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1、精品学习资源电子设备电源系统防雷措施的探究与讨论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 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沟通电源通常是由供电线路从户外沟通电网引入当雷击于电网邻近或直击于电网时，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，通过沟通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沟通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
2、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爱护问题已越来越受到人们的关注； 下 面详细从直流电源和沟通电源两部分分析着手分析其爱护原理；二直流电源的爱护措施分析从简洁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逼到电子设备的安全；这就需要对直流电源实行暂态过电压防护措施；简洁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；简洁的直流电源过电压防护电路如图一 所示 ， 在该图中 M 1 、 M 2 、 M 3 、装设于电源变压器的原边 ， 用于抑制来自沟通电源线路上的共模和差模暂
3、态过电压 ， 雪崩二极管 D 1用于爱护变压器副边的元器件 ， 如整流器 、 滤波电容 C和稳压器 ；D1的击穿电压应当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压，；由于暂态过电压有可能显现在稳压器的输出端，例如暂态过电压波从信号线路经放大器到达稳压器的输出端，引起稳压器输入与输出端之间反向电压增大， 这种反向过电压能够造成稳压器的损坏；因此，为了防护这种反向过电压，可采纳一只一般二极管D 2跨接有于稳压器输出与输入端之间，采纳 D1与D 2的协作来抑制这种反向过电压；1 / 9欢迎下载精品学习资源12D2欢迎下载精品学习资源变压器副边D输入输出
4、欢迎下载精品学习资源M1D1稳压电路C1M3M2欢迎下载精品学习资源R.4K7图一：简洁直流电源的爱护电路开关电源及其暂态过电压爱护电路如图二所示，在此图中，开关K1、K2 常为双极晶体管或功率场效应管，掌握电路能依据负载电压的大小来反馈掌握K1、K2 各自的闭合时间；由于来自沟通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爱护将比对简洁直流电源爱护要困难写；一种可行的方法是在整流器的沟通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 LR 为其线圈的电阻 用于抑制短连续时间的差模暂态过电压，以爱护滤波电容
5、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C波电容 C1 上显现的过电压实际上包括三个重量：一）由暂态脉冲电流对C1 充电所引起的压降重量； 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重量；三）由暂态脉冲电流变化率在C1 寄生电感上产生的压降重量；电感L 即可限制暂态脉冲电流的幅值，又可限制暂态脉冲电流的变化率，因此可以有效的限制在暂态过程中C1 上显现的过电压；当 L 的1线圈电阻很小时，可以再外接一个电阻，使该串联支路的总2阻值达到1 欧姆左右，利用这个电阻可以限制开关电源在C1 处于无电荷状态下接通时显现的涌流，也可以
6、阻尼由 L-C 回路引起的振荡；为了对C1 供应一个附加的箝位限压措施，将雪崩二极管D 并于C1 两端， D 也可以进一步降低作用在开关上的过电压，D 与压敏电阻 M1 和 M2 以及它们之间的协作元件 L、R 实际上构成了一个两级爱护电路；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源D沟通电源线 LK1R开关掌握电路欢迎下载精品学习资源M1C2DBC1K2M2图二：开关电源的爱护电路三沟通电源的爱护措施分析沟通电源第一涉及到配电变压器，因此，先介绍配电变压器的防雷爱护措施；一方面可以防止变压器自身受到雷电过电压的损坏，提高向建筑物内电子设备的供电牢靠性；另一方面可以防止雷电过电压波通过变压器传播
7、到建筑物内的电源系统，使电子设备得到爱护；配电变压器的爱护接线如图三所示，在变压器的高、低压侧均装设避雷器；高压侧一C2 / 9A欢迎下载精品学习资源般装三个一般阀型避雷器 FS-3 10），低压侧一般装三个氧化锌避雷器 MY-470）；高压侧的三个避雷器应尽量靠近变压器，其接地端直接与变压器的金属外壳相连，以削减雷电暂态电流在寄生电感上产生的压降；当雷电过电压波沿高压线路传播到变压器时，高压侧避雷器动作，由于它们的接地端与变压器金属外壳及低压侧中性点都连在一起后接地，作用在变压器高压侧主绝缘上的电压只是避雷器的残压，而不含接地电阻及其接地引下线寄生电感上的压降；因此，仅在高压侧装三个避雷器尚
8、不能完全爱护变压器，缘由在于：1. 雷击于低压线路或低压线路受到邻近雷击时的感应作用，使变压器低压侧绝缘损坏；2. 雷击于高压线路或高压线路遭受邻近雷击时的感应作用，此时高压侧三个避雷器动作，流过避雷器的雷电暂态电流会在接地电阻及接地引下线寄生电感上产生压降，这一压降会作用在低压侧中性点上，而低压侧的出线此时相当于经出线波阻抗接地，因此这一压降的绝大部分加在低压绕组上，经电磁耦合，在高压绕组上将会按变压器的变比显现很高的感应电势；由于高压侧的出线端电位此时已被避雷器固定，同时在高压绕组中感应的电位分布在中性点出现出最高值，这样就有可能造成变压器的绝缘击穿；这种由高压侧避雷器动作在低压侧造成高电
9、位，再通过电磁耦合变换到高压侧的过程称为反变换过程；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显现的暂态过电压，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爱护中常采纳一般阀型避雷器=1 2maxUp；其次要求放电管在暂态抑制终止后能牢靠灭弧，为此串联支路在系统最高运
10、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；但为了牢靠起见，一般是让Iv连续低于I e；在估算I v 时，取放电管在弧区压降的典型值20v ，就压敏电阻上承担的电压为 Up-20v ，由于 Up 一般要比 20v 大的多，所以可近似认为压敏电阻上的电压值即为Up；依据压敏电阻的伏安特性数据可以确定在Up 电压下压敏电阻中的电流I v，并确定压敏电阻中的参考电压 U1mA；假如所确定的 I v 大于 I e，就需要另外选一个U1mA高一些的压敏电阻；如图五所示是一个 220V 单相电源和 220/380V
11、 三相四线电源爱护电路，为了削减放电分散性，在该图中采纳的是三极放电管；B欢迎下载精品学习资源22 0VAB2L 1L 2L 3ND13DC图五: 单相和三相电源的爱护电路对于一些耐压水平较低的脆弱电子设备来说，单级爱护不能满意要求；为了提高爱护牢靠性，就需采纳多级爱护电路；C多级爱护电路为两级，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；其次级作为箝压环节，主要用于电压箝位，将暂态过电压限制到被爱护电子设备可以耐受的水平，对于第一级泄流环节，要求所用的爱护元件具有通流容量大和耐受脉冲冲击才能强的特点，因此放电管和压敏电阻均可作为候选元
12、件，但用于220V/380V 沟通电源线路爱护时，采纳放电管会产生工频续流问题，它必需与其它的元件协作使用才行，而大容量的压敏电阻较好的满意这一条件；如B果单个压敏电阻通流容量不够，仍可以采纳如干个大容量的压敏电阻并联来提高通流容量；对于其次级箝位环节，要求所用的爱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非常有限，且不简洁与第一级爱护元件的特性进行协作，所以在其次 级中常采纳压敏电阻；不过在一些脆弱电子设备的爱护场合，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
13、可以选用大功率的暂态抑制二极管B作为其次级爱护元件；要实现第一、二级爱护特性的合理协作，需要在这两级间串入肯定的元件，原就上，电阻和电感都可以作为候选元件；但假如采纳电阻，就当被爱护设备的负载电流较大时，这个电阻必需相当小，才能是正常运行时电阻上的压降很小，不致影响到被爱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，欢迎下载精品学习资源这样就对电阻的挑选提出了苛刻的要求，使之难以实施；假如采纳电感，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别设计和特别绕制来达到；下面图六是一个单相沟
14、通电源的两级爱护电路；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 态大电流和吸取暂态能量的作用，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；其次级由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；介于这两级之间的协作元件采纳的是电感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爱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快速上升第一级压敏电
15、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重量来降低作用于其次级压敏电阻上暂态电压波波头上升陡度，来改善其次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，在其次级中加入并联电容 C1、 C2 和 C3 ，它们的电容值均为几十 uF 额定电压约为 450V-12550V；低通滤波器与两级压敏电阻相互协作，能明显地改善整个爱护电路的爱护特性；LL 1M1M3M4M6C1C3NL 21M22DM5C2G图六 : 单相电源的两级爱护电路L 1L 2L 3NGDC图七: 三相电源的两级爱护电路低通滤波器能
16、够对雷电暂态过电压波中的高频重量进行衰减，同时它对电源系统的正常工频运行状态的影响可以忽视，因此它在电源系统的防雷爱护中具有肯定的优势；假如C将压敏电阻引入低通滤波器，可以是滤波器在原有滤波衰减功能的基础上，再增加泄流限压功能，从而使其整体爱护功能有明显改善；下面简洁介绍以下这种非线性低通滤波器在欢迎下载精品学习资源电源系D统的雷电防护中的应用；LL 1L 3扼流线圈欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源C.0. 01 uFM1C5GM3C2C1M2C6欢迎下载精品学习资源NL 2第一级其次级图八：非线性低通滤波器的基本电路结构非线性低通滤波器基本电路包括两个爱护环节；如图八所示；在第一级中
17、，两个型号 和参数相同的压敏电阻M1 和 M2 主要起抑制共模过电压作用，它们以串联形式对差模过电压也有抑制作用；电感L1 和 L2 与压敏电阻 M1 和 M2 的寄生电容以及电容C2 分别构成第一级的L .C共模和差模低通滤波器，实施对0暂. 0态1 u过F 电压中高频重量的初次衰减；在其次级中，共模扼流线圈 L3 的共模电感与电容C5 和 C6 构成其次级共模低通滤波器，L3 的差模电感与电容C1 构成其次级差模低通滤波器；这两种模态下的低通滤波器对经第一级衰减剩余的高频重量进行再次衰减，压敏电阻M3 实施对经第一级抑制后的差模过电压进行再次抑制；经过这两级抑制后，就可将沿电源线袭来的雷电
18、暂态过电压限制到被爱护电子设备可以耐受的水平；在图八中，1电感L1 和 L2 要直接经受暂态过电压脉冲的冲击，它们的线圈一般2应绕制成单层，而不宜绕制成多曾，以防止层间击穿；由于L1 和 L2 又处在串联位置，这就要求它们两端的工频压降很小，才不会影响正常的工频运行状态，所以L1 和 L2 的数值不能过大；同时 L1 和 L2 和共模扼流线圈的共模及差模电感应当与各响应的电容在数值上取得配合，以便在两种模态下都能实现良好的低通滤波特性；通常L1 和 L2 的数值约为几十到一百多 uH，共模扼流线圈的共模电感值约为几到几十mH， C1 和 C2 的数值约为0 5uF,C5 和 C6 的数值约为
19、2nF5nF,C5和 C6的数值取得很小，其目的是在于削减正常工频运行状态下L 线对地之间的工频泄D漏电流； C1、C2、 C5、C6应采纳自复原介质的电容器，其耐压值应取在600V 以上；LL 1R6BC3欢迎下载精品学习资源C.0. 01 uFM1C2GR2M2NL 2R5C5R7R3C1M3C6R4R8C4欢迎下载精品学习资源图九：加阻尼后的改进爱护电路结构欢迎下载精品学习资源AL .C0. 01 uF7 / 9欢迎下载精品学习资源LL1R5.C5C2GM1M3R7M2M4R2C6N.L2R6图十：含气体放电管的改进爱护电路结构在图八中由于使用了多个电容和电感，这些电容电感常会形成一些谐
20、振回路；例如 L 3 的共模电感与电容 C5和C6以及压敏电阻 M 1和M 2的寄生电容构成共模信号谐振回路； L 3的差模电感和 L 1、L2与C1、C2构成差模谐振回路；另外，有很多电子设备的电源入口常接有电容，当采纳非线性滤波器对这些电子设备进行爱护时，这种入口处的电容与滤波器的电感构成谐振回路；这些不期望的谐振回路的产生使得非线性滤波器的滤波衰减性能受到损坏，明显的减弱了它对暂态过电压波高频成分的衰减；抑制谐振的常见做法是采纳电阻对谐振进行阻尼，如下列图即为阻尼后的非线性滤波器电路；在图九中，电阻R2用于阻尼由 L 1 、L2 和 C1、C2 及 L3 的差模电感所构成的谐振回路中显现
21、的差模信号谐振，阻容支路 R3-C 3 和 R4-C4 用于阻尼 L3 的共模电感与 C5、C6 以及 M1、M2 寄生电容所构成谐振回路中的共模信号谐振；电阻 R5 和 R6 与 L3的两个线圈并联，且离滤波器输出端很近，它们主要用于阻尼由输出端所接电子设备电源入口处电容引起的谐振；电阻 R7 和 R8 的作用不是阻尼谐振，而是爱护滤波器的安全，当滤波器不与被爱护电子设备相连，且滤波器脱离电源线路时， R7 是为布满电的电容 C1 和 C2 供应一条放电路径；滤波器中的 C5 和 C6 数值很小，所充电荷也很少，一般不需要另设电阻来供应放电通道；假如 C3 和 C4 较大，就需设电阻 R8
22、在一些特别情形下，常要求滤波器的线与地间泄漏电流应很小，为此可将原压敏电阻M1 和 M2 分别改为与放电管串联的支路，这样改过后非低通滤波器的电路，即具有低泄漏电流的特点，又具备抑制原电路产生的谐振的功能；四结语近年来，由于高层建筑物的兴起和信息处理技术与人们学习、生活的日益亲密，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才能差、对电磁干扰敏锐等弱点，一旦建筑物受到直接雷击或其邻近区域受到雷击，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，威逼室内电子设备的正常工作和安全运行；假如防护不当，这些雷
23、害轻就使电子设备工作失灵，重就使电子设备永久性损坏，严峻时仍可能造成人员伤 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需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爱护而言，一般应第一在供电线路进入建筑物的入口处设置爱护装置，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，仍需要在它们的电源输入端前设置爱护装置；从爱护性能的要求来看，入口处的爱护装置应具有较大的通流容量，而设备前的爱护装置就应具欢迎下载精品学习资源有较低的箝位水平；在对一个较为复杂的电源系统进行防雷爱护设计时，通常需要采纳一些特地的运算机软件，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爱护装置的详细个数、位置和爱护装置爱护特性之间的协作关系，从而挑选正确的防雷爱护方案；参考文献：1 张小青建筑物内电子设备的防雷爱护电子工业出版社，20022 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 . 电子科技高校出版社 , 1997欢迎下载