電子設(shè)備電源系統(tǒng)防雷措施的探索與研究

1、電子設(shè)備電源系統(tǒng)防雷措施的探索與研究和麗霞（南京氣象學(xué)院電子工程系，210044）摘要 本文分析了電子設(shè)備中電源系統(tǒng)（包括直流和交流）的雷電防護措施，并附帶原理圖的形式加以說明關(guān)鍵詞 電源系統(tǒng) 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.一引言建筑物內(nèi)電子設(shè)備使用的交流電源通常是由供電線路從戶外交流電網(wǎng)引入當(dāng)雷

2、擊于電網(wǎng)附近或直擊于電網(wǎng)時，就會在線路上產(chǎn)生過電壓波，這種過電壓波沿著線路傳入戶內(nèi)，通過交流電源系統(tǒng)侵入電子設(shè)備,造成電子設(shè)備的損壞。并且，這種雷電過電壓也能從交流電源側(cè)或通信線路傳播到直流電源系統(tǒng)，危及直流電源及其負(fù)載電路的安全。隨著各種先進電子設(shè)備在各類建筑物中的應(yīng)用，對電子設(shè)備電源系統(tǒng)的防雷保護問題已越來越受到人們的關(guān)注。下面具體從直流電源和交流電源兩部分分析著手分析其保護原理。二直流電源的保護措施分析從簡單的晶體管到和集成運放電路到各種復(fù)雜的數(shù)字和微處理系統(tǒng)，幾乎都要用到直流電源，因此暫態(tài)過電壓對直流電源的危害將直接威脅到電子設(shè)備的安全。這就需要對直流電源采取暫態(tài)過電壓防護措施。簡單的

3、直流電源由電源變壓器、整流器、濾波電容、穩(wěn)壓電路和其它一些配件組合。簡單的直流電源過電壓防護電路如圖一 所示，在該圖中M1、M2、M3、裝設(shè)于電源變壓器的原邊，用于抑制來自交流電源線路上的共模和差模暫態(tài)過電壓，雪崩二極管D1用于保護變壓器副邊的元器件，如整流器、濾波電容C和穩(wěn)壓器。D1的擊穿電壓應(yīng)該略小于穩(wěn)壓器的最大容許輸出電壓和濾波電容的耐受電壓，同時應(yīng)大于正常運行時穩(wěn)壓器的最大輸入電壓。由于暫態(tài)過電壓有可能出現(xiàn)在穩(wěn)壓器的輸出端，例如暫態(tài)過電壓波從信號線路經(jīng)放大器到達穩(wěn)壓器的輸出端，引起穩(wěn)壓器輸入與輸出端之間反向電壓增大，這種反向過電壓能夠造成穩(wěn)壓器的損壞。因此，為了防護這種反向過電壓，可采

4、用一只普通二極管D2跨接有于穩(wěn)壓器輸出與輸入端之間，采用D1與D2的配合來抑制這種反向過電壓。圖一：簡單直流電源的保護電路開關(guān)電源及其暫態(tài)過電壓保護電路如圖二所示，在此圖中，開關(guān)K1、K2常為雙極晶體管或功率場效應(yīng)管，控制電路能根據(jù)負(fù)載電壓的大小來反饋控制K1、K2各自的閉合時間。由于來自交流電源側(cè)的暫態(tài)過電壓波能直接侵入整流器和開關(guān)K1、K2，對于這種開關(guān)電源的過電壓保護將比對簡單直流電源保護要困難寫。一種可行的方法是在整流器的交流電源側(cè)裝兩個壓敏電阻M1、M2以及串聯(lián)L-R支路，其中壓敏電阻主要用于抑制共模暫態(tài)過電壓，電感L(R為其線圈的電阻)用于抑制短持續(xù)時間的差模暫態(tài)過電壓，以保護濾波

5、電容C1和開關(guān)K1與K2，L的數(shù)值一般可以取為幾十到一百uH。在線間差模暫態(tài)過電壓作用下，濾波電容C1上出現(xiàn)的過電壓實際上包括三個分量：（一）由暫態(tài)脈沖電流對C1充電所引起的壓降分量；（二）又暫態(tài)脈沖電流流過C1中等值損耗串聯(lián)電阻產(chǎn)生的壓降分量；（三）由暫態(tài)脈沖電流變化率在C1寄生電感上產(chǎn)生的壓降分量。電感L即可限制暫態(tài)脈沖電流的幅值，又可限制暫態(tài)脈沖電流的變化率，因此可以有效的限制在暫態(tài)過程中C1上出現(xiàn)的過電壓。當(dāng)L的線圈電阻很小時，可以再外接一個電阻，使該串聯(lián)支路的總阻值達到1歐姆左右，利用這個電阻可以限制開關(guān)電源在C1處于無電荷狀態(tài)下接通時出現(xiàn)的涌流，也可以阻尼由L-C回路引起的振蕩。為

6、了對C1提供一個附加的箝位限壓措施，將雪崩二極管D并于C1兩端，D也可以進一步降低作用在開關(guān)上的過電壓，D與壓敏電阻M1和M2以及它們之間的配合元件L、R實際上構(gòu)成了一個兩級保護電路。 圖二：開關(guān)電源的保護電路三交流電源的保護措施分析交流電源首先涉及到配電變壓器，因此，先介紹配電變壓器的防雷保護措施。一方面可以防止變壓器自身受到雷電過電壓的損壞，提高向建筑物內(nèi)電子設(shè)備的供電可靠性；另一方面可以防止雷電過電壓波通過變壓器傳播到建筑物內(nèi)的電源系統(tǒng)，使電子設(shè)備得到保護。配電變壓器的保護接線如圖三所示，在變壓器的高、低壓側(cè)均裝設(shè)避雷器。高壓側(cè)一般裝三個普通閥型避雷器（FS-310），低壓側(cè)一般裝三個氧

7、化鋅避雷器（MY-470）。高壓側(cè)的三個避雷器應(yīng)盡量靠近變壓器，其接地端直接與變壓器的金屬外殼相連，以減少雷電暫態(tài)電流在寄生電感上產(chǎn)生的壓降。當(dāng)雷電過電壓波沿高壓線路傳播到變壓器時，高壓側(cè)避雷器動作，由于它們的接地端與變壓器金屬外殼及低壓側(cè)中性點都連在一起后接地，作用在變壓器高壓側(cè)主絕緣上的電壓只是避雷器的殘壓，而不含接地電阻及其接地引下線寄生電感上的壓降。因此，僅在高壓側(cè)裝三個避雷器尚不能完全保護變壓器，原因在于：1.雷擊于低壓線路或低壓線路受到附近雷擊時的感應(yīng)作用，使變壓器低壓側(cè)絕緣損壞。2.雷擊于高壓線路或高壓線路遭受附近雷擊時的感應(yīng)作用，此時高壓側(cè)三個避雷器動作，流過避雷器的雷電暫態(tài)電

8、流會在接地電阻及接地引下線寄生電感上產(chǎn)生壓降，這一壓降會作用在低壓側(cè)中性點上，而低壓側(cè)的出線此時相當(dāng)于經(jīng)出線波阻抗接地，因此這一壓降的絕大部分加在低壓繞組上，經(jīng)電磁耦合，在高壓繞組上將會按變壓器的變比出現(xiàn)很高的感應(yīng)電勢。由于高壓側(cè)的出線端電位此時已被避雷器固定，同時在高壓繞組中感應(yīng)的電位分布在中性點呈現(xiàn)出最高值，這樣就有可能造成變壓器的絕緣擊穿。這種由高壓側(cè)避雷器動作在低壓側(cè)造成高電位，再通過電磁耦合變換到高壓側(cè)的過程稱為反變換過程。3.低壓線路遭受雷電感應(yīng)或直接雷擊時，雷電過電壓作用于低壓繞組，并按變比耦合到高壓繞組。由于低壓側(cè)上午絕緣裕度比高壓側(cè)大，有可能在高壓側(cè)先引起絕緣擊穿，這一過程稱

9、為正變換過程。為了抑制由正、反變換過程產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓，需要在低壓側(cè)也裝三個低壓氧化鋅避雷器（壓敏電阻），避雷器的接地應(yīng)就近接在變壓器的金屬外殼上。這三個避雷器能夠限制低壓側(cè)出現(xiàn)的暫態(tài) 過電壓，從而也能有效的抑制正、反變換過程在高壓側(cè)產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓。在傳統(tǒng)的配電變壓器低壓側(cè)保護中常采用普通閥型避雷器（FS025），這種避雷器的保護效果不如氧化鋅的好，氧化鋅避雷器的主要優(yōu)勢在于：一是氧化鋅避雷器不含間隙，無工頻續(xù)流問題；二是氧化鋅避雷器的箝位電壓比普通閥型避雷器低，這對于保護其后面的電子設(shè)備是十分有利的;三是氧化鋅避雷器自身有較大的寄生電容，其典型值約為2nF5nF，這種寄生電容能夠與避雷器前

10、面的低壓繞組出線電感構(gòu)成低通濾波器，實現(xiàn)對暫態(tài)過電壓的衰減?；谝陨蟽?yōu)勢，氧化鋅避雷器現(xiàn)已取代普通閥型避雷器而在配電變壓器低壓側(cè)保護中得到廣泛應(yīng)用.圖三：配電變壓器的保護接線圖四：單相交流電源的單級保護電路簡單的單相交流電源單相保護電路由三個壓敏電阻構(gòu)成，如上圖四所示。其中壓敏電阻M1和M2用來抑制共模過電壓，壓敏電阻M3用來抑制差模過電壓。對于火線L和中線N來說，M1和M2是串聯(lián)在它們之間，在抑制差模過電壓時，L與N兩線間的箝位電壓將為M1和M2的殘壓之和，如果僅采用這兩個壓敏電阻，則它們的殘壓之和將會對被保護的電子設(shè)備構(gòu)成威脅，使之難以耐受。由于共模過電壓能比較容易的通過隔離變壓器或低通濾

11、波器來進行衰減，而差模過電壓則不容易通過這些設(shè)備來衰減，因此較高的差模過電壓就能不受限制的傳輸?shù)奖槐Ｗo電子設(shè)備上，造成設(shè)備的損壞，這樣就需要在L與N兩線之間再加一個壓敏電阻M3。在這三個壓敏電阻中，M1和M2的型號和參數(shù)應(yīng)選的一樣，尤其是它們的參考電壓和響應(yīng)時間的實際值應(yīng)盡可能接近，不能有較大的分散性，否則會因為它們的動作不一致而將共模過電壓轉(zhuǎn)化為差模過電壓。在一些要求不太高的場合，可以僅用一個M3來抑制差模過電壓，而將共模過電壓由隔離器或低通濾波器來抑制。從而省去一到兩個壓敏電阻。為了改善保護性能，可采用壓敏電阻與放電管串聯(lián)支路來取代單個壓敏電阻。在電源系統(tǒng)正常運行時，由于放電管的隔離作用壓

12、敏電阻幾乎無泄漏電流流過，這就大大減緩了壓敏電阻因長時間流過泄露電流所產(chǎn)生的老化現(xiàn)象，同時在保證可靠切斷放電管工頻續(xù)流的前提下能夠?qū)好綦娮璧膮⒖茧妷哼x的低一些，以降低起殘壓和箝位水平，提高對脆弱電子設(shè)備的保護可靠性。在這種串聯(lián)支路中，對放電管的限制首先要求它在系統(tǒng)最高運行電壓下不能放電，為此就要求放電管的直流放電電壓Ufdc應(yīng)大于系統(tǒng)最高運行電壓Up，可估算min(Ufdc)>=12max(Up)；其次要求放電管在暫態(tài)抑制結(jié)束后能可靠滅弧，為此串聯(lián)支路在系統(tǒng)最高運行電壓作用下，壓敏電阻中的電流Iv應(yīng)小于放電管的熄弧電流值Ie。實際上只要在幾個毫秒的短時間內(nèi)Iv低于Ie就有可能滅弧。但為

13、了可靠起見，一般是讓Iv連續(xù)低于Ie。在估算Iv時，取放電管在弧區(qū)壓降的典型值20v，則壓敏電阻上承受的電壓為Up-20v，由于Up一般要比20v大的多，所以可近似認(rèn)為壓敏電阻上的電壓值即為Up。根據(jù)壓敏電阻的伏安特性數(shù)據(jù)可以確定在Up電壓下壓敏電阻中的電流Iv，并確定壓敏電阻中的參考電壓U1mA。如果所確定的Iv大于Ie，則需要另外選一個U1mA高一些的壓敏電阻。如圖五所示是一個220V單相電源和220/380V三相四線電源保護電路，為了減少放電分散性，在該圖中采用的是三極放電管。圖五:單相和三相電源的保護電路對于一些耐壓水平較低的脆弱電子設(shè)備來說，單級保護不能滿足要求。為了提高保護可靠性，

14、就需采用多級保護電路。多級保護電路為兩級，包含泄流和箝位兩個基本環(huán)節(jié)。第一級作為泄流環(huán)節(jié)，主要用于旁路泄放暫態(tài)大電流，將大部分的暫態(tài)能量泄放掉；第二級作為箝壓環(huán)節(jié)，主要用于電壓箝位，將暫態(tài)過電壓限制到被保護電子設(shè)備可以耐受的水平，對于第一級泄流環(huán)節(jié)，要求所用的保護元件具有通流容量大和耐受脈沖沖擊能力強的特點，因此放電管和壓敏電阻均可作為候選元件，但用于220V/380V交流電源線路保護時，采用放電管會產(chǎn)生工頻續(xù)流問題，它必須與其它的元件配合使用才行，而大容量的壓敏電阻較好的滿足這一條件。如果單個壓敏電阻通流容量不夠，還可以采用若干個大容量的壓敏電阻并聯(lián)來提高通流容量。對于第二級箝位環(huán)節(jié)，要求所

15、用的保護元件的伏安特性具有良好的非線性，且動作箝位后的殘壓要低。因此，壓敏電阻和暫態(tài)二極管均可作為候選元件，但暫態(tài)二極管和壓敏電阻相比其通流容量十分有限，且不容易與第一級保護元件的特性進行配合，所以在第二級中常采用壓敏電阻。不過在一些脆弱電子設(shè)備的保護場合，由于暫態(tài)二極管的非線性特性比壓敏 電阻好些，且其箝位電壓水平也較低，因此也可以選用大功率的暫態(tài)抑制二極管作為第二級保護元件。要實現(xiàn)第一、二級保護特性的合理配合，需要在這兩級間串入一定的元件，原則上，電阻和電感都可以作為候選元件。但 如果采用電阻，則當(dāng)被保護設(shè)備的負(fù)載電流較大時，這個電阻必須相當(dāng)小，才能是正常運行時電阻上的壓降很小，不致影響到

16、被保護設(shè)備的正常工作電壓，同時電阻的功率也應(yīng)選的較大，以耐受較大的負(fù)載電流，這樣就對電阻的選擇提出了苛刻的要求，使之難以實施。如果采用電感，在正常運行時對電感值及功率都沒有苛刻要求，只要求在暫態(tài)過電壓脈沖沖擊下電感值不能發(fā)生較明顯的下降，這一要求可以通過對電感線圈的特殊設(shè)計和特殊繞制來達到。下面圖六是一個單相交流電源的兩級保護電路。在該圖的第一級由M1、M2和M3三個壓敏電阻構(gòu)成，起著泄放暫態(tài)大電流和吸收暫態(tài)能量的作用，它們的參考電壓可選為510V-600V，通流容量可選為8/20us、30kA脈沖電流沖擊一次。第二級由M4、M5和M6三個壓敏電阻構(gòu)成，起著電壓箝位的作用，它們的參考電壓可選為

17、430V，通流容量可選為耐受8/20us、10kA脈沖電流沖擊一次。介于這兩級之間的配合元件采用的是電感L1和L2，它們的數(shù)值可取為幾十uH。由波動的折、反射原理可知，當(dāng)暫態(tài)過電壓波進入保護電路并到達電感時，電感將能夠產(chǎn)生與來波同極性的反射波，來波與反射波疊加將迅速升高第一級壓敏電阻上的電壓，促使其盡早動作泄流，同時電感也能夠產(chǎn)生與來波反極性的暫態(tài)折射波分量來降低作用于第二級壓敏電阻上暫態(tài)電壓波波頭上升陡度，來改善第二級壓敏電阻的響應(yīng)特性，使它們能有效的發(fā)揮箝位限壓作用。另外，為了與串聯(lián)電感構(gòu)成低通濾波器，實施對暫態(tài)過電壓的衰減，在第二級中加入并聯(lián)電容C1、C2和C3，它們的電容值均為幾十uF

18、額定電壓約為450V-550V。低通濾波器與兩級壓敏電阻互相配合，能明顯地改善整個保護電路的保護特性。 圖六:單相電源的兩級保護電路 圖七:三相電源的兩級保護電路低通濾波器能夠?qū)纂姇簯B(tài)過電壓波中的高頻分量進行衰減，同時它對電源系統(tǒng)的正常工頻運行狀態(tài)的影響可以忽略，因此它在電源系統(tǒng)的防雷保護中具有一定的優(yōu)勢。如果將壓敏電阻引入低通濾波器，可以是濾波器在原有濾波衰減功能的基礎(chǔ)上，再增加泄流限壓功能，從而使其整體保護功能有明顯改善。下面簡單介紹以下這種非線性低通濾波器在電源系統(tǒng)的雷電防護中的應(yīng)用。圖八：非線性低通濾波器的基本電路結(jié)構(gòu)非線性低通濾波器基本電路包括兩個保護環(huán)節(jié)。如圖八所示。在第一級中，

19、兩個型號和參數(shù)相同的壓敏電阻M1和M2主要起抑制共模過電壓作用，它們以串聯(lián)形式對差模過電壓也有抑制作用。電感L1和L2與壓敏電阻M1和M2的寄生電容以及電容C2分別構(gòu)成第一級的共模和差模低通濾波器，實施對暫態(tài)過電壓中高頻分量的初次衰減。在第二級中，共模扼流線圈L3的共模電感與電容C5和C6構(gòu)成第二級共模低通濾波器，L3的差模電感與電容C1構(gòu)成第二級差模低通濾波器。這兩種模態(tài)下的低通濾波器對經(jīng)第一級衰減剩余的高頻分量進行再次衰減，壓敏電阻M3實施對經(jīng)第一級抑制后的差模過電壓進行再次抑制。經(jīng)過這兩級抑制后，就可將沿電源線襲來的雷電暫態(tài)過電壓限制到被保護電子設(shè)備可以耐受的水平。在圖八中，電感L1和L

20、2要直接經(jīng)受暫態(tài)過電壓脈沖的沖擊，它們的線圈一般應(yīng)繞制成單層，而不宜繞制成多曾，以防止層間擊穿。由于L1和L2又處在串聯(lián)位置，這就 要求它們兩端的工頻壓降很小，才不會影響正常的工頻運行狀態(tài)，所以L1和L2的數(shù)值不能過大。同時L1和L2和共模扼流線圈的共模及差模電感應(yīng)當(dāng)與各響應(yīng)的電容在數(shù)值上取得配合，以便在兩種模態(tài)下都能實現(xiàn)良好的低通濾波特性。通常L1和L2的數(shù)值約為幾十到一百多uH，共模扼流線圈的共模電感值約為幾到幾十mH，C1和C2的數(shù)值約為05uF,C5和C6的數(shù)值約為2nF5nF,C5和C6的數(shù)值取得很小，其目的是在于減少正常工頻運行狀態(tài)下L線對地之間的工頻泄漏電流。C1、C2、C5、C

21、6應(yīng)采用自恢復(fù)介質(zhì)的電容器，其耐壓值應(yīng)取在600V以上。圖九：加阻尼后的改進保護電路結(jié)構(gòu)圖十：含氣體放電管的改進保護電路結(jié)構(gòu)在圖八中由于使用了多個電容和電感，這些電容電感常會形成一些諧振回路。例如L3的共模電感與電容C5和C6以及壓敏電阻M1和M2的寄生電容構(gòu)成共模信號諧振回路。L3的差模電感和L1、L2與C1、C2構(gòu)成差模諧振回路。另外，有許多電子設(shè)備的電源入口常接有電容，當(dāng)采用非線性濾波器對這些電子設(shè)備進行保護時，這種入口處的電容與濾波器的電感構(gòu)成諧振回路。這些不希望的諧振回路的產(chǎn)生使得非線性濾波器的濾波衰減性能受到損壞，明顯的削弱了它對暫態(tài)過電壓波高頻成分的衰減。抑制諧振的常見做法是采用

22、電阻對諧振進行阻尼，如圖所示即為阻尼后的非線性濾波器電路。在圖九中，電阻R2用于阻尼由L1、L2和C1、C2及L3的差模電感所構(gòu)成的諧振回路中出現(xiàn)的差模信號諧振，阻容支路R3-C3和R4-C4用于阻尼L3的共模電感與C5、C6以及M1、M2寄生電容所構(gòu)成諧振回路中的共模信號諧振。電阻R5和R6與L3的兩個線圈并聯(lián)，且離濾波器輸出端很近，它們主要用于阻尼由輸出端所接電子設(shè)備電源入口處電容引起的諧振。電阻R7和R8的作用不是阻尼諧振，而是保護濾波器的安全，當(dāng)濾波器不與被保護電子設(shè)備相連，且濾波器脫離電源線路時，R7是為充滿電的電容C1和C2提供一條放電路徑。濾波器中的C5和C6數(shù)值很小，所充電荷也很少，一般不需要另設(shè)電阻來提供放電通道。如果C3和C4較大，則需設(shè)電阻R8在一些特殊情況下，常要求濾波器的線與地間泄漏電流應(yīng)很小，為此