雷击浪涌的原理

雷击浪涌的原理

雷击浪涌的防护

1、曳上设备雷击浪涌抗扰度试验标准

电子设备雷击浪涌抗扰度试验的国家标准为GB/T17626.5（等同于国际标准

IEC61000-4-5）o

标准主要是摸拉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）主电遮系统切类时产生的干扰（如电容器组的切换）。

（2）同一电网，在靠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圆管设备。

（4）各种系统性的故障，如设备接地联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;

另一种是在逋值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。

2、模拟雷击浪涌脉冲生成电路的I：作原理

上图是模拟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邕压，的脉冲产生电路。4kV时的单

脉冲能量为100焦耳。

图中Cs是储能更匿（大约为10uF,相当于雷云电容）；

Us为局压电源；

Rc为充电电阻；

过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而不同芒显有不同的参数要求，上图中的参数可根据产品

标准要求不同，稍有改动。

基本参数要求:

(1)开路输出电压：0.5〜6kV,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：0.25〜2kA,供不同等级试验用；

(3)内阻：2欧姆，附加电阻10、12、40、42欧姆，供其它不同等级试验

用；

(4)浪涌输出极性：正/负；浪涌输出与电源同步时，移相0〜360度；

(5)重复频率：至少每分钟一次。

雷击浪涌抗扰度试验的严酷等级分为5级：

1级：较好保护的环境；

2级：有一定保护的环境；

3级：普通的电磁骚扰环境、对设备未规定特殊安装要求，如工业性的工作场

所；

4级：受严重骚扰的环境，如民用空架线、未加保护的高压变电所。

X级：由用户与制造商协商确定。

图中18uF电容，可根据严酷等级不同，选择数值也可不同，但大到一定值之

后，基本上就没有太大意义。

10欧姆电阻以及9uF电容，可根据严酷等级不同，选择数值也不同，电阻最小

值可选为0欧姆(美国标准就是这样)，9uF电容也可以选得很大，但大到一

定值之后，基本上就没有太大意义u

3、共模浪涌抑制电路

防浪涌设计时，假定共模与差模这两部分是彼此独立的。然而，这两部分并非

真正独立，因为共模扼流圈可以提供相当大的差模电感。这部分差模电感可由

分立的差模电感来模拟。

为了利用差模电感，在设计过程中，共模与差模不应同时进行，而应该按照

一定的顺序来做。首先，应该测量共模噪声并将其滤除掉。采用差模抑制网络

(DifferentialModeRejectionNetwork)，可以将差模成分消除，因此就可

以直接测量英模噪声了。如果设计的共祗滤堂要同时使差模噪声不超过允许

范围，那么就应测量共模与差模的混合噪声。因为已知共模成分在噪声容限以

下，因此超标的仅是差模成分，可用共模滤波器的差模漏感来衰减。对于低功

率电源系统，共模扼洸圈的差模电感足以解决差模辐射问题，因为差模辐射的

源阻抗较小，因此只有极少量的电感是有效的。

对4000Vp以下的浪涌电压进行抑制，一般只需采用LC电路进行限流和平滑滤

波，把脉冲信号尽量压低到2、3倍脉冲信号平均值的水平即可。由于LI、L2有

50周电网电流流过，电感很容易饱和，因此，LI、L2一般都采用一种漏感很大

的共模电感。

用在交流，直流的都有，通常我们在电源EMI滤波器，开关电源中常见到,而

直流侧少见，在汽车电子中能够看到用在直流侧。

加入共模电感是为了消除并行线路上的共模干扰（有两线的，也有多线的）。

由于电路上两线阻抗的不平衡，共模干扰最终体现在差模上。用差模滤波方法

很难滤除。

共模电感到底需要用在哪。共模干扰通常是电磁辐射，空间耦合过来的,那么

无论是交流还是直流，你有长线传输，就涉及到共模滤波就得加共模电感。例

如：皿线好多就在线上加磁环。开关电源入口，交流电是远距离传输过来

的，就需要加。通常直流侧不需要远传就不需要加了。没有共模干扰，加了就

是浪费，对电路没有增益。

电源滤波器的设计通常可从共模和差模两方面来考虑。共模滤波器最重要的部

分就是共模扼流圈，与差模扼流圈相比，共模扼流圈的一个显著优点在于它的

电感值极高，而且体积又小，设计共模扼流圈时要考虑的一个重要问题是它的

漏感，也就是差模电感。通常，计算漏感的办法是假定它为共模电感的战，实

际上漏感为共模电感的0.5%〜4%之间。在设计最优性能的扼流圈时，这个误

差的影响可能是不容忽视的。

漏感的重要性

漏感是如何形成的呢？紧密绕制，且绕满一周的环形线圈,即使没有磁芯，

其所有磁通都集中在线圈“芯”内。但是，如果环形线圈没有绕满一周，或者

绕制不紧密，那么磁通就会从芯中泄漏出来。这种效应与线匝间的相对距离和

螺旋管芯体的磁导率成正比。共模扼流圈有两个绕组，这两个绕组被设计成使

它们所流过的电流沿线圈芯传导时方向相反，从而使磁场为0。如果为了安全

起见，芯体上的线圈不是双线绕制，这样两个绕组之间就有相当大的间隙，自

然就引起磁通“泄漏”，这即是说，磁场在所关心的各个点上并非真正为0。

共模扼流圈的漏感是差模电感。事实上，与差模有关的磁通必须在某点上离开

芯体，换句话说，磁通在芯体外部形成闭合同路，而不仅仅只局限在环形芯体

内。

一般CX电容可承受4000VP的差模浪涌电压冲击，CY电容可承受

5000Vp的共模电压冲击.正确选择LI、L2和CX2、CY参数的大小,就可以抑

制4000Vp以下的共模和差模浪涌电压。但如果两个CY电容是安装在整机线路

之中，其总容量不能超过5000P,如要抑制浪涌电压超过4000Vp,还需选用耐

压更高的电容器，以及带限幅功能的浪涌抑制电路。

所谓抑制，只不过是把尖峰脉冲的幅度降低了一些，然后把其转换成另一个脉

冲宽度相对比较宽，幅度较为平坦的波形输出，但其能量基本没有改变。

两个CY电容的容量一般都很小，存储的能量有限，其对共模抑制的作用并不很

大，因此，对共模浪涌抑制主要靠电感L1和L2,但由于LI、L2的电感量乜受

到体积和成本的限制，一般也难以做得很大，所以上面电路对雷电共模浪涌电

压抑制作用很有限。

图（a）中L1与CY1、L2与CY2,分别对两路共模浪涌电压进行抑制，计算时

只需计算其中一路即可。。对L1进行精确计算，需要求解一组2阶微分方程，

结果表明：电容充电是按正弦曲线进行，放电是按余弦曲线进行。但此计算方

法比较复杂，这里采用比较简单的方法。

假说，共模信号是一个幅度为Up、宽度为T的方波，以及CY电容两端的电压

为Uc,测流过电感的电流为一宽度等于2T的锯齿波：

流过电感的电流为:

流过电感的最大电流为:

在2T期间流过电感的平均电流为:

由此可以求得CY电容在2T期间的电压变化量为:

上面公式是计算共模浪涌抑制电路中电感L和电容CY参数的计算公式，式中，

Uc为CY电容两端的电压，也是浪涌抑制电路的输出电压，ZUc为CY电容两端

的电压变化量，但由于雷电脉冲的周期很长，占空比很小，可以认为Uc=A

Uc,Up为共模浪涌脉冲的峰值，q为CY电容存储的电荷，T为共模浪涌脉冲的

宽度，L为电感，C为电容。

根据上面公式，假设浪涌峰值电压UpXOOOVp,电容C=2500p,浪涌抑制电路的

输出电压Uc=2000Vp,则需要电感L的数值为1H.显然这个数值非常大，在实

际中很难实现，所以上面电路对雷电共模抑制的能力很有限，此电路还需进一

步改进。

差模浪涌电压抑制，主要是靠图中的滤波电感口、L2,和滤波电容CX,Lk

L2滤波电感和CX滤波电容等参数的选择，同样可以用下面公式来进行计算。

但上式中的L应该等于L1和L2两个滤波电感之和，OCX,Uc等于差模抑制输

出电压。一般，差模抑制输出电压应不大于600Vp,因为很多半导体器件和电

容的最大耐压都在此电压附近，并且，经过L1和L2两个滤波电感以及CX姬

滤波之后,雷电差模浪涌电压的幅度虽然降低了，但能量基本上没有降低，因

为经过滤波之后，脉冲宽度会增加，一旦器件被击穿，大部分都无法恢复到原

来的状态。

根据上面公式，假设浪涌峰值电压Up=4000Vp,脉冲宽度为50uS,差模浪涌抑

制电路的输出电压UcWOOVp,则需要LC的数值为14mHXuF。显然，这个数值

对于一般电子产品的浪涌抑制电路来说还是比较大的,相比之下，增加电感量

要比增加电容量更有利，因此最好选用一种有3个窗口、用矽钢片作铁芯，电

感量相对较大(大于20砒)的电感作为浪涌电感，这种电感共模和差模电感量

都很大，并且不容易饱和。顺便指出，整流电路后面的电解滤波电容，同样也

具有抑制浪涌脉冲的功能，如果把此功能也算上，其输出电压Uc就不能选

600Vp，而只能选为电容器的最高耐压Ur(400Vp)o

4、雷击浪涌脉冲电压抑制常用器件

避雷器件主要有陶瓷勺体放电管、氧化锌压敏电阻、半导体闸流管（毁）、浪

涌抑制电感线圈、X类浪涌抑制电容等，各种器件要组合使用。

气体放电管的种类很多，放电电流一般都很大，可达数十kA,放电电压比较

高，放电管从点火到放电需要一定的时间，并且存在残存电压，性能不太稳

定；氧化工辛压敏电阻伏安特性比较好，但受功率的限制，电流相对比放电管

小，多次被雷电过流击穿后，击穿电压值会下降，甚至会失效；半导体TVS管

伏安特性最好，但功率一般都很小，成本比较高；浪涌抑制线圈是最基本的防

雷器件，为防流过电网交流电饱和，必须选用三窗口铁芯；X电容也是必须

的，要选用容许纹波电流较大的电容。

气体放电管

气体放电管指过电压保护用的避雷管或逑开关管一类，管内有二个或多个电

极，充有一定量的惰性气体。气体放电管是一种间隙式的防雷保护元件，它用

在通信系统的防雷保护。

放电管的工作原理是气体间隙放电i当放电管两吸之间施加一定电压时，便在

极间产生不均匀电场：在此电场作用下，管内气体开始游离，当外加电压增大

到使极间场强超过气体的绝缘强度时，两极之间的间隙将放电击穿，由原来的

绝缘状态转化为导电状态，导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决

定的残压水平，这种残压一般很低,从而使得与放电管并联的电子设备免受过

电压的损坏。

气体放电管有的是以玻璃作为管子的封装外壳.也有的用陶瓷作为封装外壳，

放电管内充入曳气性能稳定的惰性气体（如氨气和制气等），常用放电管的放

电电极一般为两个、三个，电极之间由惰性气体隔开。按电极个数的设置来划

分，放电管可分为二极、三极放电管。

陶瓷二极放电管由纯铁电极、锲铭钻合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体等主要部件

构成。管内放电电极上涂覆有放射性氧化物，管体内壁也涂覆有放射性元素，

用于改善放电特性。放电电极主要有杆形和杯形两种结构，在杆形电极的放电

管中，电极与管体壁之间还要加装一个圆筒热屏，该热屏可以使陶瓷管体受热

趋于均匀，不致出现局部过热而引起管断裂。热屏内也涂覆放射性氧化物，以

进一步减小放电分散性。在杯形电极的放电管中，杯口处装有铜网，杯内装有

葩元素，其作用也是减小放电分散性。

三极放电管也是由纯铁电极、银格钻合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体等部件构

成。与二极放电管不同，在三极放电管中增加了银铭钻合金圆筒，作为第三

极，即接地电极。

主要参数:

(1)直流击穿电压。此值由施加一个低上升速率(dv/dt=100V/s)的电压值来

决定。

(2)冲击(或浪涌)击穿电压。它代表放电管的动态特性，常用上升速率为

dv/dt=lkV/us的电压值来决定。

(3)标称冲击放电电流。8/20us波形(前沿8us,半峰持续时间20us)的额

定放电电流，通常放电10次。

(4)标准放电电流。通过50Hz交流电流的额定有效值，规定每次放电的时间

为1s,放电10次。

(5)最大单次冲击放电电流。对8/20us电流波的单次最大放电电流。

(6)耐工频电流值。对8/20us电流波的单次最大放电电流。对50Hz交流电，

能经受连续9个周波的最大电流的有效值。

(7)绝缘电阻。对8/20us电流波的单次最大放电电流。对50Hz交流电，能经

受连续9个周波的最大电流的有效值。

(8)电容。放电管电吸间的电容，一般在2〜10pF之间，是所有瞬变干扰吸收

器件中最小的。

金属氧化物压敏电阻

压敏电阻一般都是以氧化锌为主要成分，另加少量的其它金属氧化物（颗

粒），如：骷、猛、锡等压制而成。由于两种不同性质的物体组合在一起，相

当于一个PN结（二极管）,因此，压敏电阻相当于众多的PN结串、并联组

成。

5、超高浪涌电压抑制电路

实例1

上图是一个可抗击较强雷电浪涌脉冲电压的电原理图，图中：Gl、G2为气体放

电管，主要用于对高压共模浪涌脉冲抑制，对高压差模浪涌脉冲也同样具有抑

制能力；见为压敏电阻，主要用于对高压差模浪涌脉冲抑制。经过Gl、G2和

VR抑制后，共模和差模浪涌脉冲的幅度和能量均大幅度降低。

GkG2的击穿电压可选1000Vp~3000Vp,VR的压敏电压一般取工频电压最大值

的L7倍。

GkG2击穿后会产生后续电流，一定要加俣险丝以防后续电流过大使线路短

路。

实例2

增加了两个压敏电阻VR1、VR2和一个放电管G3,主要目的是加强对共模浪涌

电压的抑制，由于压敏电阻有漏电流，而一般电子产品都对漏电流要求很严格

（小于0.7mAp）,所以图中加了一个放电管G3,使平时电路对地的漏电流等于

0oG3的击穿电压要远小于Gl、G2的击穿电压，采