當(dāng)設(shè)備附近發(fā)生雷電時(shí),這時(shí)考驗(yàn)設(shè)備的抗擾度問題!
1)雷擊(主要模擬間接雷):例如,雷電擊中戶外線路,有大量電流流進(jìn)外部線路或接地電阻,因而產(chǎn)生的干擾電壓;又如,間接雷擊(如云層間或云層內(nèi)的雷擊)在線路上感應(yīng)出的電壓或電流;再如,雷電擊中了鄰近物體,在其四周建立了電磁場(chǎng),當(dāng)戶外線路穿過電磁場(chǎng)時(shí),在線路上感應(yīng)出了電壓和電流;還如,雷電擊中了四周的地面,地電流通過公共接地系統(tǒng)時(shí)所引進(jìn)的干擾。
2)切換瞬變:例如,主電源系統(tǒng)切換時(shí)(例如補(bǔ)償電容組的切換)產(chǎn)生的干擾;又如,同一電網(wǎng)中,在靠近設(shè)備四周有一些較大型的開關(guān)在跳動(dòng)時(shí)所形成的干擾;再如,切換有諧振線路的晶閘管設(shè)備;還如,各種系統(tǒng)性的故障,例如設(shè)備接地網(wǎng)絡(luò)或接地系統(tǒng)間產(chǎn)生的短路或飛弧故障。
自然雷電浪涌是從電網(wǎng)的中線傳輸進(jìn)來,而不是從火線進(jìn)來;打雷的時(shí)候會(huì)打在建筑物上;再傳到供電設(shè)備上!雷電傳到地上有兩個(gè)方向來傳;
A.通過線路(電網(wǎng)中線)
B.通過地面
地面有水分有礦物質(zhì)比如Fe(含量在6%左右);所以雷電的傳播速度很慢,相當(dāng)于光速的幾十分之一!
通過電纜中線的傳輸就相當(dāng)來說要快的多,大概只有光速的幾分之一!
在同樣打雷的時(shí)候從中線傳輸就很快!要經(jīng)過較長的時(shí)間才會(huì)衰減到零!假如我們的雷電是100us, 通過地面是光速的1/10 其傳輸距離為好幾百米;通過中線是光速的1/3其傳輸距離就可以達(dá)到好幾公里!這樣中線上的電壓就很高!如果電子產(chǎn)品&設(shè)備跟中線連接跟大地連接,就相當(dāng)于有幾萬伏或者幾千伏的電壓加在設(shè)備上;就會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品的故障損壞!
中性點(diǎn)(中線)接地(產(chǎn)品的供電系統(tǒng))給我們電網(wǎng)帶來好處;優(yōu)越性如下: 在220/380V三相四線制低壓配電網(wǎng)絡(luò)中,配電變壓器的中性點(diǎn)大都實(shí)行工作接地。這主要是因?yàn)檫@樣做具有下述優(yōu)越性:一是正常供電情況下能維持相線的對(duì)地電壓不變,從而可向外(對(duì)負(fù)載)提供220/380V這兩種不同的電壓,以滿足單相220V(如電燈、電熱)及三相380V(如電動(dòng)機(jī))不同的用電需要。二是若中性點(diǎn)不接地,則當(dāng)發(fā)生單相接地的情況時(shí),另外兩相的對(duì)地電壓便升高為相電壓的幾倍。中性點(diǎn)接地后,另兩相的對(duì)地電壓便仍為相電壓。這樣,即能減小人體的接觸電壓,同時(shí)還可適當(dāng)降低對(duì)電氣設(shè)備的絕緣要求,有利于制造及降低造價(jià)。三是可以避免高壓電竄到低壓側(cè)的危險(xiǎn)。實(shí)行上述接地后,萬一高低壓線圈間絕緣損壞而引起嚴(yán)重漏電甚至短路時(shí),高壓電便可經(jīng)該接地裝置構(gòu)成閉合回路,使上一級(jí)保護(hù)動(dòng)作跳閘而切斷電源,從而可以避免低壓側(cè)工作人員遭受高壓電的傷害或造成設(shè)備損壞。所以,低壓電網(wǎng)的配電中性點(diǎn)一般都要實(shí)行直接接地。
中性點(diǎn)有電源中性點(diǎn)與負(fù)載中性點(diǎn)之分。它是在三相電源或負(fù)載按Y型聯(lián)接時(shí)才出現(xiàn)。對(duì)電源而言,凡三相線圈的首端或尾端連接在一起的共同連接點(diǎn),稱電源中性點(diǎn),簡稱中點(diǎn);而由電源中性點(diǎn)引出的導(dǎo)線便稱中性線,簡稱中線,常用N表示。三相四線制中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和三相四線制中性點(diǎn)接地系統(tǒng)。
一般情況下,當(dāng)中性點(diǎn)接地時(shí),則稱為零線;若不接地時(shí),則稱為中線。
配電系統(tǒng)的三點(diǎn)共同接地。為防止電網(wǎng)遭受過電壓的危害,通常將變壓器的中性點(diǎn),變壓器的外殼,以及避雷器的接地引下線共同于一個(gè)接地裝置相連接,又稱三點(diǎn)共同接地。這樣可以保障變壓器的安全運(yùn)行。當(dāng)遭受雷擊時(shí),避雷器動(dòng)作,變壓器外殼上只剩下避雷器的殘壓,減少了接地體上的那部分電壓。
那么防雷最有效的方法是鋪設(shè)地網(wǎng)!如果在建大樓或?qū)嶒?yàn)室時(shí)要鋪地網(wǎng),地網(wǎng)和中線連接,把中線與地線兩個(gè)都接在同電位的平面上面;地網(wǎng)和中線同電位了!這樣哪怕雷電在地網(wǎng)的傳播速度和電網(wǎng)的中線有差別,同時(shí)再隔20米進(jìn)行中線重新接地網(wǎng),這樣雷電引起的分布電壓就很小了!設(shè)備被雷電擊壞的可能性就很小了!但實(shí)際我們建筑物等系統(tǒng)都沒有這種充分的措施,所以雷電會(huì)對(duì)我們的產(chǎn)品&設(shè)備產(chǎn)生威脅;
雷電對(duì)電子產(chǎn)品&設(shè)備的影響:
1. 直接雷擊:
直擊雷蘊(yùn)含極大的能量,峰值電壓可高達(dá)5000KV,峰值電流可高達(dá)140KA最大可達(dá)300KA,具有極大的破壞力,如果建筑物直接被雷電擊中,巨大的雷電流沿電網(wǎng)線入地,會(huì)造成以下影響:
1).巨大的雷電在數(shù)微秒時(shí)間內(nèi)入地,使地電位迅速提高,造成“反擊”事故,危害人身和設(shè)備的安全;
2).雷電流產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁波,在電源線和信號(hào)線上感應(yīng)極高的脈沖電壓;雷電流流經(jīng)電氣設(shè)備產(chǎn)生極高的熱量,造成火災(zāi)或爆炸事故。
2. 感應(yīng)雷擊:直接雷擊發(fā)生后由于靜電感應(yīng)而產(chǎn)生的雷擊,常稱二次雷擊。
感應(yīng)雷的特性:感應(yīng)雷實(shí)際上是一個(gè)峰值高. 持續(xù)時(shí)間μS 級(jí)的脈沖電流(或電壓),又稱為浪涌電流(或浪涌電壓)。與直接雷擊的雷電流波形相比,感應(yīng)雷電流峰值低,半值時(shí)間短。從能量角度來看,10/350μS波形是8/20μS波形的5倍以上。IEEE 指出,電力線上的感應(yīng)雷電流峰值不會(huì)大于10KA(8/20)。雷電壓峰值不會(huì)大于20KV(1.2/50)。
IUT 指出數(shù)據(jù)線上的感應(yīng)雷電流峰值不會(huì)大于125A(8/20),雷電壓峰值不會(huì)大于5KV(10/700)。
感應(yīng)雷擊的危害:感應(yīng)雷擊是沿導(dǎo)體傳播并將導(dǎo)體相連接的電器設(shè)備損壞。它的主要破壞對(duì)象是弱電設(shè)備,由于雷電流可沿導(dǎo)體傳到很遠(yuǎn)的地方,因此,感應(yīng)雷擊的破壞面很廣,人們經(jīng)常遇到的沒有感覺到有雷擊而設(shè)備損壞了的情況,就是遠(yuǎn)處的感應(yīng)雷電流傳過來了導(dǎo)致。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球80%的雷擊損失來自感應(yīng)雷擊。
3. 雷電的幾種破壞途徑:
1). 直擊雷破壞
當(dāng)雷電直接擊在建筑物上,強(qiáng)大的雷電流使建筑物水份受熱汽化膨脹,從而產(chǎn)生很大的機(jī)械力,導(dǎo)致建筑物燃燒或爆炸。另外,當(dāng)雷電擊中接閃物體,電流沿傳播物體/電網(wǎng)桿線向大地瀉放時(shí),這時(shí)對(duì)地電位升高,有可能向臨近的物體跳擊,稱為雷電“反擊”,從而造成火災(zāi)或人身傷亡。
2). 感應(yīng)雷破壞
感應(yīng)雷破壞也稱為二次破壞。它分為靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷兩種。由于雷電流變化梯度很大,會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的交變磁場(chǎng),使得周圍的金屬構(gòu)件產(chǎn)生感應(yīng)電流,這種電流可能向周圍物體放電,如附近有可燃物就會(huì)引發(fā)火災(zāi)和爆炸,而感應(yīng)到正在聯(lián)機(jī)的導(dǎo)線上就會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈的破壞性。
①靜電感應(yīng)雷
帶有大量負(fù)電荷的雷云所產(chǎn)生的電場(chǎng)將會(huì)在金屬導(dǎo)線上感應(yīng)出被電場(chǎng)束縛的正電荷。當(dāng)雷云對(duì)感應(yīng)出的這些被束縛的正電荷也就在一瞬間失去了束縛,在電勢(shì)能的作用下,這些正電荷將沿著線路產(chǎn)生大電流沖擊。易燃易爆場(chǎng)所、計(jì)算機(jī)及其場(chǎng)地的防靜電問題,應(yīng)特別重視。
②電磁感應(yīng)雷
雷擊發(fā)生在供電線路附近,或擊在避雷針上會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的交變電磁場(chǎng),此交變電磁場(chǎng)的能量將感應(yīng)于線路并最終作用到設(shè)備上。由于避雷針的存在,建筑物上落雷機(jī)會(huì)反倒增加,內(nèi)部設(shè)備遭感應(yīng)雷危害的機(jī)會(huì)和程度一般來說是增加了,對(duì)用電設(shè)備造成極大危害。因此,避雷針引下線通體要有良好的導(dǎo)電性,接地體一定要處于低阻抗?fàn)顟B(tài)。
③雷電波引入的破壞
當(dāng)雷電接近架空管線時(shí),高壓沖擊波會(huì)沿架空管線侵入室內(nèi),造成高電流引入,這樣可能引起設(shè)備損壞或人身傷亡事故。如果附近有可燃物,容易釀成火災(zāi)。
云層之間頻繁放電產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁波,在電源線和信號(hào)線上感應(yīng)極高的脈沖電壓,峰值電壓可達(dá)50KV,峰值電流可達(dá)20KA,嚴(yán)重?fù)p壞電氣設(shè)備。
所以在大電流下存在地平面阻抗問題!通過對(duì)設(shè)備施加瞬態(tài)高電流,出現(xiàn)地線反擊:
若電流為5kA,地線阻抗為0.5歐,則反擊電壓達(dá)到2500V !
那么對(duì)于開關(guān)電源系統(tǒng)雷擊會(huì)產(chǎn)生什么損壞?
A.差模雷擊產(chǎn)生高的差模電流能導(dǎo)致輸入大電容的電壓升高,而損壞輸入大電解電容和開關(guān)管的漏極。
B.共模雷擊會(huì)產(chǎn)生非常高的共模電壓,共模電壓能造成電弧放電。電弧放電發(fā)生會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常高的高頻的電流。如果沒有電弧放電發(fā)生,電流比較小,只有寄生電容Cparasitic * dv/dt.
當(dāng)發(fā)生一個(gè)電弧放電,會(huì)得到一個(gè)非常高的峰值高頻電流,高頻電流產(chǎn)生噪聲能耦合進(jìn)入低壓電路導(dǎo)致誤動(dòng)作。
總結(jié):
自然雷電浪涌是從電網(wǎng)的中線傳輸進(jìn)來,雷電在電網(wǎng)中線與大地的傳輸速度存在好多倍的差異;以此中線上的電壓就很高!如果電子產(chǎn)品&設(shè)備跟中線連接跟大地連接,就相當(dāng)于有幾萬伏或者幾千伏的電壓加在設(shè)備上;就會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品的故障損壞!后面我再進(jìn)行開關(guān)電源系統(tǒng)電子線路的雷擊浪涌的防護(hù)設(shè)計(jì)技巧推薦給大家!
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任何的EMC問題及疑難雜癥;先分析再設(shè)計(jì)才是高性價(jià)比的設(shè)計(jì)!
實(shí)際應(yīng)用中電子產(chǎn)品的EMC涉及面比較廣;我的系統(tǒng)理論及課程再對(duì)電子設(shè)計(jì)師遇到的實(shí)際問題進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)分析!先分析再設(shè)計(jì);實(shí)現(xiàn)性價(jià)比最優(yōu)化原則!
審核編輯 黃昊宇
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