电子设备电源系统防雷措施的探索与研究

1、电子设备电源系统防雷措施的探索与研究和丽霞（南京气象学院电子工程系，210044）摘要 本文分析了电子设备中电源系统（包括直流和交流）的雷电防护措施，并附带原理图的形式加以说明关键词 电源系统 防雷 措施分析Abstract The approach of lightning protection to the power system(including AC and DC) of the electronics are analyzed in this paper，with the picture attached.一引言建筑物内电子设备使用的交流电源通常是由供电线路从户外交流电网引入当雷

2、击于电网附近或直击于电网时，就会在线路上产生过电压波，这种过电压波沿着线路传入户内，通过交流电源系统侵入电子设备,造成电子设备的损坏。并且，这种雷电过电压也能从交流电源侧或通信线路传播到直流电源系统，危及直流电源及其负载电路的安全。随着各种先进电子设备在各类建筑物中的应用，对电子设备电源系统的防雷保护问题已越来越受到人们的关注。下面具体从直流电源和交流电源两部分分析着手分析其保护原理。二直流电源的保护措施分析从简单的晶体管到和集成运放电路到各种复杂的数字和微处理系统，几乎都要用到直流电源，因此暂态过电压对直流电源的危害将直接威胁到电子设备的安全。这就需要对直流电源采取暂态过电压防护措施。简单的

3、直流电源由电源变压器、整流器、滤波电容、稳压电路和其它一些配件组合。简单的直流电源过电压防护电路如图一 所示，在该图中M1、M2、M3、装设于电源变压器的原边，用于抑制来自交流电源线路上的共模和差模暂态过电压，雪崩二极管D1用于保护变压器副边的元器件，如整流器、滤波电容C和稳压器。D1的击穿电压应该略小于稳压器的最大容许输出电压和滤波电容的耐受电压，同时应大于正常运行时稳压器的最大输入电压。由于暂态过电压有可能出现在稳压器的输出端，例如暂态过电压波从信号线路经放大器到达稳压器的输出端，引起稳压器输入与输出端之间反向电压增大，这种反向过电压能够造成稳压器的损坏。因此，为了防护这种反向过电压，可采

4、用一只普通二极管D2跨接有于稳压器输出与输入端之间，采用D1与D2的配合来抑制这种反向过电压。图一：简单直流电源的保护电路开关电源及其暂态过电压保护电路如图二所示，在此图中，开关K1、K2常为双极晶体管或功率场效应管，控制电路能根据负载电压的大小来反馈控制K1、K2各自的闭合时间。由于来自交流电源侧的暂态过电压波能直接侵入整流器和开关K1、K2，对于这种开关电源的过电压保护将比对简单直流电源保护要困难写。一种可行的方法是在整流器的交流电源侧装两个压敏电阻M1、M2以及串联L-R支路，其中压敏电阻主要用于抑制共模暂态过电压，电感L(R为其线圈的电阻)用于抑制短持续时间的差模暂态过电压，以保护滤波

5、电容C1和开关K1与K2，L的数值一般可以取为几十到一百uH。在线间差模暂态过电压作用下，滤波电容C1上出现的过电压实际上包括三个分量：（一）由暂态脉冲电流对C1充电所引起的压降分量；（二）又暂态脉冲电流流过C1中等值损耗串联电阻产生的压降分量；（三）由暂态脉冲电流变化率在C1寄生电感上产生的压降分量。电感L即可限制暂态脉冲电流的幅值，又可限制暂态脉冲电流的变化率，因此可以有效的限制在暂态过程中C1上出现的过电压。当L的线圈电阻很小时，可以再外接一个电阻，使该串联支路的总阻值达到1欧姆左右，利用这个电阻可以限制开关电源在C1处于无电荷状态下接通时出现的涌流，也可以阻尼由L-C回路引起的振荡。为

6、了对C1提供一个附加的箝位限压措施，将雪崩二极管D并于C1两端，D也可以进一步降低作用在开关上的过电压，D与压敏电阻M1和M2以及它们之间的配合元件L、R实际上构成了一个两级保护电路。 图二：开关电源的保护电路三交流电源的保护措施分析交流电源首先涉及到配电变压器，因此，先介绍配电变压器的防雷保护措施。一方面可以防止变压器自身受到雷电过电压的损坏，提高向建筑物内电子设备的供电可靠性；另一方面可以防止雷电过电压波通过变压器传播到建筑物内的电源系统，使电子设备得到保护。配电变压器的保护接线如图三所示，在变压器的高、低压侧均装设避雷器。高压侧一般装三个普通阀型避雷器（FS-310），低压侧一般装三个氧

7、化锌避雷器（MY-470）。高压侧的三个避雷器应尽量靠近变压器，其接地端直接与变压器的金属外壳相连，以减少雷电暂态电流在寄生电感上产生的压降。当雷电过电压波沿高压线路传播到变压器时，高压侧避雷器动作，由于它们的接地端与变压器金属外壳及低压侧中性点都连在一起后接地，作用在变压器高压侧主绝缘上的电压只是避雷器的残压，而不含接地电阻及其接地引下线寄生电感上的压降。因此，仅在高压侧装三个避雷器尚不能完全保护变压器，原因在于：1.雷击于低压线路或低压线路受到附近雷击时的感应作用，使变压器低压侧绝缘损坏。2.雷击于高压线路或高压线路遭受附近雷击时的感应作用，此时高压侧三个避雷器动作，流过避雷器的雷电暂态电

8、流会在接地电阻及接地引下线寄生电感上产生压降，这一压降会作用在低压侧中性点上，而低压侧的出线此时相当于经出线波阻抗接地，因此这一压降的绝大部分加在低压绕组上，经电磁耦合，在高压绕组上将会按变压器的变比出现很高的感应电势。由于高压侧的出线端电位此时已被避雷器固定，同时在高压绕组中感应的电位分布在中性点呈现出最高值，这样就有可能造成变压器的绝缘击穿。这种由高压侧避雷器动作在低压侧造成高电位，再通过电磁耦合变换到高压侧的过程称为反变换过程。3.低压线路遭受雷电感应或直接雷击时，雷电过电压作用于低压绕组，并按变比耦合到高压绕组。由于低压侧上午绝缘裕度比高压侧大，有可能在高压侧先引起绝缘击穿，这一过程称

9、为正变换过程。为了抑制由正、反变换过程产生的暂态过电压，需要在低压侧也装三个低压氧化锌避雷器（压敏电阻），避雷器的接地应就近接在变压器的金属外壳上。这三个避雷器能够限制低压侧出现的暂态 过电压，从而也能有效的抑制正、反变换过程在高压侧产生的暂态过电压。在传统的配电变压器低压侧保护中常采用普通阀型避雷器（FS025），这种避雷器的保护效果不如氧化锌的好，氧化锌避雷器的主要优势在于：一是氧化锌避雷器不含间隙，无工频续流问题；二是氧化锌避雷器的箝位电压比普通阀型避雷器低，这对于保护其后面的电子设备是十分有利的;三是氧化锌避雷器自身有较大的寄生电容，其典型值约为2nF5nF，这种寄生电容能够与避雷器前

10、面的低压绕组出线电感构成低通滤波器，实现对暂态过电压的衰减。基于以上优势，氧化锌避雷器现已取代普通阀型避雷器而在配电变压器低压侧保护中得到广泛应用.图三：配电变压器的保护接线图四：单相交流电源的单级保护电路简单的单相交流电源单相保护电路由三个压敏电阻构成，如上图四所示。其中压敏电阻M1和M2用来抑制共模过电压，压敏电阻M3用来抑制差模过电压。对于火线L和中线N来说，M1和M2是串联在它们之间，在抑制差模过电压时，L与N两线间的箝位电压将为M1和M2的残压之和，如果仅采用这两个压敏电阻，则它们的残压之和将会对被保护的电子设备构成威胁，使之难以耐受。由于共模过电压能比较容易的通过隔离变压器或低通滤

11、波器来进行衰减，而差模过电压则不容易通过这些设备来衰减，因此较高的差模过电压就能不受限制的传输到被保护电子设备上，造成设备的损坏，这样就需要在L与N两线之间再加一个压敏电阻M3。在这三个压敏电阻中，M1和M2的型号和参数应选的一样，尤其是它们的参考电压和响应时间的实际值应尽可能接近，不能有较大的分散性，否则会因为它们的动作不一致而将共模过电压转化为差模过电压。在一些要求不太高的场合，可以仅用一个M3来抑制差模过电压，而将共模过电压由隔离器或低通滤波器来抑制。从而省去一到两个压敏电阻。为了改善保护性能，可采用压敏电阻与放电管串联支路来取代单个压敏电阻。在电源系统正常运行时，由于放电管的隔离作用压

12、敏电阻几乎无泄漏电流流过，这就大大减缓了压敏电阻因长时间流过泄露电流所产生的老化现象，同时在保证可靠切断放电管工频续流的前提下能够将压敏电阻的参考电压选的低一些，以降低起残压和箝位水平，提高对脆弱电子设备的保护可靠性。在这种串联支路中，对放电管的限制首先要求它在系统最高运行电压下不能放电，为此就要求放电管的直流放电电压Ufdc应大于系统最高运行电压Up，可估算min(Ufdc)>=12max(Up)；其次要求放电管在暂态抑制结束后能可靠灭弧，为此串联支路在系统最高运行电压作用下，压敏电阻中的电流Iv应小于放电管的熄弧电流值Ie。实际上只要在几个毫秒的短时间内Iv低于Ie就有可能灭弧。但为

13、了可靠起见，一般是让Iv连续低于Ie。在估算Iv时，取放电管在弧区压降的典型值20v，则压敏电阻上承受的电压为Up-20v，由于Up一般要比20v大的多，所以可近似认为压敏电阻上的电压值即为Up。根据压敏电阻的伏安特性数据可以确定在Up电压下压敏电阻中的电流Iv，并确定压敏电阻中的参考电压U1mA。如果所确定的Iv大于Ie，则需要另外选一个U1mA高一些的压敏电阻。如图五所示是一个220V单相电源和220/380V三相四线电源保护电路，为了减少放电分散性，在该图中采用的是三极放电管。图五:单相和三相电源的保护电路对于一些耐压水平较低的脆弱电子设备来说，单级保护不能满足要求。为了提高保护可靠性，

14、就需采用多级保护电路。多级保护电路为两级，包含泄流和箝位两个基本环节。第一级作为泄流环节，主要用于旁路泄放暂态大电流，将大部分的暂态能量泄放掉；第二级作为箝压环节，主要用于电压箝位，将暂态过电压限制到被保护电子设备可以耐受的水平，对于第一级泄流环节，要求所用的保护元件具有通流容量大和耐受脉冲冲击能力强的特点，因此放电管和压敏电阻均可作为候选元件，但用于220V/380V交流电源线路保护时，采用放电管会产生工频续流问题，它必须与其它的元件配合使用才行，而大容量的压敏电阻较好的满足这一条件。如果单个压敏电阻通流容量不够，还可以采用若干个大容量的压敏电阻并联来提高通流容量。对于第二级箝位环节，要求所

15、用的保护元件的伏安特性具有良好的非线性，且动作箝位后的残压要低。因此，压敏电阻和暂态二极管均可作为候选元件，但暂态二极管和压敏电阻相比其通流容量十分有限，且不容易与第一级保护元件的特性进行配合，所以在第二级中常采用压敏电阻。不过在一些脆弱电子设备的保护场合，由于暂态二极管的非线性特性比压敏 电阻好些，且其箝位电压水平也较低，因此也可以选用大功率的暂态抑制二极管作为第二级保护元件。要实现第一、二级保护特性的合理配合，需要在这两级间串入一定的元件，原则上，电阻和电感都可以作为候选元件。但 如果采用电阻，则当被保护设备的负载电流较大时，这个电阻必须相当小，才能是正常运行时电阻上的压降很小，不致影响到

16、被保护设备的正常工作电压，同时电阻的功率也应选的较大，以耐受较大的负载电流，这样就对电阻的选择提出了苛刻的要求，使之难以实施。如果采用电感，在正常运行时对电感值及功率都没有苛刻要求，只要求在暂态过电压脉冲冲击下电感值不能发生较明显的下降，这一要求可以通过对电感线圈的特殊设计和特殊绕制来达到。下面图六是一个单相交流电源的两级保护电路。在该图的第一级由M1、M2和M3三个压敏电阻构成，起着泄放暂态大电流和吸收暂态能量的作用，它们的参考电压可选为510V-600V，通流容量可选为8/20us、30kA脉冲电流冲击一次。第二级由M4、M5和M6三个压敏电阻构成，起着电压箝位的作用，它们的参考电压可选为

17、430V，通流容量可选为耐受8/20us、10kA脉冲电流冲击一次。介于这两级之间的配合元件采用的是电感L1和L2，它们的数值可取为几十uH。由波动的折、反射原理可知，当暂态过电压波进入保护电路并到达电感时，电感将能够产生与来波同极性的反射波，来波与反射波叠加将迅速升高第一级压敏电阻上的电压，促使其尽早动作泄流，同时电感也能够产生与来波反极性的暂态折射波分量来降低作用于第二级压敏电阻上暂态电压波波头上升陡度，来改善第二级压敏电阻的响应特性，使它们能有效的发挥箝位限压作用。另外，为了与串联电感构成低通滤波器，实施对暂态过电压的衰减，在第二级中加入并联电容C1、C2和C3，它们的电容值均为几十uF

18、额定电压约为450V-550V。低通滤波器与两级压敏电阻互相配合，能明显地改善整个保护电路的保护特性。 图六:单相电源的两级保护电路 图七:三相电源的两级保护电路低通滤波器能够对雷电暂态过电压波中的高频分量进行衰减，同时它对电源系统的正常工频运行状态的影响可以忽略，因此它在电源系统的防雷保护中具有一定的优势。如果将压敏电阻引入低通滤波器，可以是滤波器在原有滤波衰减功能的基础上，再增加泄流限压功能，从而使其整体保护功能有明显改善。下面简单介绍以下这种非线性低通滤波器在电源系统的雷电防护中的应用。图八：非线性低通滤波器的基本电路结构非线性低通滤波器基本电路包括两个保护环节。如图八所示。在第一级中，

19、两个型号和参数相同的压敏电阻M1和M2主要起抑制共模过电压作用，它们以串联形式对差模过电压也有抑制作用。电感L1和L2与压敏电阻M1和M2的寄生电容以及电容C2分别构成第一级的共模和差模低通滤波器，实施对暂态过电压中高频分量的初次衰减。在第二级中，共模扼流线圈L3的共模电感与电容C5和C6构成第二级共模低通滤波器，L3的差模电感与电容C1构成第二级差模低通滤波器。这两种模态下的低通滤波器对经第一级衰减剩余的高频分量进行再次衰减，压敏电阻M3实施对经第一级抑制后的差模过电压进行再次抑制。经过这两级抑制后，就可将沿电源线袭来的雷电暂态过电压限制到被保护电子设备可以耐受的水平。在图八中，电感L1和L

20、2要直接经受暂态过电压脉冲的冲击，它们的线圈一般应绕制成单层，而不宜绕制成多曾，以防止层间击穿。由于L1和L2又处在串联位置，这就 要求它们两端的工频压降很小，才不会影响正常的工频运行状态，所以L1和L2的数值不能过大。同时L1和L2和共模扼流线圈的共模及差模电感应当与各响应的电容在数值上取得配合，以便在两种模态下都能实现良好的低通滤波特性。通常L1和L2的数值约为几十到一百多uH，共模扼流线圈的共模电感值约为几到几十mH，C1和C2的数值约为05uF,C5和C6的数值约为2nF5nF,C5和C6的数值取得很小，其目的是在于减少正常工频运行状态下L线对地之间的工频泄漏电流。C1、C2、C5、C

21、6应采用自恢复介质的电容器，其耐压值应取在600V以上。图九：加阻尼后的改进保护电路结构图十：含气体放电管的改进保护电路结构在图八中由于使用了多个电容和电感，这些电容电感常会形成一些谐振回路。例如L3的共模电感与电容C5和C6以及压敏电阻M1和M2的寄生电容构成共模信号谐振回路。L3的差模电感和L1、L2与C1、C2构成差模谐振回路。另外，有许多电子设备的电源入口常接有电容，当采用非线性滤波器对这些电子设备进行保护时，这种入口处的电容与滤波器的电感构成谐振回路。这些不希望的谐振回路的产生使得非线性滤波器的滤波衰减性能受到损坏，明显的削弱了它对暂态过电压波高频成分的衰减。抑制谐振的常见做法是采用

22、电阻对谐振进行阻尼，如图所示即为阻尼后的非线性滤波器电路。在图九中，电阻R2用于阻尼由L1、L2和C1、C2及L3的差模电感所构成的谐振回路中出现的差模信号谐振，阻容支路R3-C3和R4-C4用于阻尼L3的共模电感与C5、C6以及M1、M2寄生电容所构成谐振回路中的共模信号谐振。电阻R5和R6与L3的两个线圈并联，且离滤波器输出端很近，它们主要用于阻尼由输出端所接电子设备电源入口处电容引起的谐振。电阻R7和R8的作用不是阻尼谐振，而是保护滤波器的安全，当滤波器不与被保护电子设备相连，且滤波器脱离电源线路时，R7是为充满电的电容C1和C2提供一条放电路径。滤波器中的C5和C6数值很小，所充电荷也很少，一般不需要另设电阻来提供放电通道。如果C3和C4较大，则需设电阻R8在一些特殊情况下，常要求滤波器的线与地间泄漏电流应很小，为此