淺析：浪涌現(xiàn)象及其對(duì)電子設(shè)備的潛在危害

01 什么是浪涌？

浪涌也叫突波，顧名思義就是超出正常工作電壓的瞬間過(guò)電壓。本質(zhì)上講，浪涌是發(fā)生在僅僅幾百萬(wàn)分之一秒時(shí)間內(nèi)的一種劇烈脈沖?？赡芤鹄擞康脑蛴校褐匦驮O(shè)備、短路、電源切換或大型發(fā)動(dòng)機(jī)。而含有浪涌阻絕裝置的產(chǎn)品可以有效地吸收突發(fā)的巨大能量，以保護(hù)連接設(shè)備免于受損。

02 浪涌的特點(diǎn)

浪涌產(chǎn)生的時(shí)間非常短，大概在微微秒級(jí)。浪涌出現(xiàn)時(shí)，電壓電流的幅值超過(guò)正常值的兩倍以上。由于輸入濾波電容迅速充電，所以該峰值電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)輸入電流。電源應(yīng)該限制AC開(kāi)關(guān)、整流橋、保險(xiǎn)絲、EMI濾波器件能承受的浪涌水平。反復(fù)開(kāi)關(guān)環(huán)路，AC輸入電壓不應(yīng)損壞電源或者導(dǎo)致保險(xiǎn)絲燒斷。

這種現(xiàn)象通常只持續(xù)幾納秒至幾毫秒，浪涌出現(xiàn)時(shí)的電壓和電流值超過(guò)正常值兩倍以上。

03 浪涌的表現(xiàn)

浪涌普遍的存在于配電系統(tǒng)中，也就是說(shuō)浪涌無(wú)處不在。

浪涌在配電系統(tǒng)主要表現(xiàn)有：   

浪涌對(duì)敏感電子電器設(shè)備的影響有以下類型：

破壞

干擾

過(guò)早老化

04 浪涌的來(lái)源

以配電系統(tǒng)為參照物，則浪涌可以分成系統(tǒng)外的和系統(tǒng)內(nèi)的兩種。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)外的浪涌主要來(lái)自于雷電和其它系統(tǒng)的沖擊，大約占 20%；系統(tǒng)內(nèi)的浪涌主要來(lái)自于系統(tǒng)內(nèi)部用電負(fù)荷的沖擊，大約占 80%。

? 外部—主要是雷擊

? 內(nèi)部—用電設(shè)備的開(kāi)關(guān)等

雷電：

1、直擊雷，雷電擊在避雷針、避雷帶及建筑物或煉油塔的某部位。

2、雷電電磁輻射；雷擊點(diǎn)強(qiáng)大的磁場(chǎng)向四周輻射。

雷擊即便沒(méi)有直接擊中建筑物，也會(huì)對(duì)建筑物內(nèi)的微電子設(shè)備造成損壞，因?yàn)橹灰讚糁行狞c(diǎn)發(fā)生在距建筑物半徑２Km范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)的空間里就會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁場(chǎng)，所有從這個(gè)電磁場(chǎng)中穿越的供電線路，網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)線路等，都會(huì)因電磁感應(yīng)而在線路上產(chǎn)生一個(gè)浪涌電壓，并沿著線路進(jìn)入大樓內(nèi)的設(shè)備輸入端口，從而將電子設(shè)備摧毀。

3、雷電流在電源和信號(hào)線上的分流；

4、雷電感應(yīng)：雷電流從引下線泄放過(guò)程中在周圍形成強(qiáng)大的交變磁場(chǎng)，處于磁場(chǎng)內(nèi)的金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

5、雷擊部位形成的局部高電位。

6、雷電部侵入。

直接雷擊擊中電力線路或引下線疏導(dǎo)雷電流時(shí)，在電力線路上會(huì)產(chǎn)生雷擊過(guò)電壓并在電力線纜周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁脈沖，凡是在此電磁脈沖范圍內(nèi)的各種電力、信號(hào)及控制線路都會(huì)感應(yīng)出過(guò)電壓，這部分過(guò)電壓將會(huì)沿各種線路傳輸?shù)胶蠖说脑O(shè)備，從而引起設(shè)備的誤動(dòng)作或損壞。

電網(wǎng)內(nèi)部浪涌：

7、 浪涌的分類

按特性：

電壓浪涌：電壓浪涌是指電路中突然出現(xiàn)的瞬間高電壓變化。這種浪涌可能由于外部雷電、內(nèi)部設(shè)備啟?；蚬收系仍蛞?，對(duì)電路中的元器件造成過(guò)電壓沖擊。

電流浪涌：電流浪涌則是指電路中突然出現(xiàn)的瞬間高電流變化。這種浪涌同樣可能由于外部或內(nèi)部因素引起，對(duì)電路中的元器件造成過(guò)電流沖擊。

雷擊浪涌的防護(hù)

1、電子設(shè)備雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

電子設(shè)備雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T17626.5（等同于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-5 ）。

標(biāo)準(zhǔn)主要是模擬間接雷擊產(chǎn)生的各種情況：   

（1）雷電擊中外部線路，有大量電流流入外部線路或接地電阻，因而產(chǎn)生的干擾電壓。   

（2）間接雷擊（如云層間或云層內(nèi)的雷擊）在外部線路上感應(yīng)出電壓和電流。   

（3）雷電擊中線路鄰近物體，在其周圍建立的強(qiáng)大電磁場(chǎng)，在外部線路上感應(yīng)出電壓。

（4）雷電擊中鄰近地面，地電流通過(guò)公共接地系統(tǒng)時(shí)所引進(jìn)的干擾。

標(biāo)準(zhǔn)除了模擬雷擊外，還模擬變電所等場(chǎng)合，因開(kāi)關(guān)動(dòng)作而引進(jìn)的干擾（開(kāi)關(guān)切換時(shí)引起電壓瞬變），如：

（1）主電源系統(tǒng)切換時(shí)產(chǎn)生的干擾（如電容器組的切換）。   

（2）同一電網(wǎng)，在靠近設(shè)備附近的一些較小開(kāi)關(guān)跳動(dòng)時(shí)的干擾。

（3）切換伴有諧振線路的晶閘管設(shè)備。

（4）各種系統(tǒng)性的故障，如設(shè)備接地網(wǎng)絡(luò)或接地系統(tǒng)間的短路和飛弧故障。標(biāo)準(zhǔn)描述了兩種不同的波形發(fā)生器：一種是雷擊在電源線上感應(yīng)生產(chǎn)的波形；另一種是在通信線路上感應(yīng)產(chǎn)生的波形。

這兩種線路都屬于空架線，但線路的阻抗各不相同：在電源線上感應(yīng)產(chǎn)生的浪涌波形比較窄一些（50uS），前沿要陡一些（1.2uS）；而在通信線上感應(yīng)產(chǎn)生的浪涌波形比較寬一些，但前沿要緩一些。后面我們主要以雷擊在電源線上感應(yīng)生產(chǎn)的波形來(lái)對(duì)電路進(jìn)行分析，同時(shí)也對(duì)通信線路的防雷技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2、模擬雷擊浪涌脈沖生成電路的工作原理

上圖是模擬雷電擊到配電設(shè)備時(shí)，在輸電線路中感應(yīng)產(chǎn)生的浪涌電壓，或雷電落地后雷電流通過(guò)公共地電阻產(chǎn)生的反擊高壓，的脈沖產(chǎn)生電路。4kV時(shí)的單脈沖能量為100焦耳。

? 圖中Cs是儲(chǔ)能電容（大約為10uF，相當(dāng)于雷云電容）；

? Us為高壓電源；

? Rc為充電電阻；

? Rs為脈沖持續(xù)時(shí)間形成電阻（放電曲線形成電阻）；

? Rm為阻抗匹配電阻Ls為電流上升形成電感。

? 雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)對(duì)不同產(chǎn)品有不同的參數(shù)要求，上圖中的參數(shù)可根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求不同，稍有改動(dòng)。

基本參數(shù)要求：

（1）開(kāi)路輸出電壓：0.5～6kV，分5等級(jí)輸出，最后一級(jí)由用戶與制造商協(xié)商確定；

（2）短路輸出電流：0.25～2kA，供不同等級(jí)試驗(yàn)用；

（3）內(nèi)阻：2 歐姆，附加電阻10、12、40、42歐姆，供其它不同等級(jí)試驗(yàn)用；

（4）浪涌輸出極性：正/負(fù)；浪涌輸出與電源同步時(shí)，移相0～360度；

（5）重復(fù)頻率：至少每分鐘一次。

雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)的嚴(yán)酷等級(jí)分為5級(jí)：

1級(jí)：較好保護(hù)的環(huán)境；

2級(jí)：有一定保護(hù)的環(huán)境；

3級(jí)：普通的電磁騷擾環(huán)境、對(duì)設(shè)備未規(guī)定特殊安裝要求，如工業(yè)性的工作場(chǎng)所；

4級(jí)：受嚴(yán)重騷擾的環(huán)境，如民用空架線、未加保護(hù)的高壓變電所；

X級(jí)：由用戶與制造商協(xié)商確定。

圖中18uF電容，可根據(jù)嚴(yán)酷等級(jí)不同，選擇數(shù)值也可不同，但大到一定值之后，基本上就沒(méi)有太大意義。

10歐姆電阻以及9uF電容，可根據(jù)嚴(yán)酷等級(jí)不同，選擇數(shù)值也不同，電阻最小值可選為0歐姆（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)就是這樣）， 9uF電容也可以選得很大，但大到一定值之后，基本上就沒(méi)有太大意義。

3、共模浪涌抑制電路

防浪涌設(shè)計(jì)時(shí)，假定共模與差模這兩部分是彼此獨(dú)立的。然而，這兩部分并非真正獨(dú)立，因?yàn)楣材６罅魅梢蕴峁┫喈?dāng)大的差模電感。這部分差模電感可由分立的差模電感來(lái)模擬。

為了利用差模電感，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，共模與差模不應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，而應(yīng)該按照一定的順序來(lái)做。首先，應(yīng)該測(cè)量共模噪聲并將其濾除掉。采用差模抑制網(wǎng)絡(luò)（Differential Mode Rejection Network），可以將差模成分消除，因此就可以直接測(cè)量共模噪聲了。如果設(shè)計(jì)的共模濾波器要同時(shí)使差模噪聲不超過(guò)允許范圍，那么就應(yīng)測(cè)量共模與差模的混合噪聲。因?yàn)橐阎材３煞衷谠肼暼菹抟韵?，因此超?biāo)的僅是差模成分，可用共模濾波器的差模漏感來(lái)衰減。對(duì)于低功率電源系統(tǒng)，共模扼流圈的差模電感足以解決差模輻射問(wèn)題，因?yàn)椴钅］椛涞脑醋杩馆^小，因此只有極少量的電感是有效的。

對(duì)4000Vp以下的浪涌電壓進(jìn)行抑制，一般只需采用LC電路進(jìn)行限流和平滑濾波，把脈沖信號(hào)盡量壓低到2~3倍脈沖信號(hào)平均值的水平即可。由于L1、L2有50周電網(wǎng)電流流過(guò)，電感很容易飽和，因此，L1、L2一般都采用一種漏感很大的共模電感。用在交流，直流的都有，通常我們?cè)陔娫碋MI濾波器，開(kāi)關(guān)電源中常見(jiàn)到，而直流側(cè)少見(jiàn)，在汽車電子中能夠看到用在直流側(cè)。

加入共模電感是為了消除并行線路上的共模干擾（有兩線的，也有多線的）。由于電路上兩線阻抗的不平衡，共模干擾最終體現(xiàn)在差模上。用差模濾波方法很難濾除。

共模電感到底需要用在哪。共模干擾通常是電磁輻射，空間耦合過(guò)來(lái)的，那么無(wú)論是交流還是直流，你有長(zhǎng)線傳輸，就涉及到共模濾波就得加共模電感。例如：USB線好多就在線上加磁環(huán)。 開(kāi)關(guān)電源入口，交流電是遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)來(lái)的，就需要加。通常直流側(cè)不需要遠(yuǎn)傳就不需要加了。沒(méi)有共模干擾，加了就是浪費(fèi)，對(duì)電路沒(méi)有增益。電源濾波器的設(shè)計(jì)通?？蓮墓材：筒钅煞矫鎭?lái)考慮。共模濾波器最重要的部分就是共模扼流圈，與差模扼流圈相比，共模扼流圈的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)在于它的電感值極高，而且體積又小，設(shè)計(jì)共模扼流圈時(shí)要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題是它的漏感，也就是差模電感。通常，計(jì)算漏感的辦法是假定它為共模電感的1%，實(shí)際上漏感為共模電感的0.5% ～4%之間。在設(shè)計(jì)最優(yōu)性能的扼流圈時(shí)，這個(gè)誤差的影響可能是不容忽視的。

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