电子设备电源系统防雷措施的探索与研究

电子设备电源系统防雷措施的探索与研究
和丽霞
（南京气象学院电子工程系，210044）
摘要本文分析了电子设备中电源系统（包括直流和交流）的雷电防护措施，并附带原理图的形式加以说明
关键词电源系统防雷措施分析
Abstract The approach of lightning protection to the power system(including AC and DC) of the electronics are analyzed in this paper，with the picture attached.
一．引言
建筑物内电子设备使用的交流电源通常是由供电线路从户外交流电网引入当雷击于电网附近或直击于电网时，就会在线路上产生过电压波，这种过电压波沿着线路传入户内，通过交流电源系统侵入电子设备,造成电子设备的损坏。

并且，这种雷电过电压也能从交流电源侧或通信线路传播到直流电源系统，危及直流电源及其负载电路的安全。

随着各种先进电子设备在各类建筑物中的应用，对电子设备电源系统的防雷保护问题已越来越受到人们的关注。

下面具体从直流电源和交流电源两部分分析着手分析其保护原理。

二．直流电源的保护措施分析
从简单的晶体管到和集成运放电路到各种复杂的数字和微处理系统，几乎都要用到直流电源，因此暂态过电压对直流电源的危害将直接威胁到电子设备的安全。

这就需要对直流电源采取暂态过电压防护措施。

简单的直流电源由电源变压器、整流器、滤波电容、稳压电路和其它一些配件组合。

简单的直流电源过电压防护电路如图一所示，在该图中M1、M2、M3、装设于电源变压器的原边，用于抑制来自交流电源线路上的共模和差模暂态过电压，雪崩二极管D1用于保护变压器副边的元器件，如整流器、滤波电容C和稳压器。

D1的击穿电压应该略小于稳压器的最大容许输出电压和滤波电容的耐受电压，同时应大于正常运行时稳压器的最大输入电
开关电源及其暂态过电压保护电路如图二所示，在此图中，开关K1、K2常为双极晶体管或功率场效应管，控制电路能根据负载电压的大小来反馈控制K1、K2各自的闭合时间。

由于来自交流电源侧的暂态过电压波能直接侵入整流器和开关K1、K2，对于这种开关电源的过电压保护将比对简单直流电源保护要困难写。

一种可行的方法是在整流器的交流电源侧装两个压敏电阻M1、M2以及串联L-R支路，其中压敏电阻主要用于抑制共模暂态过电压，电感L(R为其线圈的电阻)用于抑制短持续时间的差模暂态过电压，以保护滤波电容C1和开关K1与K2，L的数值一般可以取为几十到一百uH。

在线间差模暂态过电压作用下，滤波电容C1上出现的过电压实际上包括三个分量：（一）由暂态脉冲电流对C1充电所引起的压降分量；（二）又暂态脉冲电流流过C1中等值损耗串联电阻产生的压降分量；（三）由暂态脉冲电流变化率在C1寄生电感上产生的压降分量。

电感L即可限制暂态脉冲电流的幅值，又可限制
3.低压线路遭受雷电感应或直接雷击时，雷电过电压作用于低压绕组，并按变比耦合到高压绕组。

由于低压侧上午绝缘裕度比高压侧大，有可能在高压侧先引起绝缘击穿，这一过程称为正变换过程。

为了抑制由正、反变换过程产生的暂态过电压，需要在低压侧也装三个低压氧化锌避雷器（压敏电阻），避雷器的接地应就近接在变压器的金属外壳上。

这三个避雷器能够限制低压侧出现的暂态过电压，从而也能有效的抑制正、反变换过程在高压侧产生的暂态过电压。

在传统的配电变压器低压侧保护中常采用普通阀型避雷器（FS～0．25），这种避雷器的保护效果不如氧化锌的好，氧化锌避雷器的主要优势在于：一是氧化锌避雷器
压，而将共模过电压由隔离器或低通滤波器来抑制。

从而省去一到两个压敏电阻。

为了改善保护性能，可采用压敏电阻与放电管串联支路来取代单个压敏电阻。

在电源系统正常运行时，由于放电管的隔离作用压敏电阻几乎无泄漏电流流过，这就大大减缓了压敏电阻因长时间流过泄露电流所产生的老化现象，同时在保证可靠切断放电管工频续流的前提下能够将压敏电阻的参考电压选的低一些，以降低起残压和箝位水平，提高对脆弱电子设备的保护可靠性。

在这种串联支路中，对放电管的限制首先要求它在系统最高运行电压下不能放电，为此就要求放电管的直流放电电压U fdc应大于系统最高运行电压U p，可估算min(U fdc)>=1．2max(U p)；其次要求放电管在暂态抑制结束后能可靠灭弧，为此串联支路在系统最高运行电压作用下，压敏电阻中的电流I v应小于放电管的熄弧电流值I e。

实际上只要在几个毫秒的短时间内I v 低于I e就有可能灭弧。

但为了可靠起见，一般是让Iv连续低于I e。

在估算I v时，取放电管
多级保护电路为两级，包含泄流和箝位两个基本环节。

第一级作为泄流环节，主要用于旁路泄放暂态大电流，将大部分的暂态能量泄放掉；第二级作为箝压环节，主要用于电压箝位，将暂态过电压限制到被保护电子设备可以耐受的水平，对于第一级泄流环节，要求所用的保护元件具有通流容量大和耐受脉冲冲击能力强的特点，因此放电管和压敏电阻均可作为候选元件，但用于220V/380V交流电源线路保护时，采用放电管会产生工频续流问题，它必须与其它的元件配合使用才行，而大容量的压敏电阻较好的满足这一条件。

如果单个压敏电阻通流容量不够，还可以采用若干个大容量的压敏电阻并联来提高通流容量。

对于第二级箝位环节，要求所用的保护元件的伏安特性具有良好的非线性，且动作箝位后的残压要低。

因此，压敏电阻和暂态二极管均可作为候选元件，但暂态二极管和压敏电阻相比其通流容量十分有限，且不容易与第一级保护元件的特性进行配合，所以在第二级中常采用压敏电阻。

不过在一些脆弱电子设备的保护场合，由于暂态二极管的非线性特性比压敏电阻好些，且其箝位电压水平也较低，因此也可以选用大功率的暂态抑制二极管作为第二级保护元件。

要实现第一、二级保护特性的合理配合，需要在这两级间串入一定的元件，原则上，电阻和电感都可以作为候选元件。

但如果采用电阻，则当被保护设备的负载电流较大时，这个电阻必须相当小，才能是正常运行时电阻上的压降很小，不致影响到被保护设备的正常工作电压，同时电阻的功率也应选的较大，以耐受较大的负载电流，这样就对电阻的选择提出了苛刻的要求，使之难以实施。

如果采用电感，在正常运行时对电感值及功率都没有苛刻要求，只要求在暂态过电压脉冲冲击下电感值不能发生较明显的下降，这一要求可以通过对电感线圈的特殊设计和特殊绕制来达到。

下面图六是一个单相交流电源的两级保护电路。

在该图的第一级由M1、M2和M3三个压敏电阻构成，起着泄放暂态大电流和吸收暂态能量的作用，它们的参考电压可选为510V-600V，通流容量可选为8/20us、30kA脉冲电流冲击一次。

第二级由M4、M5和M6三个压敏电阻构成，起着电压箝位的作用，它们的参考电压可选为430V，通流容量可选为耐受8/20us、10kA脉冲电流冲击一次。

介于这两级之间的配合元件采用的是电感L1和L2，它们的数值可取为几十uH。

由波动的折、反射原理可知，当暂态过电压波进入保护电路并到达电感时，电感将能够产生与来波同极性的反射波，来波与反射波叠加将迅速升高第一级压敏电阻上的电压，促使其尽早动作泄流，同时电感也能够产生与来波反极性的暂态折射波分量来降低作用于第二级压敏电阻上暂态电压波波头上升陡度，来改善第二级压敏电阻的响应特性，使它们能有效的发挥箝位限压作用。

另外，为了与串联电感构成低通滤波器，实施对暂态过电压的衰减，在第二级中加入并联电容C1、C2和C3，它们的电容值均为几十uF
1256C5C6C3C2C1
C4
C?
0.01uF M1M2
M3
R4R3R2
R5R6R7L 1
L 2L G
N R8
32
近年来，由于高层建筑物的兴起和信息处理技术与人们学习、生活的日益密切，各种先进的电子设备正广泛地配备于各种建筑物。

这些电子设备普遍存在着绝缘强度底、过电压和过电压耐受能力差、对电磁干扰敏感等弱点，一旦建筑物受到直接雷击或其附近区域受到雷击，雷电过电压、过电流和脉冲电磁场会通过供电线、通信线、接受天线和空间辐射等途径侵入建筑物内，威胁室内电子设备的正常工作和安全运行。

如果防护不当，这些雷害轻则使电子设备工作失灵，重则使电子设备永久性损坏，严重时还可能造成人员伤亡。

而电源系统的防护是一个重要环节，因此，现代建筑防雷设计必须重视电源系统的雷电防护，进一步完善建筑物内电子设备的雷电防护措施。

对于建筑物内部电子设备的保护而言，一般应首先在供电线路进入建筑物的入口处设置保护装置，这样做可以将沿供电线路袭来的雷电过电压侵入波防护于建筑物之外。

同时，对那些高精尖的脆弱电子设备，还需要在它们的电源输入端前设置保护装置。

从保护性能的要求来看，入口处的保护装置应具有较大的通流容量，而设备前的保护装置则应具有较低的箝位水平。

在对一个较为复杂的电源系统进行防雷保护设计时，通常需要采用一些专门的计算机软件，对电源系统网络中的雷电暂态过程进行数值模拟，确定在电源系统中设置保护装置的具体个数、位置和保护装置保护特性之间的配合关系，从而选择最佳的防雷保护方案。

参考文献：
1 张小青．建筑物内电子设备的防雷保护．电子工业出版社，2002
2 周志敏．电子设备瞬态干扰抑制技术．《防雷技术》，NO.8，2003
3潘忠林. 现代防雷技术.电子科技大学出版社, 1997。