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。