雷击浪涌防护技术

雷击浪涌防护设计技术
案例三：工程防雷
▪相关设备的接地设计(站Ｂ )
架空用户线
配线架
ONU
SDH
室外
室内
雷击浪涌防护设计技术
参考文献
张小青，《建筑物内电子设备的防雷保护》，电子工业出版 社 GB50057， 建筑物内防雷设计规范 YD5098，通信局（站）防雷与接地工程设计规范 YD/T993，电信终端设备防雷技术要求及试验方法 YD/T944，通信电源设备的防雷技术要求和测试方法 GB17626.5，浪涌冲击抗扰性试验
电源
外部防雷系统
水管 燃气管
Z 基础接地极
雷击浪涌防护设计技术
设备的等电位保护
雷击浪涌防护设计技术
分级保护
L1 L2 L3 N
DEHNport
Blitzstromableiter
高能量避雷器
线缆长度 > 5 m*
*如果PE线与主线在同一线 缆中，则线缆长度要求 > 15
m
DEHNguard Typ 275
M 2 P
C
M
L2 1
4
CC M
M
23 5
3
M
6
第一级：泄流 第二级：箝位
雷击浪涌防护设计技术
典型电路分析
▪ 信号接口保护电 路
发送器
保护电路
长线
保护电路
接收器
雷击浪涌防护设计技术
减小寄生电感
保护器件
保护器件
保护器件
✓
保护器件
雷击浪涌防护设计技术
减小寄生电感
▪ PCB板上防雷器件的布局
防雷器件安 装点
架 空 导 线
雷击浪涌防护设计技术
静电感应产生过电压
雷击浪涌防护设计技术
设备雷击损坏机理
地电位升的影响
电源线、信号线
设备
接地系统越完善，接地阻抗越小，地电 位升造成的损害就越小。
接地阻抗
雷击浪涌防护设计技术
设备雷击损坏机理
感应雷的影响
电源线、信号线
设备
雷击浪涌防护设计技术
设备雷击损坏机理
✓
雷击浪涌防护设计技术
案例分析
雷击浪涌防护设计技术
案例一：电源端口防雷设计
L
F1
VR1
N
F2
VR2
VR3
G1 PE
保险管的参数必须合理选取，使之不 能损坏电路的防雷能力。
雷击浪涌防护设计技术
案例一：电源端口防雷设计
器件参数
F1、F2：型号T10AL250VAC，额定电流10A。
模块一
VR1、VR2、VR3：型号S20K385，85℃环境温度下最大可承受冲 击电流（8/20uS）10KA。
电磁兼容技术讲 座
雷击浪涌防护技术
雷击浪涌防护设计技术
主要内容
雷电的产生 雷电压/电流的特性 雷电的危害机理 雷击浪涌防护设计技术 案例分析
雷击浪涌防护设计技术
雷电的产生
雷击浪涌防护设计技术
雷电的产生
雷击浪涌防护设计技术
雷电压/电流的特性
▪ 1.2/50uS雷电压脉冲波形(IEC61000-4-5)
LEMP
LPZ 0 B
接闪系统
LPZ 0 A
LPZ 0 B
M
LPZ 1 房间屏蔽
ü
LEMP
“滚球半径" 20 m
空调装置
LPZ 2
设备屏蔽 LPZ 3
üü
üü
LEMP
摄像机 ü
灯光 ü
局部等电位连接 插座 ü
LPZ 0 B
电源系统
SEMP
ü
ü
LPZ 1
加强筋 基础接地极
防雷等电位连接 雷电流SPD
ü
局部等电位连接 过压保护器 SPD
电源系统 信息网络系统
LPZ 防雷保护区
雷击浪涌防护设计技术
外部防雷系统
避雷针
h
保护角度
网孔 下引线
r
滚球
接地系统
雷击浪涌防护设计技术
外部防雷系统
(接闪系统,引下线, 基础接地极)
基础接地极
雷击浪涌防护设计技术 防雷分区概念的应用
LPZ 0A
滚球 R = 20 m
雷击浪涌防护设计技术
雷电压/电流的特性
▪ 8/20uS雷电流脉冲波形(IEC61000-4-5)
雷击浪涌防护设计技术
雷电的危害机理
雷击浪涌防护设计技术
雷电闪击电压的计算
保护级别 I II
III - IV
Lit.: IEC 61024-1-1
ûE = î·Rst
雷电流峰值. kA
200
i
150
100
LPZ 0B
信号线 电源线
LPZ 1
基站
雷击浪涌防护设计技术
建筑物有防雷系统的等电位连接
防雷系统
基站
天线架
线槽
雷击浪涌防护设计技术
室 外 天 线 与 电 缆 的 布 设
Mobilf-englisch.ppt / 18.08.00 / ESC
雷击浪涌防护设计技术
进出线缆端口的防雷等电位连接
等电位汇流排 EBB
气体放电管
优点
• 极间绝缘电阻大 • 极间电容小 • 泄放暂态过电流能力强
缺点
• 时延 • 续流 • 老化
雷击浪涌防护设计技术
半导体放电管
▪ 伏安特性
I IPP IT IBO IH IDM
I
IPP
IT
IBO
IH
V
IDM
VT
VDM
VBO
VT
VBR
V
VDM
VBO
VBR
单向半导体放电管
双向半导体放电管
雷击浪涌防护设计技术
压敏电阻
优点
• 通流容量大 • 动作响应快 • 无续流
缺点
• 极间电容大 • 老化
雷击浪涌防护设计技术
瞬态电压抑制器
TVS—Transient Voltage Suppressor
▪ 伏安特性
正向 + 反向 - +
反向电压
Vc Vbr VRM
正 向 电 流
IRM
正向电压
反
向
IPP
电 流
雷击浪涌防护设计技术
雷击浪涌防护设计技术
案例二：信号端口的防雷
▪ E1 、 T1 接 口 保 护 电 路
雷击浪涌防护设计技术
案例三：工程防雷
▪某电信局站Ａ
➢ 该站总共6块用户板，一年半时间共返 修50余块。
➢ 电源线和用户线均由架空明线引入， 接地桩的接地电阻为3Ω。分析认为这 些损坏是因雷击引起。
雷击浪涌防护设计技术 案例三：工程防雷
G1：型号EC600X，额定通流量5KA，最大通流量10KA。
F1、F2：型号250VT8AH，额定电流8A。
模块二 VR1、VR2、VR3：型号S20K420，85℃环境温度下最大可承受冲 击电流（8/20uS）10KA。
G1：型号R608XA，额定通流量5KA，最大通流量10KA。
雷击浪涌防护设计技术
直击雷的影响
电源线、信号线
设备
雷击浪涌防护设计技术
设备雷击损坏机理
其它相连设备的地电位升产生的传导浪涌影响
电源线、信号线 其它设备
设备
雷击浪涌防护设计技术
雷电的危害(小结)
直击雷或邻近雷击: 1 击在外部防雷系统，如保护框架（工业装置上.）电缆上等。
2b
1a 浪涌电流在接地电阻Rst上引起电压降。
2a
1b 闭合环路感应产生过电压
1 L1 L2 L3 PEN
20 kV
2c
1a
Rst 信息系统
1b
电源系统
2a 远处雷击: 击在远处架空输送线缆 上
2b 雷云之间的放电通过架 空线缆引起感应雷电波 及过电压。
2c
在野外,雷电击中通信线 缆
雷击浪涌防护设计技术
防雷技术
Lightning Protection Zone 雷击浪涌防护设计技术 （LPZ）
案例一：电源端口防雷设计
防雷能力
模块一 模块二
有保险管，防雷能力小于3KA（8/20us） 保险管短接，防雷能力大于5KA（8/20us）
雷击浪涌防护设计技术
案例一：电源端口防雷设计
Fuse
▪ 直流电源保护电路
-48V
TVS
根据电压拉偏要求（EN300132-2），设备应在-40.5V~57V范围内正常工作，因此单板供电电压的上限值VMO取 为57V，VRM可在（63V~68V）范围内取值，VRM最大值 不超过80V。
雷击浪涌防护设计技术
案例三：工程防雷
雷击浪涌防护设计技术
案例三：工程防雷
▪相关设备的接地设计(站Ａ )
架空用户线
配线架
ONU
SDH
室外
室内
雷击浪涌防护设计技术
案例三：工程防雷
▪某电信局站Ｂ
➢ 该站开通时间早于站Ａ ，但雷击故障很少 。
➢ 该站的电源条件和用户线条件与黄竹 站一样，都是农电和架空明线引入 。
建筑物 2
通信线缆
i1
S341
U1 几百kV
i2
U2
0V
341e.ppt / 04.09.97
雷击浪涌防护设计技术
邻近建筑物之间危险的浪涌雷击
几 100 kA
几 10 kV
几 100 kV
几 10 kV 230V OV
通信 线缆
几 kA
几
几 10 kA
几 kA
几
几 10 kA
几10 kA 几
230 V~ 几 kA
TVS
优点
• 箝位电压低 • 动作响应快 • 无续流 • 无老化
缺点
• 通流容量较 小
雷击浪涌防护设计技术
几种保护器件的比
较
气体放电管 压敏电阻
TVS
泄漏电流
无
小
小
续流
有
无
无
极间电容
小
大
中
响应时间
慢(us)
较快(ns)
快(ps)
通流容量 老化现象
大(1kA~100kA) 有
大
(0.11kA~100kA)
1
3
10 30
a
s
s
m
雷击浪涌防护设计技术
环形回路的过电压计算
10m
U
i
kA
100
t
µs
10m
1m
M 4.8 µH
U = 4.8 ·100 = 480 kV
雷击浪涌防护设计技术
在环形回路中引起的感应电压
100 kA/s
信号线
400 m
300 m²
15 kV!
电源线
雷击浪涌防护设计技术
静电感应产生过电压
谢谢大家！ 再见！
100A
10A
电
流
1A
100mA
10mA
1mA
E
F D
C
A
B
100
200
电 压 (V)
雷击浪涌防护设计技术 气体放电管
应用中存在的问题
u
▪ 时延
ufr
Δu
ufr：实际放电电
ufdc
压
▪ 续流
Δτ
t
当暂态电压过去后，在被保护电路的电源或信号电压作用下 ，原处于导通状态的放电管不灭弧，仍保持导通状态
雷击浪涌防护设计技术
有
较小
(0.1kA~1kA)
无
箝位电压 放电电压高
中等
低
雷击浪涌防护设计技术
防雷电路设计
雷击浪涌防护设计技术
三级保护电路
V
V
V
t
输 入 端
t
t
输 出 端
雷击浪涌防护设计技术
典型电路分析
▪ 单相交流电源的单级保护电 路
L
M1
M3
PE M2
N
M1、M2的型号和参数应一样
雷击浪涌防护设计技术
典型电路分析
过压保护器
雷击浪涌防护设计技术
分级保护
u
u
t
粗保护 如:放电管
t
退藕器件 如:电阻,电感,滤波器 等
精细保护 如:齐纳二极管
雷击浪涌防护设计技术
雷击浪涌防护器件
气体放电管 半导体放电管 压敏电阻 TVS 防雷模块（SPD）
雷击浪涌防护设计技术
气体放电管 1kA
▪ 伏安特性
A：直流放电点 BCD：辉光放电区 E：电弧放电点 F：电弧熄灭点
▪ 单相交流电源的单级保护电
路
L
放电管：
ห้องสมุดไป่ตู้
N
M1
M3
min ( Ufdc ) ≥ 1.2 max (UP)
UP：电路最高工作电压峰 值
M2
压敏电阻：
在电压UP下的电流应小于放 电管的熄弧电流值
PE
雷击浪涌防护设计技术
典型电路分析
▪ 单相交流电源的两级保护电 路
第一级保
护电路
L1
第二级保 护电路
L
M 1 N
î
t 10/350 µs波形
举例: Rst ûE = 100 kA ·1Ω = 100 kV
雷击浪涌防护设计技术
雷电击中建筑物引起的破坏性电压反击
100 kA
230 V
230 V
100 100 kV kV
100 kV 1
雷击浪涌防护设计技术
雷电击中建筑物1引起建筑物1与2 之间的过电
压
i
建筑物 1
Water / Gas 几 kA
雷击浪涌防护设计技术
10 1
µH 0.1 0.01
M 10-3 10-4 10-5 0.1
环形回路的互感M
a = 10m
a = 3m a = 1m a= 0,3m a = 0,1m
a = 0,03m a = 0,01m
M 0.2a ln s a (H )
s
a
0.3
半导体放电管
优点
• 通态电压低 • 动作响应快 • 无老化
缺点
• 通流容量较 小 • 有续流 • 转折电压较 高
雷击浪涌防护设计技术
▪ 伏安特性
泄漏区
压敏电阻
箝位工作区
过载区
1000
500
电 200 压
100
(V)
50
20
10
10-8
10-6
10-4
10-2
100
102
104
电流/A
雷击浪涌防护设计技术