雷电冲击过电压的理论与试验

雷电冲击过电压的理论与试验

齐广振

20071626

一、引言 写高电压技术的学习体会

雷电冲击耐压是用截波作试验，耐压试验又称“工频耐压试验”，是用50HZ 正弦波作试验，两者试验波形不同。

雷电冲击耐压试验的截波前沿很陡，虽然有效值不一定非常高，但是波形的峰值很高，所以是一个由多次谐波组成的尖峰冲击波，它模仿了雷电波进入后对于绝缘的冲击；

工频耐压试验就是比较高的正弦波，它仿效了操作时回路发生的过电压状态。目前，真空断路器使用得最多的是10KV 和6KV ，个别也有66KV 和35KV 的，在这些电压等级的系统中，雷电冲击波对于电器设备的危害远远大于工频操作过电压，所以就有工频耐压通过了，但是雷电冲击过不了的。当电压上升至500KV 及以上，操作过电压对于设备的危害将大于雷电冲击，到那时，是雷电冲击好过，而工频耐压不好过了。

二、雷电冲击过电压理论 波形组成及其传播理论

用频率响应法和低电压短路阻抗法对高低压绕组测试表明，绕组不存在明显变形。

1.波形组成

根据冲击电压雷电波定义，当t t t ,雷电波电压大小为最大幅值时的0.5倍。

雷电过电压波形时间1.2us±30%，半峰值时间50us±20%，频带范围几Hz至MHz

为了确定变压器绕组绝缘是否损坏以及可能损坏的程度，进行了局部放电试验。测试中对高低压绕组同时进行监测。首先测试高压C相、低压c相，在低压bc加压。试验时发现在L3倍额定电压下，高低压局部视在放电量都很大，高压约为5000pC，低压侧约为4000pC。由于放电波形不稳定，很难比对高低压绕组放电量变化情况。测试高压A相、低压a相，在低压ca加压，施加电压约80%额定电压时，高低压绕组放电量突然增大，放电量达数万pC。于是降低施加电压，通过比对高低压绕组放电情况，认为很可能低压存在严重放电。随着时间的延长，放电趋于稳定，但高数值放电仍然时常出现。测试高压B相、低压b相时，高低压绕组均没有出现大的放电量，放电量为18OpC。重新测试高压C 相、低压C相时，发现高低压绕组的放电量均已经很小，约为200PC。而重新测试高压A相、低压a 相时仍然有幅值很大的放电波形时常出现。综合分析可以认定高压A相出现的大幅值的放电波形是低压a相传递过去的，低压a相局部纵向绝缘存在严重的损坏情况。第一次测试高压C相出现的大幅值放电波形实际也是从低压a相传递过去的。只不过随着加压时间的延长，损坏的匝间毛刺变小，低压a相起始放电电压上升，使得重新测试C相时低压a相放电量大大降低(这时低压a相施加的电压只有65%匝电压)。

三、雷电冲击过电压试验写产生与测量

雷击试验的电流波形对于一个8~20ms的波形，T1 = 8ms、T2 = 20ms。通常，试验中冲击电压的范围从±2kV到±16kV，步长为±2kV，施加在电源线之间或一条电源线与被测设备(EUT)机架的地之间，即L-N、L-G和N-G。冲击的功率直接加载到EUT中的SMPS 上，因此必须保证SMPS不会被毁坏，并且在冲击电压被施加后还能正常工作。在1990年代初IEC61000-4-5标准出现以前，大多数设备制造商使用的都是JEC210/212标准。之后，IEC61000-4-5标准得到了广泛应用。

试验环境

雷电冲击试验的测试环境。使用带有外部SMPS适配器的LCD TV作为EUT。雷电冲击发生器是一个能产生特定波形的理想电压源，它有一个固定的输出阻抗，参见表1。交流电源通过隔离变压器对SMPS适配器供电，对于差模冲击试验，冲击电压施加在SMPS适配器的交流电源线之间，而对于共模冲击试验，则施加在一条交流电源线和机顶盒调谐器的输入插座上的地连接之间。在每个电压步长(2kV-16kV)和每种极性上，分别进行5次试验。

雷击电压对IC的干扰

此电路由一个带有CoolSET-F3 PWM控制器的反向转换器构成。冲击信号施加在零线和地平面之间。图中显示了可能的冲击电流通路，T1、T2和T3 。I1 是通过位于零线和地之间的Y型电容CY1的电流。通常I1 在桥式整流器前就被限制，因此PWM IC无法检测。I2 是通过EMI电容C4的电流，

I3 是从变压器次级线圈的地到初级线圈的地之间的电流。如图所示，I2 和I3 可能会对IC GND产生潜在的影响，具体取决于PCB的设计。如果IC有引脚直接连到储能电容正极的高电压上，则I4也会对IC产生影响。

假设Z是粉红色的PCB引线的阻抗，则IC引脚1(Softs)和引脚8(GND)之间的电压为：

Vsofts_GND=VC7+Z·(I2+I3)? (1)

其中，VC7 是软启动电容C7两端的电压。在雷击发生时，它能够被当作一个固定的电压。由公式(1)可以看出，IC检测到由I2 和I3引起的噪声电压。在FB到GND、Vcc到GND和Isense到GND 这些IC的引脚电压上，也出现了同样的情况。如果噪声电压过高，IC可能会进入像保护模式这样的错误状态，甚至被损坏。

针对雷电冲击试验的SMPS设计考虑

PCB的主要地线设计。IC引脚是否会检测到噪声信号，与PCB的设计密切相关。因此PCB设计的方针就是将I2 和I3分流到不会被IC检测到的其它路径上。建议对下列地线使用“星形”连接，它们是小信号IC 地线；大电流CS地线；输入桥式整流器地线；MOSFET散热器地线；Y电容地线(如果Y电容被连接在变压器初级线圈地线和次级线圈地线之间)；变压器辅助绕组地线。

在某些情况下，由于在正常工作时，信噪比太低，因此辅助绕组的地线必须直接连接到IC的地引脚，这样I3在雷击时不可避免地会影响IC管脚。在这种情况下，一种提高对雷电噪声抵抗能力的方法就是将与辅助绕组的地相连的PCB引线设计得尽可能粗，以得到较低的阻抗Z。

初级线圈GND和次级线圈GND之间的Y电容。图4中Y电容C4的作用是旁路EMI噪声。除了连到初级线圈的地之外，有时也能将C4连到储能电容的正极来达到旁通EMI噪声的目的。这样做将雷电冲击电流I2分流到储能电容的正极，不会再对IC地电平产生影响。但是，如果出于其它的考虑而不能实现，那么C4就只能被连到初级线圈的地端，因此就必须使用上星形连接。

变压器隔离和屏蔽。I3电流的大小由变压器的隔离电压决定。如果变压器的隔离电压低于雷击电压，则会在初级线圈和次级线圈之间发生瞬时击穿，并且会产生很大的冲击电流。除此之外，很大的冲击电流还会对IC造成干扰，次级整流器的二极管也会在瞬时击穿时承受很高的电压应力，甚至被毁坏。因此，建议使变压器的隔离电压高于雷电冲击试验电压。

变压器屏蔽有助于减小初级线圈和次级线圈之间的寄生电容，屏蔽层插入到初级线圈和次级线圈之间，并连接到储能电容的正极。由于屏蔽层更靠近次级线圈，因此次级线圈的GND与屏蔽层之间的寄生电容要大于次级线圈的GND与辅助绕组之间的电容。因此在雷电冲击试验时，雷电冲击电流更可能通过屏蔽层流入储能电容的正极，而不会流入初级线圈的GND，从而对IC GND造成影响。

四、预防措施最好加图写但避雷针的保护范围计算避雷器接地原理