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2024-09-11 33 次

了解浪涌及雷击浪涌的防护

什么是浪涌?
浪涌,也称突波,是指瞬间超出正常工作电压的过电压现象。本质上,浪涌是一种在几微秒内发生的剧烈电压脉冲。引起浪涌的常见原因包括重型设备的启动或停机、短路、电源切换以及大型发动机的运行。

浪涌可能对电气设备造成严重损害,因此含有浪涌抑制装置的产品可以有效吸收突发的巨大能量,保护连接设备免受损害。使用这些防护装置,可以显著提高电气设备的安全性和可靠性。

浪涌的特点:
浪涌的产生时间非常短,通常在纳秒到微秒级。当浪涌出现时,电压和电流的幅值会超过正常值的两倍以上。由于输入滤波电容的迅速充电,浪涌的峰值电流远远大于稳态输入电流。

为了应对浪涌,电源设计应考虑限制AC开关、整流桥、保险丝以及EMI滤波器件所能承受的浪涌水平。在反复的开关过程中,AC输入电压不应损坏电源或导致保险丝熔断。这种现象通常只持续几纳秒至几毫秒,但其电压和电流值却会显著超出正常工作水平。

浪涌广泛存在于配电系统中,可以说它无处不在。浪涌在配电系统中的主要表现包括:

•  电压波动:在正常工作情况下,机器设备会自动停止或启动。
•  用电设备的干扰:例如空调、压缩机、电梯、泵或电机。
•  电脑控制系统的异常:经常出现无理由的复位。
•  电机的频繁更换或重绕。
•  电气设备寿命缩短:由于故障、复位或电压问题导致使用寿命缩短。

雷击浪涌发生器 SG61000-5

浪涌对敏感电子电器设备的影响主要有以下几种类型:

破坏
•  电压击穿半导体器件。
•  破坏元器件金属化表层。
•  破坏印刷电路板上的印刷线路或接触点。
•  损坏三端双向可控硅元件/晶闸管等。

干扰
•  设备锁死、晶闸管或三端双向可控硅元件失控。
•  数据文件部分破坏。
•  数据处理程序出错。
•  数据接收和传输的错误与失败。
•  原因不明的故障等。

过早老化
•  零部件提前老化,电器寿命大大缩短。
•  输出音质和画面质量下降。

浪涌的来源
浪涌可以分为系统外部和系统内部两种来源。根据统计,约20%的浪涌来自系统外部,主要是雷电和其他系统的冲击;约80%的浪涌来自系统内部,主要是内部用电负荷的冲击。

外部浪涌,主要来自雷击,具体情况包括:
•  
直击雷:雷电直接击中避雷针、避雷带及建筑物或炼油塔的某个部位。
•  雷电电磁辐射:雷击点产生的强磁场向四周辐射,即便雷击没有直接击中建筑物,也会对建筑物内的微电子设 备造成损坏。在雷击中心点半径2公里范围内,会产生极强的电磁场,从这个电磁场中穿越的供电线路、网络和信号线路会因电磁感应而产生浪涌电压,进入大楼内的设备输入端口,从而损坏电子设备。
•  雷电流在电源和信号线上的分流。
•  雷电感应:雷电流通过引下线泄放过程中,在周围形成强大的交变磁场,处于磁场内的金属导体上会产生感应电压。

雷击部位形成的局部高电位
•  雷电部侵入:直接雷击击中电力线路或引下线疏导雷电流时,在电力线路上会产生雷击过电压,并在电力线缆周围产生强大的电磁脉冲。凡是在此电磁脉冲范围内的各种电力、信号及控制线路都会感应出过电压,这部分过电压会沿各种线路传输到设备后端,导致设备误动作或损坏。

内部浪涌主要来自电网内部用电设备的开关操作和其他因素,包括:

•  电力大负荷的投入和切除:例如空调、压缩机、泵或马达。
•  感性负荷的投入和切除。
•  功率因素补偿电容器的投入和切除。
•  短路故障。
•  机械触点:机械开关包括电磁继电器的开关触点、按钮开关、按键、带开关电位器等。

根据IEEE的定义,浪涌可分为以下几类:

•  脉冲型浪涌:电压在几微秒内从几百伏至2万伏。
•  振荡型浪涌:电压在几微秒至几毫秒内从几百伏至6000伏。
•  猝发型浪涌:重复周期的峰值电压或电流。

雷击浪涌对电子设备的保护非常重要,为此制定了相关的抗扰度试验标准。电子设备雷击浪涌抗扰度试验的国家标准是GB/T17626.5(等同于国际标准IEC61000-4-5)。该标准主要模拟间接雷击产生的各种情况,包括:

•  雷电击中外部线路,产生大量电流流入外部线路或接地电阻,导致干扰电压。
•  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。
•  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。
•  雷电击中邻近地面,地电流通过公共接地系统引入干扰。

此外,标准还模拟变电所等场合因开关动作而引入的干扰(开关切换时引起电压瞬变),例如:

主电源系统切换时产生的干扰(如电容器组的切换)。
同一电网内较小开关跳动时的干扰。
切换伴有谐振线路的晶闸管设备。
各种系统性的故障,如设备接地网络或接地系统间的短路和飞弧故障。

标准波形发生器
标准描述了两种不同的波形发生器:

电源线上感应产生的波形:浪涌波形较窄(50µs),前沿较陡(1.2µs)。
通信线上感应产生的波形:浪涌波形较宽,前沿较缓。

浪涌电压模拟
模拟雷电击中配电设备时,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高压,脉冲产生电路。典型参数:

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。
短路输出电流:0.25~2kA,用于不同等级试验。
内阻:2欧姆,附加电阻10、12、40、42欧姆,用于其它不同等级试验。
浪涌输出极性:正/负;浪涌输出与电源同步时,移相0~360度。
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
雷击浪涌抗扰度试验对不同产品有不同的参数要求,基本要求如下:

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。

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