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雷擊發生時,強電流及其產生的電磁脈沖能通過傳導,感應,耦合等方式在電子設備產生過電壓,過電壓沿電源線或信號線傳輸時,就形成雷電浪涌。
通常,雷電會對暴露在外的電源線上感應出較高的電壓,這種電壓不僅會直接傳到設備,其產生的浪涌電流在電源線路傳導時,電磁感應的浪涌會耦合到周圍的信號線。類似此類浪涌對電子產品會造成極大損害,因此要求產品具備一定浪涌抗擾能力。
一、雷電瞬態浪涌的三種類型
1.直接雷擊,雷擊于外部(戶外)電網,注入的大電流流過接地電阻或者外部電路阻抗而產生電壓,破還力極強,目前還沒有設備能夠對直接雷進行防護。
2.傳導雷擊:由遠處的架空線傳導而來,由于接于電力網的設備對過電壓有不同的抑制能力,因此傳導過電壓能量隨線路的延長而減弱。
3.感應雷擊,云層之間或者云層中的雷擊或擊于附件物體的雷擊等產生的電磁場,作用于導體,感應很高的過電壓,這類過電壓具有很陡的前沿并快速衰減。
其中,感應雷有兩種浪涌感應方式:
靜電感應產生浪涌:雷電帶有大量負電荷的雷云所產生的電場,會在導線上感應出被電場束縛的正電荷。當雷云放電時,云層中的電荷瞬間大量減小或消失,在線路上被束縛的正電荷瞬間失去束縛,在電勢能作用下,在線路上產生浪涌沖擊。
電磁感應產生浪涌:閃電電流在周圍形成磁場,這種磁場隨時間變化,在周圍的導線上激發感應電動勢,雷擊發生在供電線路附近或避雷針上,會產生此類情況。
另外,還有一種比較少見的雷擊浪涌機理,地線電位反彈,業內常稱為“反彈雷”,當設備安裝了浪涌保護器件時,設備的某根電纜出現浪涌電壓,浪涌保護器觸發,將浪涌能量旁路到大地,這時,由于大電流流過設備接地線,該設備的地線電位突然升高。此時與這臺設備相連的其他設備,地電位還是零,兩臺設備之間產生了很高的共模電壓,這種共模電壓可能損壞設備接口。
二、雷電感應的影響因素
雷電感應是指導線上接收到的能量,其影響因素如下:
1.雷云電荷量大小,直接影響電流大小,從而影響產生電磁場強度。
2.雷電流的陡度,在波尾相同的情況下,陡度越大,諧波越豐富,能量越高產生的過電壓越高。
3.雷電流的頻率,振幅隨頻率增加而減小,雷電流主要集中在低頻部分。
4.不同的導線的長度與過電壓有直接關系,隨著導線長度的增加,過電壓峰值增加,但超過一定長度時,增幅會越來越小。
5.導線離云端的高度與過電壓有直接關系,高度增加,感應過電壓幅值迅速增加,這是因為離地高,導線和地構成的回路面積大,能夠耦合更多的電磁場能量。
6.當導線兩端接不同電阻時對導線感應過電壓波形的大小產生影響,當始端為匹配電阻,末端感應電壓值隨著末端電阻增大而增大。
7.導線周圍空間的電磁環境影響,屏蔽保護越好,導線感應過電壓越小。
三、浪涌測試標準
浪涌試驗是模擬受試設備的附件發生雷電時,在受試設備的電源線和信號線感應的瞬態現象。這類能量通常很大,浪涌試驗所依據的國際標準是IEC61000-4-5,對應國家標準是GB/T17626.2:200X《電磁兼容 試驗和測量技術浪涌(沖擊)抗擾度試驗》。
該標準適用于電子設備在常規的工作狀態下,對感應雷擊,傳導雷擊產生的浪涌電壓的測試。該標準不對絕緣耐高壓的能力進行試驗,因此不考慮直接雷。
其中,對浪涌信號發生器的直接輸出電壓/電流波形做了詳細的說明,對應連接到對稱通信線的端口,應該使用10/700μs組合波發生器。對于其他情況,特別是連接到電源線和短距離信號線的端口,應該使用1.2/50μs組合波發生器。通信系統一般還使用其他標準,如美國使用Telcordia GR-1089(規定的開路電壓波形2/10μs,短路電流波形為10/1000μs)。
四、測試等級以及選擇
等級試驗范圍如表1所示
表1. 試驗等級“表格來自于IEC61000-4-5”。
等級應用取決于環境,即遭受浪涌可能性的環境以及安裝條件,主要分類如下:
等級一:較好的保護環境,比如工廠或電站的控制室。
等級二:有一定保護的環境,比如無強干擾的工廠。
等級三:普通的電磁騷擾環境,對設備沒有規定特殊安裝要求,比如普通環境下的電纜,工業性場所。
等級四:受強干擾的環境,如民用架空線,未加保護的高壓變電所。
等級X: 由用戶和制造商協商。
五、浪涌發生器
浪涌發生器的電路如圖1所示
圖1. 組合波發生器“圖片來自于IEC61000-4-5”
組合波發生器的內阻為2Ω。不同試驗,需要的能量不同,這是通過外接電阻來調節。 具體對于不同位置來說,電源線之間的差模注入能量最大,外接電阻為零,此時內阻為2Ω。電源線之間的線地之間共模浪涌電壓是通過10Ω的外接電阻注入。對于信號線的試驗,注入的浪涌通過一個40Ω的串聯電阻注入。不同內阻時,電壓與電流的關系如表2。
表2. 不同內阻時電壓與電流的關系
六、兩種主要的浪涌試驗波形
根據測試標準的規定,兩類主要的波形分別為1.2/50μs(8/20μs)組合波信號和10/700μs(5/320μs)組合波信號。
1. 1.2/50μs(8/20μs)組合波:1.2/50μs的電壓浪涌波形(開路狀態)和8/20μs的電流浪涌波形(短路狀態)
圖2. 開路電壓波形(1.2/50μs)“圖片來自于IEC61000-4-5”
圖3. 短路電流波形(8/20μs)“圖片來自于IEC61000-4-5”
2.10/700μs(5/320μs)組合波:10/700μs的電壓浪涌波形(開路狀態)和5/320μs的電流浪涌波形(短路狀態)
圖4. 開路電壓波形(10/700μs)“圖片來自于IEC61000-4-5”
圖5. 短路電流波形(5/320μs)“圖片來自于IEC61000-4-5”
兩種浪涌信號的適用范圍:
1.對通訊網和長距離信號電路端口,推薦采用10/700μs沖擊波。常見電子設備如RJ45,RS232, XDSL, RS485,安防攝像頭等
2.對交直流電源端口和短距離信號電路端口,推薦采用1.2/50μs沖擊波。常見電子設備如LED照明設備,基站等
七、常見的設備端口抗浪涌能力測試
1.交流電源口過電壓耐受水平
等級1:差模施加2kV電壓正負各5次無損壞;共模4kV電壓各5次無損壞。
測試波形:1.2/50μs(8/20μs)組合波
測試方式:按照IEC61000-4-5。
2.直流電源口過電壓耐受水平
等級1:差模施加1kV電壓正負各5次無損壞;共模2kV電壓各5次無損壞。
等級2:差模施加0.5kV電壓正負各5次無損壞;共模1kV電壓各5次無損壞。
測試波形:1.2/50μs(8/20μs)組合波
測試方式:按照IEC61000-4-5,等級2為基本要求,若設備未配置防雷器情況,端口耐受等級要求應達到等級1。
3.信號口過電壓耐受水平(建筑內信號線)
等級1:差模施加2kV電壓正負各5次無損壞;共模4kV電壓各5次無損壞。
等級2:差模施加1kV電壓正負各5次無損壞;共模2kV電壓各5次無損壞。
等級3:差模施加0.5kV電壓正負各5次無損壞;共模1kV電壓各5次無損壞。
測試波形:1.2/50μs(8/20μs)組合波。
測試方式:按照IEC61000-4-5,等級3為基本要求,若走線超過10m,不超過30m,未加防雷器情況,端口耐受等級要求應達到等級1。
4.信號口過電壓耐受水平(建筑外信號線)。
等級1:差模施加4kV電壓正負各5次無損壞;共模4kV電壓各5次無損壞。
等級2:差模施加1kV電壓正負各5次無損壞;共模2kV電壓各5次無損壞。
測試波形:1.2/50μs(8/20μs)組合波。
測試方式:按照IEC61000-4-5,建筑外走線的信號電纜,進入室內應先經過配線架的一級保護。測試端口的要求是:對設備端口自身測試,應滿足等級2;在信號端口前連接配線架(帶一級保護單元),在配線架前測試,需滿足等級1。