电源和数据口的抗雷击设计.doc

电源和数据口的耐雷击保护设计一 雷电的形成和危害1. 雷击的形成我们知道，打雷、闪电（简称雷电）是带有一定数量正负电荷的云团（雷云）之间或云团对地进行的放电的一种自然现象。雷电的产生原因较为复杂，通常可以这样理解：电面上的水分受热变成水蒸气，连同空气中的水蒸气受热上升，在空中与不同冷热气团相遇，凝结成水滴或冰晶，形成积云。积云运动，在上下气流强烈的摩擦和撞击下，水滴电离，形成带正负电荷的水滴。微小的水滴带负电，也很容易被气流带走，形成带负电的积云，留下的较大水滴则形成带正电的积云。这种带电的积云也叫雷云。由于积云不断加大，云层中电荷越聚越多，正负雷云间形成强大电场（如图一所示）。同时由于静电感应，带电雷云临近地面时，大地或配电设施将感应出与雷云相反的电荷（如图二所示），同样形成强大电场。当电场强度达到25 30kV/cm时，雷云之间或雷云与大地之间的空气绝缘层将被击穿，发生先导放电，放电到达对方时发生“中和”作用，出现强大电流，可达数十万安培，这个电流也叫雷电流，其过程成为主放电过程。放电时间在1 4uS内温度急剧升高（可达2000C以上），周围空气强烈膨胀，出现耀眼光亮和轰响，这就形成了雷电，即打雷和闪电现象。2雷电的危害根据前面叙述可知，雷云之间在空中放电，不结束人、物时对人的危害不大。但是如果雷云对地面的建筑物放电，那么对人直接、间接的危害将是巨大的。1) 雷电破坏的三种形式l 直击雷这是指雷云直接对建筑物或电力装置放电，强大的雷电流通过这些物体入地时，将产生破坏性很大的热效应和机械效应，直接导致建筑物损坏和人畜死亡。这就是直击雷。l 感应雷这里指当雷云接近电力装置上方时，由于静电感应和电磁感应，雷云向物体由先导放电发展到主导放电的过程，物体上电荷被释放，产生数万安培的电流和上百万伏的电压。这将对电力装置造成极大的损坏。l 雷电波输电线路上遭受直击雷或发生感应雷时，要产生高电位雷电波。雷电波沿输电线侵入配电装置，将造成损害，这种雷电波侵入用户造成的事故占雷电事故一半以上，所以要严加防范。2) 雷电引起的几种效应由上可知，雷电不管以什么方式出现，其破坏力都是巨大的。对电力装置而言，它的破坏因素，主要有以下几个方面：l 热效应雷电在放电时，由于强大的雷电流作用，一般可产生数万度的高温，虽然只维持几十微妙，但足以引起电力设备、导线及绝缘材料起火。l 机械效应当雷电流形成高温时，使得它通过的易燃物品内部水分急剧汽化，气体又剧烈膨胀，产生强大机械力，使树木、建筑物遭破坏。另外当雷电流通过电器设备时，产生的电动力也可使电器设备变形，损坏。l 电磁感应由于雷电流的变化，它周围空间要陈胜强大的变化磁场，存在于这个变化磁场中的闭合导体，也将产生强大的感应电流，由于这一感应电流的人效应，会使导体电阻大的部分发热，引发火灾和爆炸。l 雷电反击一些防雷保护装置、电气设备、线路遭雷击时，都会产生很高的电位，如果彼此绝缘距离小，会产生放电现象，即出现雷电反击。发生雷电反击时，不但电气设备会被击穿烧坏，也极易引发火灾。l 跨步电压当雷电流入大地时，人在落地点周围20m范围内行走时，两腿之间会引起跨步电压，造成人体触电伤亡，尤其雨天，地面潮湿时更危险。3. 雷电的活动规律要了解雷电的活动规律，应先了解以下名词：雷暴日：指在一天当中只要听到雷声，就叫一个雷暴日，雷暴日通常用“d”表示。雷暴小时：指在一个小时内只要听到雷声，就叫一个雷暴小时。我国大部分地区一个雷暴日折合三个雷暴小时。少雷区：年平均雷暴日数不超过15d的地区。多雷区：年平均雷暴日数超过40d的地区。雷电活动特别强烈地区：年平均雷暴日数超过90d的地区及雷害特别严重的地区。雷电活动规律与雷暴日的多少、地区、时间有关。一般说来，热而潮湿的地区和山区，雷电活动多；冷而干燥的地区和平原地带，雷电活动相对较少。从时间看，早春夏、夏冬交接之际，由于湿度大，雷电活动较多。从我国各地雷电活动情况来看，南方沿海一带（如广州、南宁等地）降雨多，空气潮湿，雷电活动剧烈，一年内雷暴日可达87 88d；西北地区（如西安、乌鲁木齐等）干燥、寒冷，属于少雷区，一年内雷暴日在9 15d。另外，建筑物的结构和建筑地点与遭受雷击情况也有一定规律，旷野中孤立的建筑物和高耸的建筑物、金属结构的建筑物、有金属管道和大量金属设备的厂房、潮湿和地下水位较高的建筑物以及建筑物突出部位等，都是易受雷击的目标。二 防雷设计的有关技术参数及指标1 防雷设计中的有关技术术语及技术参数、1) 雷电保护区LPZLPZ是Lightning Protection Zone的缩写，即雷电保护区。雷电保护区按闪电对建筑物及设备、物品的电磁影响，划分为下述几个区域，如图3所示。LPZ0A区：此区域易遭受直击雷击，居于不衰减的电磁场存在。LPZ0B区：此区域不易遭受直接雷击，但也具有不衰减的电磁场存在。LPZ1区：此区域不易遭受直接雷击，在此区域内流过的雷电流与LPZ0B区相比，大大减少，此区域电磁场依屏蔽措施的不同而有衰减。、雷电保护区（LPZ2区等）：此区域雷电流及电磁场皆大大减小，此区域可根据被保护系统所要求的电磁环境来确定。LPZ区域的数字越高，则电磁环境参数越低。2 模拟雷电波技术参数模拟雷电波用来监测避雷器特性及有关装置、器材的抗雷击性能，其波形有严格要求和控制，常用电压峰值、电流峰值及波前时间T1和半峰值时间T2之比等来表示模拟雷电波的波形。1) 模拟雷电冲击电压波 模拟雷电冲击电压波如图4所示。图中：I. 视在原点O1指通过波前上A点（电压峰值的30%）和B点（电压峰值的90%）作一直线，与横轴相交之点。II. 时间T指电压波上A、B两点间的时间间隔。III. 波前时间T1指由视在原点O1到D点（=1.67T处）的时间间隔。IV. 半峰值时间T2指由视在原点O1到电压峰值，然后再下降到峰值一半处的时间间隔。2. 模拟雷电冲击电流波模拟雷电冲击电流波如图5所示。图中：I. 视在原点O1指通过波前上C点（电流峰值10%处）和B点（电流峰值的90%处）作一直线，与横轴相交之点。II. 时间T指电流波上C、B两点间的时间间隔。III. 波前时间T1指由视在原点O1到E点（=1.25T处）的时间间隔。IV. 半峰时间指由视在原点O1到电流峰值，然后再下降到峰值一半的时间间隔。3) 其他技术参数I. 避雷器的残压放电电流通过避雷器时，其端子间所呈现的电压。避雷器的残压要求见表1。表1 避雷器的残压类别 设备名称 额定电压（V）避雷残压峰值要求值（KV） 1电力电压器输入端 10000 45 660027交流稳压器输入端 220/3802.6 2市电油机转换器输入端 220/3801.3交流配电屏输入端低压配电屏输入端 3整流器输入端 220/3801.3交流不间断电源输入端注：标称放电电流为5KA等级； 标称放电电流为1.5KA等级。II 避雷器的持续运行电压在运行时，允许持久地施加在避雷器端子上的工频电压有效值。2. 通信电源系统耐雷击冲击指标1) 高低压电力电缆耐雷电冲击指标见表2表2 电力电缆耐雷击冲击指标电力电缆类型额定电压(V)模拟雷电冲击电压波电压峰值(KV)(1.2/50us) 高压电力电缆10000 75 6600 60 低压电力电缆 220/380 6注:对于高压电力电缆,是指在热状态下的耐受电压值,其雷击冲击耐受电压值不应超过相应电压等级电力设备的最高值.3) 根据设备安装地点和额定工作电压的不同,通信工程电源系统设备按耐雷电冲击指标可分为5类，如图5所示。3) 通信工程电源系统耐雷电冲击应不小于表3所示的数值。类别 设备名称额定电压（V）混合雷电冲击波模拟雷击电压冲击波电压峰值（KV）（1.2/50us）模拟雷电流冲击波电流峰值（KV）（8/20us） 5电力变压器 10000 75 20 6600 60 20交流稳压器 220/380 6 3 4市电油机转换器 220/380 4 2交流配电屏低压配电屏备用发电机 3整流器220/380 2.5 1.25交流不间断电源（UPS） 2直流配电屏直流-24V、-48V或-60V 1.5 0.75 1通信设备机架电源交流入口（由不间断电源供电） 220/380 0.5 0.25DC/AC逆变器 直流-24V、-48V或-60VDC/DC逆变器通信设备机架直流电源入口注：当设备安装在不同的环境下，应套用相应类别的指标。 三 电源线路中雷击波的两种表现形式1. 纵向（共模）过电压及纵向保护纵向过电压是指由于雷击等原因，使平衡线路与地线间出现的超过容许的电压，用来抑制此种过电压的保护称为纵向保护。如图6所示，三条相线和一条中线对地线的过电压即是纵向过电压，在电路上可认为纵向过电压是一种共模电压，纵向保护是相线和中线对地线都安装适当的电源SPD。1) 产生源纵向过压主要是于雷电产生的强电磁波在电力平行线上的感应所致，其主要表现为同相位和同电压（电流）。2) 产生几率由于雷电直接击中电力电缆的概率较低。所以电力电缆中的雷电波主要表现为纵向过压（过流），据统计，电源被雷击损坏的情况大部分是由纵向过压（过流）引起的。2) 危害纵向过电压主要加在电源或通信设备的以下各部件之间，并会通过其中最薄弱点放电，造成设备或电源损坏。2.1. 电源初级的各元气件与地之间2.2. 电源的次级各元气件与地之间2.3. 电源的初级与次级之间2.4. 电源的初级和次级与机壳之间 具体到每款电源，由于所采用的电路拓扑、器件以及PCB布线的不同，所以损坏的具体位置是不确定的。2. 横向（差摸）过电压及横向保护 横向过电压是指由于雷击等原因，使平衡线间出现的超过容许的电压，用来抑制此过电压的保护称为横向保护。如图7所示，三条相线间和三条相线分别对中线间的过电压即是横向过电压。在电路上可把这种过电压称为差模电压，1) 产生源 横向过电压主要由于雷击和电网本身因素等引起的。雷击主要引起纵向过电压，当在下列情况时雷击可引起横向过电压： 2.5. 各线对地的阻抗不一致，通常情况下中线以地为低阻抗（这与低压配电系统的接地制式有关）。因此，相线与中性线之间可能有较高的横向过电压。 2.6. 当纵向过电压保护器的动作不一致时，各线间会引起较高的横向过电压。关于此点，国际GB 7450-87电子设备雷击保护导则中有明确说明。 2.7. 电网本身因素主要是操作过电压，即电源开关（特别是较大感性负载的电源开关）动作时引起的横向过电压。此电压的高低主要由开关后的负载大小来决定。空调等都可引起较高的、对设备有害的过电压。3) 产生几率相线对中线的横向过电压产生几率较大，因相线与中线的阻抗一般不等，雷击时会引起横向过电压；而相线间的横向过电压发生几率较小。操作过电压一般也是在相线对中线之间。3) 危害横向过电压的危害比纵向过电压大。纵向过电压是将设备的绝缘击穿损坏设备，按相关标准最低要求，设备的绝缘为1500V。因此，纵向过电压只要不高出此电压，则设备不会损坏。四 电源的耐雷击改进措施和测试结果1. 电源的耐雷击改进措施由于设备的使用环境可能很复杂，许多应用场合无接地端，或接地效果很很差，这就给电源的防雷带来了相当的困难，针对二层交换机的实际使用环境，我们对所用的电源进行了以下改进。1) 横向（差模）雷击对于横向雷击，我们采用了经典防雷电路来改进电源的耐雷击性能。主要包括以下几个方面：l 完善的防雷电路拓扑结构。对于差模雷击，我们不仅在电源入口端加了SPD器件，并且在其后端的电路回路中设置了差模抑制电感，用于进一步减小差模浪涌。l 完善的电路保护措施。对于防雷电路部分和电源主转换部分分别采用了不同的保护措施，以保证无论在什么情况下，都不会产生起火等危险情况的发生。l 高质量的元气件。我们选用的SPD器件的容量都达到5KA的标准，并都是著名厂商的产品。l 合理的PCB走线。对于PCB走线的线宽、线间距以及走线方式都做了精心设计，使防雷电路能为雷电流的提供一个良好的多次泻放通道，而不会造成铜皮烧焦和脱落的现象。l 采用的完善的工艺设计。对于防雷相关的电路都采用了合理的工艺设计，以保证防雷电路安全而有效的工作。2) 纵向（共模）雷击对于纵向雷击过压，最好的抑制办法如图6所示，应在相线和地线之间加过压保护器件，把相线上的高压、大电流泻放到地上去。但由于在实际工程中，许多场合不具备良好的接地条件，也就是说无“地”可以用来泻放雷电流，这时就只能靠电源本身来“抗”雷击的能量。在多次实验的基础上，我们对电源进行了以下一些改进，以提高电源在各处的绝缘强度，以达到提高耐雷击性能的目的。改进措施主要包括：l 改进PCB走线，增大初级电源线与地线之间的距离l 增大共模扼流圈的容量，增强其对共模电流的抑制能力。l 加强变压器的绝缘强度，以防止变压器击穿。l 采用更高压等级的元气件。l 加大电源初级和次极之间的耦合电容的耐压等级。l 加强电源与机壳之间的绝缘强度，必要时采用在电源与机壳之间加绝缘片的方法。l 在电源的进线端，通过合理地调整PCB走线，使相线和地线保持合适的距离，并且有足够粗的线宽，以使得雷击波在此处放电，而不至于损坏电源内部器件。l 兼顾了电源的EMC性能和安全性，并未采用以牺牲电源的EMC性能和设备的安全性能来提高防雷效果的方案。 2. 电源的耐雷击性能测试方案和结果1) 测试方案测试方案是参照以下标准制定的：GB/T 17626.5-1999 idt IEC 61000-4-5:1995电磁兼容 试验和测量技术 浪涌（冲击）抗扰度试验Electromagnetic compatibility Testing and measurement techniques surge immunity test测试仪器采用的是GB/T 17626.5 8/20us 20KA冲击电流试验台。测试方法：每项测试正反各测试5次，每次时间间隔为1分钟。1) 测试结果l 线-线间(L1L2) 序号 冲击电流(8/20us)正向(5次) 反向(5次)实验结果 11KA PASS PASS PASS 2 2KA PASS PASS PASS 3 3KA PASS PASS PASS 4 4KA PASS PASS PASS 5 5KA PASS PASS PASSl 线-地间(L1-FG)序号 冲击电流(8/20us)正向(5次) 反向(5次)实验结果 11KA PASS PASS PASS 2 2KA PASS PASS PASS 3 3KA PASS PASS PASS 4 4KA PASS PASS PASS 5 5KA PASS PASS PASSl 线-地间(L2-FG)序号 冲击电流(8/20us)正向(5次) 反向(5次)实验结果 11KA PASS PASS PASS 2 2KA PASS PASS PASS 3 3KA PASS PASS PASS 4 4KA PASS PASS PASS 5 5KA PASS PASS PASS1) 结论从上面的测试结果可以看出，电源的耐雷击性能以达到并且超过相关的标准要求，具有较强的耐雷击能力。五 数据口防雷措施及测试结果1. 数据口的防雷措施数据口，我们设计了以下防雷措施：l 共有两级防雷电路，分别设置在隔离变压器前端和后端。第一级将雷击浪涌电压钳位在800V以内；第二级则将第一级的让通电压（残压）钳位在60V以内。l 在第一级防雷电路中，包含差模防雷和共模防雷。l 在两级防雷电路中采用了高性能的气体放电管和TVS器件，以保证防雷效果的可靠性。l 选用高绝缘强度的隔离变压器。l 在设计中考虑了数据线的平衡性问题