璃同时 易碎可靠性差，因此已经较少使用。最新的半导体放电管（Thyristor Surge Suppressor - TSS 管） 可以提高电压响应速度和精度但通流能力大幅度减小。 图 2.2-2 陶瓷及玻璃气体放电管 防雷电路原理及基础设计研究 - 4 - 3. 压敏电阻： a)单片压敏电阻 单片压敏电阻避雷器是 80 年代由日本最先发明使用。直到现在，单片敏电阻的使用率也是避雷 器中最高的。压敏电阻避雷器的工作原理是利用了压敏电阻的非线性特点。当电压没有波动时氧化锌 呈高阻态，当电压出现波动达到压敏电阻的启动电压时压敏电阻迅速呈现低阻态，将电压限制在一定 范围内。 b)多片压敏电阻 由于单片压敏电阻的通流量一直不够理想（一般单片压敏电阻最大放电电流 20KA for 8/20s）， 在这种前提下多片组合压敏电阻避雷器产生，多片压敏电阻组合避雷器主要是解决了单片压敏电阻的 通流量较小，多片压敏电阻的产生从根本上解决了压敏电阻通流量的问题。 优点：通流容量大，残压较低，反应时间较快（25ns），无续流 缺点：漏电流较大，老化速度快。热稳定一般 电子领域常用的一般都是单片压敏电阻，如图 2.2-3 所示，其通流能力一般与其直径有关，常用 的为 10KA。 图 2.2-3 压敏电阻 4. 抑制二极管 TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR）或称瞬变电压抑制二极管是在稳压管工艺基础上 发展起来的一种新产品，其电路符号和普通稳压二极管相同，外形也与普通二极管无异，当 TVS 管 两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度（最高达 1*10-12秒）使其阻抗骤然降低，同时吸 收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能 量的冲击而损坏。 防雷电路原理及基础设计研究 - 5 - 优点：残压低，动作精度高，反应时间快，无续流，体积小 缺点：通流量小 表 2.2-1 几种保护器件的参数比较 3.基础浪涌防护电路基础浪涌防护电路 3.1 交流电源浪涌防护交流电源浪涌防护 3.1.1 最简单的防护电路最简单的防护电路 图 3.1.1-1 最简单的防护电路 防雷电路原理及基础设计研究 - 6 - 说明： 优点：电路简单，采用复合对称电路，共模、差模全保护， L、N 可以随便接。 缺点：压敏电阻 RV1 发生短路失效后易引起火灾。最好在每个压敏电阻上串联一个工频保险丝 以防压敏电阻短路起火。另外，由于压敏电阻具有较大的寄生电容，用在交流电源系统，会产生可观 的泄漏电流，性能较差的压敏电阻使用一段时间后，因泄漏电流变大可能会发热自爆。 如果 L、N 线不可能接反，则可省去压敏电阻 RV2、RV3，将放电管 G 的上端直接接到 N 线上， 构成“1+1”电路。 由于陶瓷气体放电管成本较高，一些较便宜的防浪涌排插通常仅使用单个压敏电阻。我们常用的 电源适配器中也是采用类似的方案，根据使用的不同的压敏电阻参数，可以防护 12KV 差模浪涌。 压敏电阻与陶瓷气体放电管串联使用，正常工作时陶瓷气体放电管不导通，压敏电阻没有漏电流， 可以大大延长使用寿命；受浪涌冲击时，陶瓷气体放电管首先击穿，然后由压敏电阻限制浪涌电压， 总的残压为两者之和，略有增大(几十伏);冲击过去后，由于压敏电阻限制了电流，放电管不能维持导 通而熄弧，恢复为正常工作状态;当压敏电阻短路失效后，因陶瓷气体放电管流过很大的工频电流也 会很快失效，但它的失效模式绝大多数是开路，因而不易引起火灾。 3.1.2 较安全的防护电路较安全的防护电路 图 3.1.2-1 较安全的防护电路 说明： 优点：采用复合对称电路，共模、差模全保护， L、N 可以随便接，正常工作时无漏电流，可延 长器件使用寿命，由于陶瓷气体放电管失效模式大多为开路，不易引起火灾。 缺点：万一压敏电阻和陶瓷气体放电管都短路失效时还有可能起火。 防雷电路原理及基础设计研究 - 7 - 3.1.3 通用的安全防护电路通用的安全防护电路 图 3.1.3-1 通用的安全防护电路 说明： 优点：采用复合对称电路，共模、差模全保护，L、N 可以随便接，安全，压敏电阻短 路失效后能与电路脱离，一般不会引起火灾。 3.2通用两级信号防护电路通用两级信号防护电路 3.2.1 双绞线型双绞线型 图 3.2.1-1 双绞线通用电路一 说明： R1、R2可以用普通金属氧化膜电阻（2W - 4.35.1），也可以用冷态电阻相当的正温 度系数热敏电阻（如：自恢复保险丝：LP60-010/030，LB180（U）。 当冲击电流不大时，可以采用玻璃气体放电管代替陶瓷放电管。 防雷电路原理及基础设计研究 - 8 - 图 3.2.1-2 双绞线通用电路二 说明： 本电路只适用于电路中没有连续直流电压的场合。红色框中为TSS管。 图 3.2.1-3 双绞线通用电路三 说明： 使用电压低的半导体过电压保护器时，必须如图所示在接地端串联玻璃放电管；当使用 电压高于100V的半导体过电压保护器时可以不串联玻璃放电管。 本电路只适用于电路中没有连续直流电压的场合。 图 3.2.1-4 双绞线通用电路四 说明： 本电路适用于传输高频/高速信号（最高频率可达20MHZ）。 防雷电路原理及基础设计研究 - 9 - 3.2.2同轴线型同轴线型 3.2.2.1 外导体接地电路外导体接地电路 图 3.2.2.1-1 同轴外导体接地通用电路一 说明： 电路带宽很宽，可以传输20MHZ以下的高频信号。 输入、输出接头应分别与原系统的接头类型相配。 图 3.2.2.1-2 同轴外导体接地通用电路二 说明： 本电路只适用于电路中没有连续直流电压的场合。 图 3.2.2.1-3 同轴外导体接地通用电路三 防雷电路原理及基础设计研究 - 10 - 说明： 本电路只适用于信号频率/速率较低，且电路中没有连续直流电压的场合。 3.2.2.2 外导体不接地电路外导体不接地电路 图 3.2.2.2-1 同轴外导体不接地通用电路一 说明： 电路带宽很宽，可以传输20MHZ以下的高频信号。 图 3.2.2.2-2 同轴外导体不接地通用电路二 说明： 本电路只适用于信号频率/速率较低的场合。 防雷电路原理及基础设计研究 - 11 - 4.器件器件选取选取 4.1 常用参数常用参数 4.1.1 压敏电阻：压敏电阻： 1. 压敏电压（U1mA）：指通过规定持续时间的脉冲电流（一般为 1mA 持续时间一般小于 400ms）时压敏电阻器两端的电压值。 2. 最大限制电压：在压敏能承受的最大脉冲峰值电流 Ip 及规定波形下压敏电阻两端电压峰值。 3. 残压比：通过压敏电阻器的电流为某一值时，在它两端所产生的电压称为这一电流值的残压。 残压比则是残压与压敏电压之比。 4. 通流容量(kA)：通流容量也称通流量，是指在规定的条件（规定的时间间隔和次数，施加标 准的冲击电流）下，允许通过压敏电阻器上的最大脉冲（峰值）电流值。 5. 漏电流(mA)：漏电流也称等待电流，是指压敏电阻器在规定的温度和最大直流电压下，流过 压敏电阻器电流。 6. 电压温度系数：指在规定的温度范围（温度为 2070）内，压敏电阻器标称电压的变化 率，即在通过压敏电阻器的电流保持恒定时，温度改变 1时，压敏电阻器两端电压的相对 变化。 7. 电流温度系数：指在压敏电阻器的两端电压保持恒定时，温度改变 1时，流过压敏电阻器电 流的相对变化。 8. 电压非线性系数：指压敏电阻器在给定的外加电压作用下，其静态电阻值与动态电阻值之比。 9. 绝缘电阻：指压敏电阻器的引出线(引脚)与电阻体绝缘表面之间的电阻值。 10.静态电容量（pF）：指压敏电阻器本身固有的电容容量。 11.额定功率：在特定的环境温度 85下工作 1000 小时，使压敏电压变化小于 10%的最大功率。 12.最大冲击电流(8/20us)：以特定的脉冲电流(8/20us 波形)冲击压敏电阻器一次或两次（每次间 隔 5 分钟）， 使的压敏电压变化仍在 10%以内的最大冲击电流。 4.1.2 气体放电管气体放电管 1. 响应时间：从外加电压超过击穿电压到产生击穿现象的时间。 2. 直流放电电压：在上升陡度为 100V/s 的电压作用下，放电管开始放电的平均电压值称为其直 流放电电压。由于放电的分散性，所以，直流放电电压是一个数值范围。 3. 冲击放电电压：在上升陡度为 1000V/s 暂态电压脉冲作用下，放电管开始放电的电压值称为 其冲击放电电压。放电管的响应时间或动作时延与电压脉冲的上升陡度有关，对于不同的上 升陡度，放电管的冲击放电电压是不同的 。 防雷电路原理及基础设计研究 - 12 - 4. 残压：当气体放电管在冲击放电电压下导通后，放电管两端在冲击电流下产生的电压。 5. 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 最大电流称为其工频耐受电流。 6. 冲击耐受电流（通流容量）：将放电管通过规定波形和规定次数的脉冲电流，使其直流放电 电压和绝缘电阻不会发生明显变化的最大值电流峰值称为管子的冲击耐受电流。这一参数是 在一定波形和一定通流次数下给出的，制造厂通常给出在 8/20us 波形下通流 10 次的冲击耐 受电流，也有给出在 10/1000us 波形下通流 300 次的冲击耐受电流。 7. 绝缘电阻和极间电容：放电管的绝缘电阻值很大，厂家一般给出的是绝缘电阻的初始值，约 为数千兆欧。绝缘电阻值的降低会导致漏流的增大，有可能产生噪音干扰。放电管的寄生电 容很小，极间电容一般在 1pF5pF 范围，极间电容在很宽的频率范围内保持近似不变，同 型号放电管的极间电容值分散性很小，测试条件为 1MHz 0.5V 电压。 8. 续流遮断时间：在规定的电路条件下，放电管经冲击放电后，从低阻抗导通状态恢复到高阻 抗绝缘状态所需要的时间。 4.1.3 瞬变抑制瞬变抑制二极管二极管 1. 击穿电压 UBR：瞬态抑制二极管通过规定的测试电流 IT（1mA）时的电压，这是表示瞬态抑 制二极管导通的标志电压。 2. 反向断态电压 URWM与反向漏电流 IR：反向断态电压(截止电压)VRWM表示瞬态抑制二极管不 导通的最高电压，在这个电压下只有很小的反向漏电流 IR。 3. 脉冲峰值电流 IPP：瞬态抑制二极管允许通过的 10/1000s 波的最大峰值电流（8/20s 波的峰 值电流约为其 5 倍左右），超过这个电流值就可能造成永久性损坏。在同一个系列中，击穿 电压越高的管子允许通过的峰值电流越小。 4. 最大箝位电压 UC：瞬态抑制二极管流过脉冲峰值电流 IPP时两端所呈现的电压。 脉冲峰值功 率 Pm：脉冲峰值功率 Pm 是指 10/1000s 波的脉冲峰值电流 IPP与最大箝位电压 VC的乘积， 即 Pm=IPP*VC 5. 箝位时间 TC：是从零到最小击穿电压 UBR的时间。对单极性 TVS 小于 110-12 秒；对双极性 TVS 小于是 110-11 4.1.4 浪涌模块整体参数浪涌模块整体参数 如本文开头所提到的浪涌防护排插等，通常已经集成了完整的防护模块，这些模块一般使用如下 参数进行浪涌防护性能说明： 1. 最大持续工作电压 UC：对于内部没有放电间隙的浪涌保护器，该电压值表示最大可允许加在 浪涌保护器两端的工频交流均方根（r.m.s）。在这个电压下，浪涌保护器必须正常工作，不 可出现故障，同时该电压连续加载在浪涌保护器上，不会改变浪涌保护器的工作特性。 2. 额定电压 Un：厂家设计该设备在正常工作下的电压，它可以用直流电压表示，也可以用正弦 交流电压的有效值（r.m.s）来表示。 防雷电路原理及基础设计研究 - 13 - 3. 最大通流量 Imax：防浪涌单元不发生实质性损坏，每线或单模块对地，过规定次数、规定波形 的最大限度的电流峰值。冲击通流容量一般不大于标称放电电流的 2 倍。 4. 标称放电电流 In：厂家出厂时标称浪涌保护器的 8/20 电流波形的的电流峰值。 5. 电压保护水平 UP：浪涌保护触发前，在它两端出现的最高瞬间电压值 6. 残压：放电电流通过保护器时，其端子见呈现的电压。 7. 反应时间：tA：在本质上，反应时间是依赖于浪涌保护器内部所采用的元器件的特性来确定的。 反应时间可能由于浪涌电压 dU/dt 或浪涌电流 dI/dt 的不同而有所限制。 4.2 选用原则选用原则 4.2.1通流容量通流容量选择选择 原则上应按可能遭受的最大暂态浪涌电流来选择，但要做到这一点是困难的。实用中无 非是按照使用场合，或是按照产品试验标准上规定的试验等级来选择压敏电阻。 按场合： 1kA（8/20s 电流波）的压敏电阻（或气体放电管）可用在可控硅整流器的保护上；3kA 的用在电器设备的浪涌吸收上；5kA 的用在对雷击及电子设备的过电压吸收上；10kA 的用 在对雷击的保护上。 按产品检验标准： 常用综合波（发生器开路输出时产生 1.2/50s 的电压波；短路输出时产生 8/20s 的电流 波；发生器的内阻为 2）来在线考核设备对抗浪涌干扰的能力。在 4kV 试验时，保护器吸 收的最大电流可达 2kA；对 6kV 的试验，吸收电流的最大值为 3kA。但在实际选择时，还应 当适当加大所选压敏电阻（或气体放电管）的通流容量。因为通流能力大的压敏电阻（或气 体放电管），在吸收同样大小的浪涌电流时，应当有相对较小的残余压降；同时，对选用的 压敏电阻（或气体放电管）来说，也有较大的保护裕度。 压敏电阻和气体放电管都必须按冲击 10 次以上的降额值计算通流容量（压敏电阻为一 次冲击通流容量的三分之一左右，气体放电管为最大通流容量的一半左右）。 4.2.2气体放电管气体放电管 气体放电管的通流容量根据 4.2.1 的介绍合理选取，当要求的通流容量3KA 时，可以使 用玻璃放电管。 气体放电管的续流遮断是设计电路需要重点考虑的一个问题。 续流遮断：指经过脉冲电流放电后，由电源系统维持的流经泄放路径的电流。气体放电 管在导电状态下续流维持电压一般为 2050V。在直流电源电路中应用时，如果两线间电压 超过 15V，则不可以在两线间直接应用放电管，在 50Hz 交流电源电路中使用时，虽然交流 电压有过零点，可以实现气体放电管的续流遮断，但气体放电管类的器件在经过多次导电击 防雷电路原理及基础设计研究 - 14 - 穿后，其续流遮断能力将大大降低，长期使用后，在交流电路的过零点也不能实现续流遮断。 因此，在交流电源电路的相线对保护地线、中线（主要应用于工作回路，零线所产生的电压 等于线阻乘以工作回路的电流。由于长距离的传输，零线产生的电压就不可忽视，作为保护 人身安全的措施就变得不可靠）对保护地线单独使用气体放电管是不合适的。在以上的线对 之间使用气体放电管时需要与压敏电阻串联。在交流电源电路的相线对中线的保护中基本不 使用气体放电管。 其他参数选择： 冲击放电电压一般情况下 min（UP） (23) Upeak （Upeak为电路上可能的峰值电压） 在直流条件下使用时：Upeak 1.8 UDC（UDC为线路正常工作的直流电压） 在交流条件下使用：Upeak 1.44 UAC（UAC为线路正常工作的交流电压有效值） 残压一般应低于被保护设备本身的耐压限度 Ub，如果达不到要求，则应考虑采用多级保 护的形式 4.2.3压敏电阻：压敏电阻： 压敏电阻的通流容量选择同样参照 4.2.1。 压敏电压 U1mA： 对交流电路，一般 min(U1mA) (2.22.5) UAC，（UAC为线路正常工作的交流电压有效值） 对直流电路，一般 min(U1mA) (1.62) UDC，（UDC为线路正常工作的直流电压） 对信号电路，一般 min(U1mA) (1.21.5) Umax，（Umax为线路中的信号峰值电压） 残压一般也应低于设备本身的耐压限度 Ub，若文件给出的为残压比 K 进行计算，则： Ub max（U1mA）*K 常用的选择参照下表：（选压敏电压高一点的更安全、耐用，故障率低，但残压也略高） 波动范围 额定电压 10% 1015% 1520% 2030% 30% 110V120 V 240V 270V 270V 300V 330V 220V240 V 470V 510V 560V 620V 680V 380V415 V 820V 910