雷擊危害與防護(hù)新方案介紹_文庫

1、2014.10.目錄一、雷擊浪涌危害簡介二、雷擊對電子通訊設(shè)備的影響三、常用雷擊防護(hù)方案及元件四、雷擊浪涌防護(hù)新方案設(shè)計五、新方案測試報告六、雷擊浪涌防護(hù)新方案的應(yīng)用七、討論一、雷擊浪涌危害簡介 雷擊浪涌基本概念雷擊浪涌基本概念 雷擊浪涌危害表現(xiàn)形式雷擊浪涌危害表現(xiàn)形式 雷擊危害的防護(hù)雷擊危害的防護(hù) 電子設(shè)備的防護(hù)重點電子設(shè)備的防護(hù)重點 一、雷擊浪涌危害簡介 雷擊浪涌基本概念雷擊浪涌基本概念 雷電是自然界所發(fā)生的云間或云地間的高電壓、大電流放電現(xiàn)象，往往伴隨著巨大的能量釋放，當(dāng)該放電對建筑、設(shè)備、甚至人身安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響時，就形成雷擊浪涌危害。 每次雷擊往往是一個串行序列，由多次放電構(gòu)成，但一

2、般遵循能量遞減規(guī)律，放電時間幾十到幾百微秒，放電間隔在幾毫秒到上百毫秒范圍，首次放電最強(qiáng)烈； 隨著電子設(shè)備向集成化、小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、在線待機(jī)功能等方向的發(fā)展，雷擊危害的威脅表現(xiàn)得越來越嚴(yán)重； 雷電的形成與氣候、地形地貌、建筑等相關(guān)，有明顯的區(qū)域和季節(jié)特點，當(dāng)前建筑防雷規(guī)范的建立及實施遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于形勢的要求。 一、雷擊浪涌危害簡介雷擊浪涌危害的表現(xiàn)形式雷擊浪涌危害的表現(xiàn)形式 直擊雷直擊雷：放電直接作用于保護(hù)目標(biāo)，使其成為放電端或放電通道的一部分； 間接雷間接雷：放電電流并不直接通過保護(hù)目標(biāo)，但雷擊過程產(chǎn)生的高壓、漏電流、地電位反擊、耦合能量等會對保護(hù)目標(biāo)產(chǎn)生影響；感應(yīng)雷感應(yīng)雷：主要是放電時

3、產(chǎn)生的空間電磁場變化通過耦合方式在保護(hù)目標(biāo)內(nèi)產(chǎn)生高壓或大電流沖擊。云間放電也可能對保護(hù)目標(biāo)產(chǎn)生感應(yīng)雷擊，大大增加了威脅范圍和程度；云間放電也可能對保護(hù)目標(biāo)產(chǎn)生感應(yīng)雷擊，大大增加了威脅范圍和程度；次生危害次生危害：火災(zāi)、次聲波、沖擊波、機(jī)械結(jié)構(gòu)損害等。 感應(yīng)雷強(qiáng)度不僅與放電強(qiáng)度相關(guān)，與距離、方向、耦合回路狀態(tài)關(guān)系也很大。感應(yīng)雷強(qiáng)度不僅與放電強(qiáng)度相關(guān)，與距離、方向、耦合回路狀態(tài)關(guān)系也很大。 據(jù)測算，據(jù)測算，400400米高空米高空100KA100KA云間放電，在云間放電，在500500米長架空明線上可產(chǎn)生米長架空明線上可產(chǎn)生2KV2KV的線間感應(yīng)沖擊；的線間感應(yīng)沖擊； 對于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來說，感應(yīng)雷擊的

4、威脅更為顯著。對于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來說，感應(yīng)雷擊的威脅更為顯著。一、雷擊浪涌危害簡介 雷擊危害的防護(hù)雷擊危害的防護(hù) 建筑防護(hù)：避雷/引雷系統(tǒng)，盡可能將雷擊電流引入大地 一級防護(hù)： 初級SPD，建筑入口保護(hù) 二級防護(hù)： 次級SPD，用戶入戶保護(hù) 三級防護(hù)： 三級SPD，設(shè)備端口防護(hù) 一級防護(hù)必須考慮到建筑內(nèi)的各種安全，例如易燃易爆物品、人身安全等，一般要求一級防護(hù)必須考慮到建筑內(nèi)的各種安全，例如易燃易爆物品、人身安全等，一般要求100KA10/350us100KA10/350us以上的防護(hù)等級以上的防護(hù)等級 對于電子設(shè)備的三級防護(hù)來說，主要是保證設(shè)備自身的安全，要求可以比一、二級防護(hù)適對于電子設(shè)備的三級

5、防護(hù)來說，主要是保證設(shè)備自身的安全，要求可以比一、二級防護(hù)適當(dāng)降低，但從實際使用經(jīng)驗來看，在雷擊頻發(fā)地區(qū)，國標(biāo)當(dāng)降低，但從實際使用經(jīng)驗來看，在雷擊頻發(fā)地區(qū)，國標(biāo)GT17626.5GT17626.5所定義的所定義的4KV4KV（2KA2KA）偏）偏低，保護(hù)能力不足。低，保護(hù)能力不足。 普通用戶很少具備完善的雷擊防護(hù)系統(tǒng)，一般僅具備建筑防護(hù)，少量具備一級防護(hù)，極個普通用戶很少具備完善的雷擊防護(hù)系統(tǒng)，一般僅具備建筑防護(hù)，少量具備一級防護(hù)，極個別采用了二級防護(hù)。別采用了二級防護(hù)。二、雷擊對電子通訊設(shè)備的影響 雷擊對電子通訊設(shè)備的威脅雷擊對電子通訊設(shè)備的威脅 雷擊信號的饋入方式雷擊信號的饋入方式 雷擊信

6、號的關(guān)鍵影響雷擊信號的關(guān)鍵影響二、雷擊對電子通訊設(shè)備的影響雷擊對電子通訊設(shè)備的威脅雷擊對電子通訊設(shè)備的威脅目前的電子通訊設(shè)備應(yīng)用主要依托于網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所構(gòu)成的電氣互連更容易耦合并引入雷擊信號電子設(shè)備的小型化、低功率化使其浪涌耐受能力下降雷擊所導(dǎo)致的設(shè)備軟、硬故障給運營帶來嚴(yán)重問題電子設(shè)備防雷相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重滯后于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所提出的需求 典型事例之一：國內(nèi)某知名通訊設(shè)備公司早期出口南美的通訊設(shè)備，就因其高密度、典型事例之一：國內(nèi)某知名通訊設(shè)備公司早期出口南美的通訊設(shè)備，就因其高密度、大能量、大范圍的雷擊導(dǎo)致極高的故障率，最后不得不對設(shè)備防雷方面的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)大能量、大范圍的雷擊導(dǎo)致極高的故障率，最后不得不

7、對設(shè)備防雷方面的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂并在設(shè)備上增加額外的防雷措施。進(jìn)行修訂并在設(shè)備上增加額外的防雷措施。 典型事例之二：國內(nèi)某地廣電數(shù)字化改造所采購的某廠商機(jī)頂盒，在舊城區(qū)推廣時，典型事例之二：國內(nèi)某地廣電數(shù)字化改造所采購的某廠商機(jī)頂盒，在舊城區(qū)推廣時，保修期內(nèi)的設(shè)備損壞率超過保修期內(nèi)的設(shè)備損壞率超過6060，主要也是由于雷擊影響造成。，主要也是由于雷擊影響造成。二、雷擊對電子通訊設(shè)備的影響雷擊信號的饋入方式 電源母線饋入 信號線纜饋入 保護(hù)接地饋入 根據(jù)經(jīng)驗，對于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來說，電源母線饋入是威脅最大的雷擊信號引入方根據(jù)經(jīng)驗，對于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來說，電源母線饋入是威脅最大的雷擊信號引入方式，特別是在架空

8、明線供電的場合。主要是由于架空線纜距離長、回路面積式，特別是在架空明線供電的場合。主要是由于架空線纜距離長、回路面積大，因此容易耦合高強(qiáng)度的雷擊信號；其次就是電力線纜寄生阻抗小，大部大，因此容易耦合高強(qiáng)度的雷擊信號；其次就是電力線纜寄生阻抗小，大部分耦合雷擊功率都要通過負(fù)載設(shè)備消耗，因此設(shè)備受到的威脅也就最大。分耦合雷擊功率都要通過負(fù)載設(shè)備消耗，因此設(shè)備受到的威脅也就最大。 對于光纖接入，基本上不存在信號線纜饋入和保護(hù)地饋入問題。對于分配端對于光纖接入，基本上不存在信號線纜饋入和保護(hù)地饋入問題。對于分配端輸出，由于采用了屏蔽線纜，并且傳輸距離比較短，因此耦合信號相對小很輸出，由于采用了屏蔽線纜

9、，并且傳輸距離比較短，因此耦合信號相對小很多。多。 因此，對于接入網(wǎng)或分配網(wǎng)應(yīng)用，防雷措施主應(yīng)要針對電源母線。因此，對于接入網(wǎng)或分配網(wǎng)應(yīng)用，防雷措施主應(yīng)要針對電源母線。二、典型雷擊防護(hù)方案 電子設(shè)備典型的雷擊電子設(shè)備典型的雷擊 保護(hù)方案保護(hù)方案 常用保護(hù)元件及特點常用保護(hù)元件及特點 典型保護(hù)方案的特點典型保護(hù)方案的特點 三、典型雷擊防護(hù)方案 典型電源端口保護(hù)電路：典型電源端口保護(hù)電路：三個壓敏電阻VDR，一個氣體放電管GDT（Voltage Dependent Resistor） （Gas Discharge Tube) ： GDTGDT作用：一是保護(hù)地浮動，造成火地、零地電壓離散大，作用：一

10、是保護(hù)地浮動，造成火地、零地電壓離散大，VDRVDR漏電不可預(yù)期漏電不可預(yù)期 二是滿足高壓測試的要求，避免高壓測試漏電流超標(biāo)二是滿足高壓測試的要求，避免高壓測試漏電流超標(biāo) 該該GDTGDT規(guī)格要求比較高，導(dǎo)致其成本相對來說比較高規(guī)格要求比較高，導(dǎo)致其成本相對來說比較高 部分場合，部分場合，GDTGDT被省略，火被省略，火/ /零線直接通過壓敏電阻到保護(hù)地，可靠性？零線直接通過壓敏電阻到保護(hù)地，可靠性？三、典型雷擊防護(hù)方案改善的電源端口保護(hù)電路：改善的電源端口保護(hù)電路： 與典型方案相比，增加隔離電感L和第二級VDR 隔離電感的存在，抑制了沖擊輸入時，向第二級灌入的電流隔離電感的存在，抑制了沖擊輸

11、入時，向第二級灌入的電流 第二級第二級VDRVDR電流較低，可獲得更低的箝位電壓電流較低，可獲得更低的箝位電壓 隔離電感的電感量一般在隔離電感的電感量一般在5 515uH15uH三、典型雷擊防護(hù)方案 典型方案及改善方案說明典型方案及改善方案說明 共模防護(hù)由共模防護(hù)由MOVMOVGDTGDT網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)；差模防護(hù)由獨立的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)；差模防護(hù)由獨立的MOVMOV實現(xiàn)實現(xiàn) 問題：問題： 差模防護(hù)MOV的殘壓和漏電流是個突出矛盾 控制殘壓必須降低MOV耐壓 MOV耐壓降低則漏電流增加，影響壽命和可靠性 MOVMOV耐壓參數(shù)離散性耐壓參數(shù)離散性10102020，對于，對于470V470V器件，可能其器件，可能

12、其VvVv（1mA1mA）只有）只有370V370V； 因此設(shè)計選型時的安全余量必須放得足夠?qū)?。因此設(shè)計選型時的安全余量必須放得足夠?qū)挕?470V470V的的MOVMOV在在1KA1KA電流時的殘壓大約在電流時的殘壓大約在1KV1KV，2KA2KA時大約時大約1.2KV1.2KV； 560V560V的的MOVMOV在在1KA1KA電流時的殘壓大約在電流時的殘壓大約在1.3KV1.3KV，2KA2KA時則大約時則大約1.5KV1.5KV； 1KV1KV以上的殘壓對于小功率設(shè)備，威脅尤其嚴(yán)重！以上的殘壓對于小功率設(shè)備，威脅尤其嚴(yán)重！ 高殘壓導(dǎo)致瞬間功耗增大，對于防雷元件本身的可靠性不利高殘壓導(dǎo)致瞬

13、間功耗增大，對于防雷元件本身的可靠性不利 某廠商設(shè)計的某廠商設(shè)計的20W20W交換機(jī)電源模塊，根據(jù)客戶要求采用單級交換機(jī)電源模塊，根據(jù)客戶要求采用單級20D561 MOV20D561 MOV保護(hù)，保護(hù)， 4KV4KV測試時殘壓測試時殘壓1500V1500V，循環(huán)試驗時整流濾波電容，循環(huán)試驗時整流濾波電容(47uF/400V)(47uF/400V)發(fā)生多次爆漿故障。發(fā)生多次爆漿故障。三、典型雷擊防護(hù)方案 常用雷擊防護(hù)元件之壓敏電阻常用雷擊防護(hù)元件之壓敏電阻 特性：特性： 低壓高阻抗，高壓阻抗急劇降低 可承受 千安級電流 標(biāo)稱耐壓值以1mA漏電流為參考 反應(yīng)速度快 成本比較低 缺點：缺點： 殘壓比

14、較高，尤其是電流較大時 高殘壓導(dǎo)致器件沖擊功耗非常大 參數(shù)離散大，尤其是長期工作后 低耐壓參數(shù)時，漏電流相對比較大 漏電流引起的老化，參數(shù)退化嚴(yán)重 三、典型雷擊防護(hù)方案 常用防護(hù)元件之氣體放電管常用防護(hù)元件之氣體放電管 特點特點 觸發(fā)型元件，觸發(fā)前完全開路，觸發(fā)后近似短路 放電電流容量可以達(dá)到5KA、10KA量級 沖擊耐壓要遠(yuǎn)高于直流耐壓，差額范圍5001000V 阻抗高、電容小，無漏電流問題 缺點缺點 沖擊觸發(fā)需要時間200500ns 浪涌保護(hù)為沖擊觸發(fā)模式，電壓高 極限參數(shù)下的壽命短，10次左右 必須提供續(xù)流限制設(shè)計，避免危險三、典型雷擊防護(hù)方案 常用防護(hù)元件之常用防護(hù)元件之TVS、TSS

15、 TVSTVS、TSSTSS都是半導(dǎo)體工藝元件，寄生效應(yīng)小，動作快都是半導(dǎo)體工藝元件，寄生效應(yīng)小，動作快 體積小，容量低，通常應(yīng)用在信號端口保護(hù)場合體積小，容量低，通常應(yīng)用在信號端口保護(hù)場合 TVS TVS： 電壓箝位元件，導(dǎo)通特性類似于箝位二極管 適用于靜電防護(hù)場合 TSS TSS： 電壓觸發(fā)短路元件，導(dǎo)通特性類似于可控硅 電流容量最大可達(dá)到百安量級 適用于信號端口的浪涌防護(hù)場合三、典型雷擊防護(hù)方案常用防護(hù)元件之玻璃放電管常用防護(hù)元件之玻璃放電管特點特點 氣體放電管和半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物 耐電壓/電流指標(biāo)相對較高（電壓最高5KV，沖擊電流最大3KA） 寄生效應(yīng)小、動作速度快 缺點缺點 器件

16、體積小，能量吸收能力差 缺乏通用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) 關(guān)鍵參數(shù)離散性大 可靠性一般三、典型雷擊防護(hù)方案典型雷擊防護(hù)電路的改善典型雷擊防護(hù)電路的改善 對于殘壓控制而言，最常見的改善方法是采用兩級箝位保護(hù)對于殘壓控制而言，最常見的改善方法是采用兩級箝位保護(hù) 放電電流主要通過初級泄放，次級電流比較小，可以降低次級殘壓。 在兩級保護(hù)之間串接10米左右的線纜或819uH的電感； 可將殘壓降低至可將殘壓降低至1KV1KV左右，但漏電流風(fēng)險依舊存在。左右，但漏電流風(fēng)險依舊存在。 另一個改善方案是壓敏電阻串聯(lián)放電間隙，可減小漏電流老化威脅另一個改善方案是壓敏電阻串聯(lián)放電間隙，可減小漏電流老化威脅 放電間隙提高了擊穿電壓，

17、且擊穿參數(shù)受環(huán)境影響離散性很大放電間隙提高了擊穿電壓，且擊穿參數(shù)受環(huán)境影響離散性很大 （據(jù)稱LG 的液晶TV采用了此方案） 為應(yīng)付安規(guī)要求，常見的解決方法是壓敏電阻串聯(lián)慢熔保險絲為應(yīng)付安規(guī)要求，常見的解決方法是壓敏電阻串聯(lián)慢熔保險絲 可避免壓敏電阻老化帶來的安全風(fēng)險，但對于其老化的現(xiàn)實情況無改善可避免壓敏電阻老化帶來的安全風(fēng)險，但對于其老化的現(xiàn)實情況無改善 保險絲的選型是一個問題，熔斷能量(It)與電流限額需要折中四、雷擊浪涌防護(hù)新方案設(shè)計 設(shè)計目標(biāo) 方案原理 方案特點四、雷擊浪涌防護(hù)新方案設(shè)計 設(shè)計目標(biāo)設(shè)計目標(biāo) 主要針對高可靠防雷應(yīng)用主要針對高可靠防雷應(yīng)用 高可靠高可靠大電流、低殘壓、快速反

18、應(yīng)大電流、低殘壓、快速反應(yīng) 盡可能減少對負(fù)載設(shè)備的影響盡可能減少對負(fù)載設(shè)備的影響 不斷電、不停機(jī) 降低老化失效風(fēng)險降低老化失效風(fēng)險 減少漏電流威脅和續(xù)流風(fēng)險 擴(kuò)展浪涌波形適應(yīng)性擴(kuò)展浪涌波形適應(yīng)性通用性通用性可適用于更寬范圍的負(fù)載設(shè)備，尤其是小功率負(fù)載可適用于更寬范圍的負(fù)載設(shè)備，尤其是小功率負(fù)載 數(shù)碼及通訊設(shè)備 可適用于多種應(yīng)用場合，電源模塊、線纜、插座可適用于多種應(yīng)用場合，電源模塊、線纜、插座適用性適用性結(jié)構(gòu)與空間占用小結(jié)構(gòu)與空間占用小 成本可控成本可控 工藝性好工藝性好 四、雷擊浪涌防護(hù)新方案設(shè)計 方案結(jié)構(gòu)：方案結(jié)構(gòu)： 共模保護(hù)采用3000VGDT通用方案 前端采用MOV+GDT作為初級差分

19、防護(hù) 后端采用ASICMOV作為次級差分防護(hù) L/N線上串聯(lián)自感變壓器方案原理：方案原理： 自感變壓器產(chǎn)生的高壓觸發(fā)初、次級啟動 ASIC主要保證觸發(fā)信號的可靠性、觸發(fā)信號的時序控制及限流 差分GDT的存在避免漏電老化威脅 ASIC保證在多個保護(hù)單元并聯(lián)時，有足夠多的單元同時動作 FUSE上所通過的沖擊電流占比很小四、雷擊浪涌防護(hù)新方案設(shè)計 原理框圖 四、雷擊浪涌防護(hù)新方案設(shè)計新方案特點：新方案特點：高可靠性，解決了目前常用防雷方案的各種問題高可靠性，解決了目前常用防雷方案的各種問題 耐沖擊極限參數(shù)高； 動作快，殘壓低； 沖擊波形適應(yīng)性強(qiáng)，尤其是針對緩變沖擊； 無老化風(fēng)險，無器件漏電發(fā)熱風(fēng)險；

20、 負(fù)載設(shè)備供電不受影響 電路結(jié)構(gòu)獨立，與負(fù)載設(shè)備類型基本無關(guān)電路結(jié)構(gòu)獨立，與負(fù)載設(shè)備類型基本無關(guān) 模塊化結(jié)構(gòu)，可適用于多種應(yīng)用場合模塊化結(jié)構(gòu)，可適用于多種應(yīng)用場合 五、新方案測試報告測試地點：DQE實驗室 測試設(shè)備：15KV浪涌信號發(fā)生器 TEK示波器 測試負(fù)載：300W PC電源、120W Adapter 測試信號： 1.2/50us 電壓波形，差分模式 4KV、6KV、8KV、14KV 測試樣品： SP2102 V1.0A 五、新方案測試報告4KV測試測試 輸出波形輸出波形120W PC電源作為負(fù)載電源作為負(fù)載 殘壓385V，寬度30us 尖沖505V，寬度3us 后續(xù)一個大約2.8ms振

21、鈴 為測試設(shè)備LC回路產(chǎn)生 振鈴正負(fù)峰值同樣被箝位 振鈴后電源輸出波形正常 GDT放電聲音細(xì)微五、新方案測試報告8KV測試測試 輸出波形輸出波形120W PC 120W PC 電源作為負(fù)載電源作為負(fù)載 殘壓400V，寬度30us 尖沖505V，寬度3us 后續(xù)一個大約2.8ms振鈴 為測試設(shè)備LC回路產(chǎn)生 振鈴后電源輸出波形正常振鈴正負(fù)峰值同樣被箝位 GDT放電和緩五、新方案測試報告 16KV 測試輸出波形測試輸出波形 120W PC120W PC電源作為負(fù)載電源作為負(fù)載 殘壓420V，寬度30us 尖沖505V，寬度3us 后續(xù)一個大約2.8ms振鈴 為測試設(shè)備LC回路產(chǎn)生 振鈴后電源輸出正常振鈴正負(fù)峰值同樣被箝位 GDT放電相對和緩 五、新方案測試報告測試結(jié)論：測試結(jié)論： 1. 施加沖擊信號，當(dāng)輸出達(dá)到500V左右時，保護(hù)啟動； 2. 保護(hù)啟動后，殘壓被限制在385550V之間，具體值與沖擊電壓相關(guān)； 3. 對于1.2/50us沖擊波形，殘壓脈沖寬度基本固定在30-40us左右； 4. 對于測試設(shè)備LC網(wǎng)絡(luò)帶來的輸入振鈴波動，同樣起到箝位作用； 5. 保護(hù)啟動不影響正常電源波形的輸出，可以保證輸入的連續(xù)性； 6. 4KV16K