雷击危害与防护新方案介绍
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2014.10.
目录
一、雷击浪涌危害简介 二、雷击对电子通讯设备的影响 三、常用雷击防护方案及元件 四、雷击浪涌防护新方案设计 五、新方案测试报告 六、雷击浪涌防护新方案的应用 七、讨论
一、雷击浪涌危害简介
雷击浪涌基本概念 雷击浪涌危害表现形式 雷击危害的防护 电子设备的防护重点
一、雷击浪涌危害简介
感应雷强度不仅与放电强度相关，与距离、方向、耦合回路状态关系也很大。 据测算，400米高空100KA云间放电，在500米长架空明线上可产生2KV的线间感应冲击； 对于网络应用来说，感应雷击的威胁更为显著。
一、雷击雷危击害的浪防护涌危害简介
建筑防护：避雷/引雷系统，尽可能将雷击电流引入大地
一级防护： 初级SPD，建筑入口保护
雷击浪涌基本概念
雷电是自然界所发生的云间或云地间的高电压、大电流放电现象，往往伴随着
巨大的能量释放，当该放电对建筑、设备、甚至人身安全产生严重影响时，就形成雷
击浪涌危害。
每次雷击往往是一个串行序列，由多次放电构成，但一般遵循能量递减规律，
放电时间几十到几百微秒，放电间隔在几毫秒到上百毫秒范围，首次放电最强烈；
对于光纤接入，基本上不存在信号线缆馈入和保护地馈入问题。对于分配端 输出，由于采用了屏蔽线缆，并且传输距离比较短，因此耦合信号相对小很 多。
—— 因此，对于接入网或分配网应用，防雷措施主应要针对电源母线。
二、典型雷击防护方案
电子设备典型的雷击 保护方案 常用保护元件及特点 典型保护方案的特点
间接雷：放电电流并不直接通过保护目标，但雷击过程产生的高压、漏电流、地电位反 击、耦合能量等会对保护目标产生影响；
感应雷：主要是放电时产生的空间电磁场变化通过耦合方式在保护目标内产生高压或大 电流冲击。云间放电也可能对保护目标产生感应雷击，大大增加了威胁范围和程度；
次生危害：火灾、次声波、冲击波、机械结构损害等。
随着电子设备向集成化、小型化、智能化、网络化、在线待机功能等方向的发
展，雷击危害的威胁表现得越来越严重；
雷电的形成与气候、地形地貌、建筑等相关，有明显的区域和季节特点，当前
建筑防雷规范的建立及实施远远落后于形势的要求。
一、雷击浪涌危害简介
雷击浪涌危害的表现形式
直击雷：放电直接作用于保护目标，使其成为放电端或放电通道的一部分；
该GDT规格要求比较高，导致其成本相对来说比较高 部分场合，GDT被省略，火/零线直接通过压敏电阻到保护地，可靠性？
三、典型雷击防护方案
改善的电源端口保护电路：
与典型方案相比，增加隔离电感L和第二级VDR
隔离电感的存在，抑制了冲击输入时，向第二级灌入的电流
第二级VDR电流较低，可获得更低的箝位电压
普通用户很少具备完善的雷击防护系统，一般仅具备建筑防护，少量具备一级防护，极个 别采用了二级防护。
二、雷击对电子通讯设备的影响
雷击对电子通讯设备的威胁 雷击信号的馈入方式 雷击信号的关键影响
二、雷击对电子通讯设备的影响
雷击对电子通讯设备的威胁
目前的电子通讯设备应用主要依托于网络 网络应用所构成的电气互连更容易耦合并引入雷击信号 电子设备的小型化、低功率化使其浪涌耐受能力下降 雷击所导致的设备软、硬故障给运营带来严重问题 电子设备防雷相关标准严重滞后于网络应用所提出的需求
某厂商设计的20W交换机电源模块，根据客户要求采用单级20D561 MOV保护，
4KV测试时残压1500V，循环试验时整流滤波电容(47uF/400V)发生多次爆浆故障。
三、典型雷击防护方案
常用雷击防护元件之压敏电阻
特性：
低压高阻抗，高压阻抗急剧降低
三、典型雷击防护方案
典型电源端口保护电路：
三个压敏电阻VDR，一个气体放电管GDT
（Voltage Dependent Resistor）
（Gas Discharge Tube)
☆： GDT作用：一是保护地浮动，造成火地、零地电压离散大，VDR漏电不可预期 二是满足高压测试的要求，避免高压测试漏电流超标
二级防护： 次级SPD，用户入户保护
三级防护： 三级SPD，设备端口防护
一级防护必须考虑到建筑内的各种安全，例如易燃易爆物品、人身安全等，一般要求 100KA@10/350us以上的防护等级
对于电子设备的三级防护来说，主要是保证设备自身的安全，要求可以比一、二级防护适 当降低，但从实际使用经验来看，在雷击频发地区，国标GT17626.5所定义的4KV（2KA）偏 低，保护能力不足。
——因此设计选型时的安全余量必须放得足够宽。
470V的MOV在1KA电流时的残压大约在1KV，2KA时大约1.2KV；
560V的MOV在1KA电流时的残压大约在1.3KV，2KA时则大约1.5KV；
——1KV以上的残压对于小功率设备，威胁尤其严重！
——高残压导致瞬间功耗增大，对于防雷元件本身的可靠性不利
隔离电感的电感量一般在5－15uH
三、典型雷击防护方案
典型方案及改善方案说明
共模防护由MOV＋GDT网络实现；差模防护由独立的MOV实现
问题：
差模防护MOV的残压和漏电流是个突出矛盾
Fra Baidu bibliotek
—— 控制残压必须降低MOV耐压
—— MOV耐压降低则漏电流增加，影响寿命和可靠性
MOV耐压参数离散性10－20％，对于470V器件，可能其Vv（1mA）只有370V；
二、雷击对电子通讯设备的影响
雷击信号的馈入方式
电源母线馈入 信号线缆馈入 保护接地馈入
根据经验，对于网络应用来说，电源母线馈入是威胁最大的雷击信号引入方 式，特别是在架空明线供电的场合。主要是由于架空线缆距离长、回路面积 大，因此容易耦合高强度的雷击信号；其次就是电力线缆寄生阻抗小，大部 分耦合雷击功率都要通过负载设备消耗，因此设备受到的威胁也就最大。
典型事例之一：国内某知名通讯设备公司早期出口南美的通讯设备，就因其高密度、 大能量、大范围的雷击导致极高的故障率，最后不得不对设备防雷方面的企业标准 进行修订并在设备上增加额外的防雷措施。
典型事例之二：国内某地广电数字化改造所采购的某厂商机顶盒，在旧城区推广时， 保修期内的设备损坏率超过60％，主要也是由于雷击影响造成。
目录
一、雷击浪涌危害简介 二、雷击对电子通讯设备的影响 三、常用雷击防护方案及元件 四、雷击浪涌防护新方案设计 五、新方案测试报告 六、雷击浪涌防护新方案的应用 七、讨论
一、雷击浪涌危害简介
雷击浪涌基本概念 雷击浪涌危害表现形式 雷击危害的防护 电子设备的防护重点
一、雷击浪涌危害简介
感应雷强度不仅与放电强度相关，与距离、方向、耦合回路状态关系也很大。 据测算，400米高空100KA云间放电，在500米长架空明线上可产生2KV的线间感应冲击； 对于网络应用来说，感应雷击的威胁更为显著。
一、雷击雷危击害的浪防护涌危害简介
建筑防护：避雷/引雷系统，尽可能将雷击电流引入大地
一级防护： 初级SPD，建筑入口保护
雷击浪涌基本概念
雷电是自然界所发生的云间或云地间的高电压、大电流放电现象，往往伴随着
巨大的能量释放，当该放电对建筑、设备、甚至人身安全产生严重影响时，就形成雷
击浪涌危害。
每次雷击往往是一个串行序列，由多次放电构成，但一般遵循能量递减规律，
放电时间几十到几百微秒，放电间隔在几毫秒到上百毫秒范围，首次放电最强烈；
对于光纤接入，基本上不存在信号线缆馈入和保护地馈入问题。对于分配端 输出，由于采用了屏蔽线缆，并且传输距离比较短，因此耦合信号相对小很 多。
—— 因此，对于接入网或分配网应用，防雷措施主应要针对电源母线。
二、典型雷击防护方案
电子设备典型的雷击 保护方案 常用保护元件及特点 典型保护方案的特点
间接雷：放电电流并不直接通过保护目标，但雷击过程产生的高压、漏电流、地电位反 击、耦合能量等会对保护目标产生影响；
感应雷：主要是放电时产生的空间电磁场变化通过耦合方式在保护目标内产生高压或大 电流冲击。云间放电也可能对保护目标产生感应雷击，大大增加了威胁范围和程度；
次生危害：火灾、次声波、冲击波、机械结构损害等。
随着电子设备向集成化、小型化、智能化、网络化、在线待机功能等方向的发
展，雷击危害的威胁表现得越来越严重；
雷电的形成与气候、地形地貌、建筑等相关，有明显的区域和季节特点，当前
建筑防雷规范的建立及实施远远落后于形势的要求。
一、雷击浪涌危害简介
雷击浪涌危害的表现形式
直击雷：放电直接作用于保护目标，使其成为放电端或放电通道的一部分；
该GDT规格要求比较高，导致其成本相对来说比较高 部分场合，GDT被省略，火/零线直接通过压敏电阻到保护地，可靠性？
三、典型雷击防护方案
改善的电源端口保护电路：
与典型方案相比，增加隔离电感L和第二级VDR
隔离电感的存在，抑制了冲击输入时，向第二级灌入的电流
第二级VDR电流较低，可获得更低的箝位电压
普通用户很少具备完善的雷击防护系统，一般仅具备建筑防护，少量具备一级防护，极个 别采用了二级防护。
二、雷击对电子通讯设备的影响
雷击对电子通讯设备的威胁 雷击信号的馈入方式 雷击信号的关键影响
二、雷击对电子通讯设备的影响
雷击对电子通讯设备的威胁
目前的电子通讯设备应用主要依托于网络 网络应用所构成的电气互连更容易耦合并引入雷击信号 电子设备的小型化、低功率化使其浪涌耐受能力下降 雷击所导致的设备软、硬故障给运营带来严重问题 电子设备防雷相关标准严重滞后于网络应用所提出的需求
某厂商设计的20W交换机电源模块，根据客户要求采用单级20D561 MOV保护，
4KV测试时残压1500V，循环试验时整流滤波电容(47uF/400V)发生多次爆浆故障。
三、典型雷击防护方案
常用雷击防护元件之压敏电阻
特性：
低压高阻抗，高压阻抗急剧降低
三、典型雷击防护方案
典型电源端口保护电路：
三个压敏电阻VDR，一个气体放电管GDT
（Voltage Dependent Resistor）
（Gas Discharge Tube)
☆： GDT作用：一是保护地浮动，造成火地、零地电压离散大，VDR漏电不可预期 二是满足高压测试的要求，避免高压测试漏电流超标
二级防护： 次级SPD，用户入户保护
三级防护： 三级SPD，设备端口防护
一级防护必须考虑到建筑内的各种安全，例如易燃易爆物品、人身安全等，一般要求 100KA@10/350us以上的防护等级
对于电子设备的三级防护来说，主要是保证设备自身的安全，要求可以比一、二级防护适 当降低，但从实际使用经验来看，在雷击频发地区，国标GT17626.5所定义的4KV（2KA）偏 低，保护能力不足。
——因此设计选型时的安全余量必须放得足够宽。
470V的MOV在1KA电流时的残压大约在1KV，2KA时大约1.2KV；
560V的MOV在1KA电流时的残压大约在1.3KV，2KA时则大约1.5KV；
——1KV以上的残压对于小功率设备，威胁尤其严重！
——高残压导致瞬间功耗增大，对于防雷元件本身的可靠性不利
隔离电感的电感量一般在5－15uH
三、典型雷击防护方案
典型方案及改善方案说明
共模防护由MOV＋GDT网络实现；差模防护由独立的MOV实现
问题：
差模防护MOV的残压和漏电流是个突出矛盾
Fra Baidu bibliotek
—— 控制残压必须降低MOV耐压
—— MOV耐压降低则漏电流增加，影响寿命和可靠性
MOV耐压参数离散性10－20％，对于470V器件，可能其Vv（1mA）只有370V；
二、雷击对电子通讯设备的影响
雷击信号的馈入方式
电源母线馈入 信号线缆馈入 保护接地馈入
根据经验，对于网络应用来说，电源母线馈入是威胁最大的雷击信号引入方 式，特别是在架空明线供电的场合。主要是由于架空线缆距离长、回路面积 大，因此容易耦合高强度的雷击信号；其次就是电力线缆寄生阻抗小，大部 分耦合雷击功率都要通过负载设备消耗，因此设备受到的威胁也就最大。
典型事例之一：国内某知名通讯设备公司早期出口南美的通讯设备，就因其高密度、 大能量、大范围的雷击导致极高的故障率，最后不得不对设备防雷方面的企业标准 进行修订并在设备上增加额外的防雷措施。
典型事例之二：国内某地广电数字化改造所采购的某厂商机顶盒，在旧城区推广时， 保修期内的设备损坏率超过60％，主要也是由于雷击影响造成。