电源和数据口的抗雷击设计.docx

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电源和数据口的抗雷击设计

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2000°C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

●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。

●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。

●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：

●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。

●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。

●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。

●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。

●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LPZ

LPZ是LightningProtectionZone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）

电力电压器输入端

10000

≤45①

6600

≤27②

交流稳压器输入端

220/380

≤2.6②

市电油机转换器输入端

220/380

≤1.3②

交流配电屏输入端

低压配电屏输入端

整流器输入端

220/380

≤1.3②

交流不间断电源输入端

注：

①标称放电电流为5KA等级；②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

6600

低压电力电缆

220/380

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）

电力变压器

10000

6600

交流稳压器

220/380

市电油机转换器

220/380

交流配电屏

低压配电屏

备用发电机

整流器

220/380

2.5

1.25

交流不间断电源（UPS）

直流配电屏

直流-24V、-48V或-60V

1.5

0.75

通信设备机架电源交流入口（由不间断电源供电）

220/380

0.5

0.25

DC/AC逆变器

直流-24V、-48V或-60V

DC/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GB7450-87《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：

●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。

●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。

●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。

●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。

●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：

●改进PCB走线，增大初级电源线与地线之间的距离

●增大共模扼流圈的容量，增强其对共模电流的抑制能力。

●加强变压器的绝缘强度，以防止变压器击穿。

●采用更高压等级的元气件。

●加大电源初级和次极之间的耦合电容的耐压等级。

●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。

●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。

●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。

.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/T17626.5-1999idtIEC61000-4-5:

1995

电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验

Electromagneticcompatibility–Testingandmeasurementtechniques–surgeimmunitytest

测试仪器采用的是GB/T17626.58/20us20KA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

●线-线间（L1–L2）

序号

冲击电流（8/20us）

正向（5次）

反向（5次）

实验结果

1KA

PASS

2KA

PASS

3KA

PASS

4KA

PASS

5KA

PASS

●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

1KA

PASS

2KA

PASS

3KA

PASS

4KA

PASS

5KA

PASS

●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

1KA

PASS

2KA

PASS

3KA

PASS

4KA

PASS

5KA

PASS

1）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：

●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。

●在第一级防雷电路中，包含差模防雷和共模防雷。

●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。

●选用高绝缘强度的隔离变压器。

●在设计中考虑了数据线的平衡性问题，使增加的防雷电路不会影响高速数据信号的正常传输。

●合理的PCB走线设计保证了良好的防雷效果。

2．测试方案和测试结果

1）测试方案

测试方案是参照以下标准制定的：

YD/T950-1988eqvITU-TK.20:

1996

电信交换设备过电压过电流防护技术要求及试验方法

Technicalrequirementsandtestmethodsforprotectionagainstovervoltageaandovercurrentsontelecommunicationswitchingequipment.

测试仪表：

电话机抗雷击测试仪。

2）测试结果

●线间

序号

冲击电压（10/700us）

正向（5次）

反向（5次）

结果

1KV

PASS

2KV

PASS

3KV

PASS

4KV

PASS

●线

（1）—地

序号

冲击电压（10/700us）

正向（5次）

反向（5次）

结果

1KV

PASS

2KV

PASS

3KV

PASS

4KV

PASS

●线

（2）--地

序号

冲击电压（10/700us）

正向（5次）

反向（5次）

结果

1KV

PASS

2KV

PASS

3KV

PASS

4KV

PASS

3）测试结果

从上面的测试结果可以看出，数据口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。

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