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雷击浪涌冲击抗扰度试验与抑制措施

嘉峪检测网        2024-09-28 18:32

电工电子设备模拟雷击浪涌冲击抗扰度试验的基础标准为GB/T17626.5(等同于国际标准IEC61000-4-5 )。

检测标准主要是模拟间接雷击产生的各种情况:

  (1)雷电击中外部线路,有大量电流流入外部线路或接地电阻,因而产生的干扰电压。

  (2)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。

  (3)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。

  (4)雷电击中邻近地面,地电流通过公共接地系统时所引进的干扰。

标准除了模拟雷击外,还模拟变电所等场合,因开关动作而引进的干扰(开关切换时引起电压瞬变),如:

  (1)主电源系统切换时产生的干扰(如电容器组的切换)。

  (2)同一电网,在靠近设备附近的一些较小开关跳动时的干扰。

  (3)切换伴有谐振线路的晶闸管设备。

  (4)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。

标准描述了两种不同的波形发生器:一种是雷击在电源线上感应生产的波形;另一种是在通信线路上感应产生的波形。这两种线路都属于空架线,但线路的阻抗各不相同:在电源线上感应产生的浪涌波形比较窄一些(50uS),前沿要陡一些(1.2uS);而在通信线上感应产生的浪涌波形比较宽一些,但前沿要缓一些。

 

雷击浪涌抗扰度试验的严酷等级分为5级:

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。

雷击浪涌冲击抗扰度试验主要针对电源端口或信号端口施加浪涌脉冲,不进行任何防护措施,一般不太容易通过测试。

 

一、防共模浪涌抑制电路设计

防浪涌设计时,假定共模与差模这两部分是彼此独立的。然而,这两部分并非真正独立,因为共模扼流圈可以提供相当大的差模电感。这部分差模电感可由分立的差模电感来模拟。

为了利用差模电感,在设计过程中,共模与差模不应同时进行,而应该按照一定的顺序来做。首先,应该测量共模噪声并将其滤除掉。采用差模抑制网络(Differential Mode Rejection Network),可以将差模成分消除,因此就可以直接测量共模噪声了。

如果设计的共模滤波器要同时使差模噪声不超过允许范围,那么就应测量共模与差模的混合噪声。因为已知共模成分在噪声容限以下,因此超标的仅是差模成分,可用共模滤波器的差模漏感来衰减。对于低功率电源系统,共模扼流圈的差模电感足以解决差模辐射问题,因为差模辐射的源阻抗较小,因此只有极少量的电感是有效的。

对4000Vp以下的浪涌电压进行抑制,一般只需采用LC电路进行限流和平滑滤波,把脉冲信号尽量压低到2~3倍脉冲信号平均值的水平即可。电感很容易饱和,因此,L1、L2一般都采用一种漏感很大的共模电感。

用在交流,直流的都有,通常我们在电源EMI滤波器,开关电源中常见到,而直流侧少见,在汽车电子中能够看到用在直流侧。

加入共模电感是为了消除并行线路上的共模干扰(有两线的,也有多线的)。由于电路上两线阻抗的不平衡,共模干扰最终体现在差模上。用差模滤波方法很难滤除。

共模电感到底需要用在哪。共模干扰通常是电磁辐射,空间耦合过来的,那么无论是交流还是直流,你有长线传输,就涉及到共模滤波就得加共模电感。例如:USB线好多就在线上加磁环。开关电源入口,交流电是远距离传输过来的就需要加。通常直流侧不需要远传就不需要加了。没有共模干扰,加了就是浪费,对电路没有增益。

电源滤波器的设计通常可从共模和差模两方面来考虑。共模滤波器最重要的部分就是共模扼流圈,与差模扼流圈相比,共模扼流圈的一个显著优点在于它的电感值极高,而且体积又小,设计共模扼流圈时要考虑的一个重要问题是它的漏感,也就是差模电感。通常,计算漏感的办法是假定它为共模电感的1%,实际上漏感为共模电感的0.5% ~4%之间。在设计最优性能的扼流圈时,这个误差的影响可能是不容忽视的。

 

二、雷击浪涌脉冲电压抑制常用器件

主要有陶瓷气体放电管、氧化锌压敏电阻、半导体闸流管(TVS)、浪涌抑制电感线圈、X类浪涌抑制电容等,各种器件要组合使用。

气体放电管的种类很多,放电电流一般都很大,可达数十kA,放电电压比较高,放电管从点火到放电需要一定的时间,并且存在残存电压,性能不太稳定;氧化鋅压敏电阻伏安特性比较好,但受功率的限制,电流相对比放电管小,多次被雷电过流击穿后,击穿电压值会下降,甚至会失效;

半导体TVS管伏安特性最好,但功率一般都很小,成本比较高;浪涌抑制线圈是最基本的防雷器件,为防流过电网交流电饱和,必须选用三窗口铁芯;X电容也是必须的,要选用容许纹波电流较大的电容。

压敏电阻一般都是以氧化锌为主要成分,另加少量的其它金属氧化物(颗粒),如:鈷、猛、铋等压制而成。由于两种不同性质的物体组合在一起,相当于一个PN结(二极管),因此,压敏电阻相当于众多的PN结串、并联组成。

对于哪一种方案适合整改雷击浪涌冲击试验,能够有效的抑制住浪涌脉冲的干扰,都需要进行实际的测试来验证方案的可行性。对于电源端口,若采购的是高性价比的电源,对于常规的电源端口的浪涌,基本问题不大。

 

 

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