雷电与浪涌防护及EMC电路设计

11雷电与浪涌防护及EMC电路设计21.雷电认识初步2.雷电的产生3.雷电的基本参数4.雷电的防护5.浪涌电压的产生与防护6.静电的产生与ESD防护7.EMC电路设计内容概要概述随着科学技术的不断进步，人类对雷电防护的意识也在不断加深，在雷电防护方面，人类已经开始从上个世纪的建筑防雷时代，走进产品防雷和信息防雷的时代。上个世纪80年代，我国开始从国外大量引进了建筑防雷技术，这些技术主要是关于建筑物和石油设施的防雷技术标准。我国在大量引进建筑防雷技术标准的同时，也不惜代价从美国LLP（雷电与防护公司）和ARIS公司引进了不少先进的雷电监测技术设备，最早引进这些设备的地方有大庆油田、广西供电局，武汉高压研究所、兰州气象局、还有大兴安岭林区等。现在，这些雷电监测技术设备大部分国内都已经可以自己制造，目前，我国的很多地方气象站都已经安装了雷电监测技术设备，雷电给国民带来的损失也相对减少。下图是中国气象局的《国家闪电监测系统》。3这套设备安装有GPS定位系统，以及声、光、电测试设备，通过定点采样，可以把全国的雷电动态数据，如雷电闪击次数、雷电强度等，收集后进行计算机处理。GPS是实现信息防雷的基础，有了它就可以把全国的雷电分布做成电子地图。目前，产品防雷技术和信息防雷技术正在世界范围内骤然兴起，人类社会从“建筑防雷”发展到“产品防雷”和“信息防雷”，这是科技进步的必然结果。早在20年前，我国就已经对产品的安全防护非常重视，并相应提出了很多安全标准，如CCEE认证（长城认证），现在，产品的安全防护已经纳入EMC技术标准中一起进行管理，随着科学技术的进步，防雷技术与EMC技术的标准也将不断提高。希望从事电子产品设计的工程师不断提高产品安全的理念，以适应人们对安全要求的不断提高，而不是只为了满足某个标准，因为，技术水平的不断提高，相应的技术标准也要相应提高。目前我国的低压配电设备普遍使用三相四线制（TN-C），这种供电系统现在还存在很大的不足。当这种供电系统被雷击到时，很容易给用户产生二次雷击，即，当雷电击中电网配电设备的高压输电线路时，会在低压输电线路的中线中产生很高的浪涌电压。为了降低中线与电子设备保护地线之间的跨步电压，最好采用三相六线制，即：三条火线、一条中线、一条PE（保护）地线、一条等电位地线。后面两条地线以及中线，平时电位基本为零，但发生打雷时，等电位地线的电位与中线的电位一样，这样可以大大降低用电设备被雷击损坏的概率。4实践已经证明，很多雷击事故或火灾都是因为这种配电系统工作不安全引起的。特别是在城市郊区或农村，每年都有成千上万的电子产品被雷击损坏，主要原因就是城市郊区和农村大多数低压电网还是采用明线输电，这种输电线路很容易遭受雷击，或者遭受雷击后，由于中线不是采取多点接地，中线中产生的反击浪涌电压传输距离相对会很远，使很多用电设备遭受二次雷击。现代电子设备功能越来越强，电路越来越复杂，元器件的密度越来高，但承受电磁干扰或感应电压的能力越来越低。如不对这些电子产品进行静电感应保护，或雷电感应保护，则通过ESD放电和二次雷击产生的浪涌电压脉冲，很容易就把这些电子设备损坏。目前，大部分电子设备都使用开关电源，其工作频率一般都很高，并且开关电源都是采用开关变压器、电感线圈等作为储能器件，这些器件的漏磁通对周围电路会产生电磁感应，很容易造成电磁干扰。特别是，开关电源一般都没有经过变压器隔离就直接与电网的线路连接，通过电网线路的传导和辐射作用，很容易使线路上的其它电子设备受到电磁干扰，不能正常工作。因此，目前电子产品的EMC问题，主要是开关电源的EMI（电磁干扰）问题。与此同时，开关电源也很容易受二次雷击产生的浪涌电压冲击损坏，对电子设备的雷电保护，首先也是对开关电源的安全保护。5我国的雷击浪涌抗扰度试验标准是GB/T17626.5（等同于国际标准IEC61000-4-5），欧洲为ITU-TK.20、ITU-TK.21、ITU-TK.45，美国雷击浪涌抗扰度试验的标准是ANSI/IEEEEC62.41、GR1089、FCCPART68、UL1449，相对来说，国外的技术标准要比中国的技术标准要严格很多，这也表示中国的总体科学技术水平相对还比较落后。目前我们国内使用的大多数电子产品还不具备抵抗4000Vp以上的二次雷电浪涌电压的冲击，我国的很多地区，特别是农村或城市的郊区，配电设施的建设还很不规范，我国的三相四线制（TN-C）的弊端（地线与中线经常接错）也开始显露出来，每年被雷击损坏的各类电子设备不计其数，经济损失惨重，这要求我们的防雷意识还需进一步提高。防雷标准和EMC标准具有一定的代表性和普遍性，但完全符合现有的防雷标准和EMC标准的产品，并不一定能符合产品在特殊环境中的使用要求，例如，目前我国的产品防雷标准（GB/T17626.5），指明电子产品可分为五个等级进行雷电保护，但面对国内现有的三相四线制供电系统而言，这个标准是很低的，并且目前国内的大部分电子产品还不能满足这个标准。6雷电危害简介全球大约有4万多个雷暴中心，每天大约有8百万次雷击，每次雷击产生的能量可供一个100瓦的灯泡点亮3个月。在雨季，平均每6分钟就有一个人被雷电击中；每年有成千上万的人因雷电击中而丧伤。1992年6月22日，北京国家气象中心多台计算机接口因感应雷击被毁，损失二仟多万元。2004年6-8月份，我国共发生雷电灾害约6505起；造成人员伤亡997人(其中受伤544人，死亡453人)，其中因雷击造成爆炸起火的有52起，造成建筑物受损350起，造成家用电器和办公电子电器设备受损2838起，造成供电故障362起，经济损失超过10亿元。2011年7月23日晚，杭深线D301次列车与D3115次列车因雷电原因发生追尾事故，造成经济直接损失4亿多元。2011年1-8月，深圳市因雷电造成经济直接损失6000多万元。因雷电原因，每年全世界有数千万个电器设备被损坏，并造成数千亿元的经济损失。7我国地处温带和亚热带地区，雷暴活动十分频繁，全国21个省会城市年最多雷暴日均在50天以上，最多达到134天，雷电灾害是我国最严重的自然灾害之一。据有关部门统计，今年1~6月，全国共发生雷电灾害7000多起，造成直接经济损失1.3亿元，全国因雷击造成人员伤亡的事故240多起，致死363人、致伤216人。由雷电灾害引起的火灾爆炸事故400多起，建筑物受损300多起，电力行业遭雷击1700多起，通讯行业遭雷击700多起，石化遭雷击200多起，各类贵重电器设备受损数达14000多件。82011年7月23日D3315次和D301次列车在温州因雷击发生车祸910被雷电击坏的CRT电视机被雷电击毁的平板电视机1112被雷电击坏的电脑设备迪拜塔遭雷击131.雷电的产生雷电的概念，在古时候人们就是通过打雷的过程来认识的，直到今天，人们对雷电的认识还在不断深化过程中。我们从中学的物理书中就已经知道电子带负电，质子（原子核）带正电，但电子和质子只是带电，它们本身都不能代表电，因为在它们的周围还存在着电磁场，是电磁场支配着它们的运动，而电磁场究竟是什么东西？现在人们还没有定论。所以，电是什么？目前还没有人能够给它下一个非常精确的定义，现在我们只能认为，电是物质运动的一种属性。通过试验和观测，比如：物质的裂变和聚变，两块磁铁以及两个带电物体之间的互相作用，还有地球在环绕太阳转动，现在人们已经知道，宇宙中最少存在四种作用力来支配宇宙中所有物质的微观运动。第一种力是核力，第二种力是磁力，第三种力是电场力，第四种力是重力。目前，人们对这四种力产生的原因，还不清楚，比如地球围绕太阳旋转，地球必须要受到一种力的作用，才有可能做曲线运动，但这种力目前还没有人知道它是怎么产生的，因此，人们都把这几个力的产生的原因归结为，是一种称为“场”的介质在起作用。如：磁场、电场、重力场等。我们所看到的一切，都是物质微观运动时互相作用所呈现出的宏观景象（平均值），而更深层次的物质“微观”运动，我们现在还无法观测到，很多自然现象，我们现在主要还是靠用推理的方法来进行解释的，因为，目前我们还没有一种有效的方法来观测物质的“微观”运动。在宇宙中，电、磁场无处不在，概括地说，雷电和静电，都是通过电、磁场的作用而产生的。而电磁场也是一种物质，因为物质是力的载体，单纯的力是不存在的。141.1什么是电，电是什么地球与电离层之间存在很强的电场，电场强度大约为：E=100V/米地球与电离层之间相当于一个大电容器，电容量大约为1.1法拉。地球本身也相当于一个大电容，它到无限远处的电容量大约为：800×10-4法拉。15在地球的周围充满着电场和磁场，这是造成很多大自然灾害的一个根源。地球表面的所有物体，都相当于电容器中的电介质。电离层(带正电)地球(带负电)1.2地球表面的电场地球表面带负电，它带的电荷大约为4.5×105库仑，电位大约为负4×105伏。1.3电场感应电场强度dVdUUE12感应电压dEVU1、U2分别为感应带电体的端电位，d为感应带电体的长度，所以，电场强度也成为电位梯度。U1U2dA带电体B感应带电体-+16当某物体靠近另一带电物体时，就会被感应带电；一端带正电，而另一端则带负电，所以感应带电也叫极化带电。U1U11.4电场感应产生位移电流位移电流的方向A带电体B感应带电体位移电流的方向当带电体的极性或电场方向改变时，被感应的导体中就会产生位移电流。当导体中有位移电流流动时，在导体的周围，就会产生磁场，同时会产生很强的电磁辐射。位移电流I等于电场强度E乘以迁移率m，即：I=E×m由于感应导体中的电场强度每处都不一样，所以导体中位移电流大小每处都不一样。171.5实验证明空间电场的存在-+E-U1+U1-E-U1法拉第罩验电器把极化带电物体的一端接地，在物体中就会产生位移电流，位移电流的大小与物体的电容大小与电场强度有关，相当于对电容进行充放电。把极化带电物体的一端接地，然后再把接地导线断开，物体就会带电。再把带电物体放进验电器的法拉第罩中，验电器就会指示物体带负电。I181.6雷电的产生—极化带电-+E-U1+U112总体而言，世界上的所有物质都是属于电中性的，即其所带的正、负电荷代数和等于0。但物体处于电场中时，电荷将要重新进行分布，一端带正电，另一端带负电，中间不带电，这叫极化带电。极化带电物体中的电位梯度等于电场强度。形象地说，这里极化带电的物体就好比空中的一朵云。19-+E-U1+U1-+E-U2+U21.7雷电的产生—分离带电20在外力或强电场力的作用下。极化带电物体会产生分离，带电物体被一分为二，一个带正电，另一个带负电。形象地说，被分离带电的两个物体就好比空中被风吹散的两朵云。被分离的带电物体在电场中同样也要被极化，使一端的电位要比另一端高，其电位梯度不变。-+E-U2+U2-+E-U11.8雷电的产生—极化带电体的组合+U1-U1+U121电场中的两个物体碰在一起的时候。其电荷也要重新分布。形象地说，碰在一起的两个物体,就好比空中被风吹到一起的两朵云。两个碰在一起的物体，电荷被重新分布之后，两端的电位，在数值上都比原来高，但其电位梯度还是不变。+-1.9雷电的产生—带电体的组合22电场中两个带负电（或正电）的物体互相碰在一起的时候。其电荷也要进行重新分布。两个带电物体互相碰在一起，相当于两个电容进行串联充放电。形象地说，碰在一起的两个带电的物体,就好比空中两朵带电的云被风吹到一起。两个带正电（或负电）的物体碰在一起，电荷被进行重新分布之后，带电端的电位，在数值上都比原来高，但其电位梯度还是不变。--E-U3E-U1-U2-+E+U3++U2++U1电容与电容器完全是两个概念，电容只有一个带电体，而电容器中有两个带电体。1.10雷电的产生—ESD放电23+-++--两个带异性电荷的物体互相碰在一起，就会产生放电。带电物体靠近地面建筑物的时候，也会产生放电，这种现象就是雷电，它会对人类造成很大危害。2.雷电的基本参数与输电设备的防