什么是浪涌，雷击浪涌的防护

很多朋友对什么是浪涌，雷击浪涌的防护不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

1.什么是浪涌？

浪涌也称为浪涌。顾名思义，它是超过正常工作电压的瞬时过电压。从本质上讲，浪涌是在百万分之几秒内发生的剧烈脉冲。浪涌的可能原因包括重型设备、短路、电源开关或大型发动机。含有浪涌阻断装置的产品可以有效吸收突发的巨大能量，保护连接设备免受损坏。

2、浪涌的特点

浪涌发生的时间很短，大概在皮秒级别。当浪涌发生时，电压和电流的幅值超过正常值的两倍以上。由于输入滤波电容器快速充电，因此该峰值电流远大于稳态输入电流。电源应限制交流开关、整流桥、保险丝和EMI 滤波组件可承受的浪涌水平。反复接通和断开回路，交流输入电压不应损坏电源或导致保险丝熔断。

这种现象通常只持续几纳秒到几毫秒

当浪涌发生时，电压和电流值超过正常值两倍以上。

3.浪涌行为

电涌在配电系统中无处不在，这意味着它们无处不在。配电系统浪涌的主要表现有：电压波动

正常工作情况下，机器设备会自动停止或启动

电气设备包括空调、压缩机、电梯、泵或电机

计算机控制系统经常无故重置

电机经常需要更换或重绕

由于故障、复位或电压问题而缩短电气设备的使用寿命浪涌对敏感电气和电子设备的影响包括以下类型： 损坏

半导体器件的电压击穿毁坏元件的金属化表面毁坏印刷电路板或接触点毁坏双向可控硅/晶闸管. 干扰闭锁、晶闸管或双向可控硅失控部分破坏数据文件数据处理程序错误 接收和传输数据时出现错误和故障 无法解释的故障.过早老化 元器件过早老化，大大缩短电器的寿命 输出音质和图像质量下降4. 浪涌浪费源

以配电系统为例，浪涌可分为系统外浪涌和系统内浪涌两种。据统计，系统外的浪涌主要来自雷电等系统的影响，约占20%；系统内部的浪涌主要来自系统内部电力负载的冲击，约占80%。

•外部-主要雷击•内部-电气设备的开关等雷击： •1、 直接雷击、雷击避雷针、避雷带以及建筑物或炼油塔的某些部分。

•2、 闪电电磁辐射；

雷击点处的强磁场向周围辐射。即使雷击没有直接击中建筑物，也会对建筑物内的微电子设备造成损坏，因为只要雷击中心点发生在建筑物半径2公里范围内，就会产生极强的闪电。在这个范围内的空间中产生。电磁场，所有经过此电磁场的电源线、网络和信号线，都会因电磁感应而在线路上产生浪涌电压，并沿线路进入建筑物内的设备输入端口，从而破坏电子设备。设备。

• 3、 电源和信号线上的雷电流分流；

• 4、 雷电感应：当雷电流从引下线排出时，其周围会形成较强的交变磁场，磁场内的金属导体上会产生感应电压。

• 5、 雷击地点形成局部高电位。

•6、 闪电部门入侵。当直击雷击中电源线或引下线引流雷电流时，电源线上会产生雷击过电压，并在电源线周围产生强大的电磁脉冲。这种电磁脉冲范围内的各种电源、信号和控制线路都会感应出过电压，这种过电压会沿着各种线路传输到后端设备，导致设备故障或损坏。

电网内部浪涌：

(1)大电力负载的投入和切除；空调、压缩机、泵或电机(2) 感性负载的输入和去除；

(3)功率因数补偿电容器的投入与拆除

(4)短路故障

(5)机械触点机械开关包括电磁继电器的开关触点、按钮开关、按钮、带开关的电位器等。

• 5、 浪涌分类

雷电浪涌保护

1、 电子设备雷击浪涌抗扰度测试标准电子设备雷击浪涌抗扰度测试国家标准为GB/T17626.5（等效国际标准IEC61000-4-5）。该标准主要模拟间接雷击引起的各种情况：（1）当雷击外部线路时，大量电流流入外部线路或接地电阻，产生干扰电压。 (2)间接雷击(如云间雷击、云内雷击)在外部电路上感应出电压和电流。 (3)雷电击中线路附近的物体，周围建立强电磁场，在外线路上感应出电压。 (4)雷击邻近地面、地电流通过公共接地系统时引入的干扰。

除模拟雷击外，该标准还模拟了变电站等场所的开关动作引入的干扰（开关切换引起的电压瞬变），如： （1）主电力系统切换时产生的干扰（如开关电容器组））。 (2)在同一电网中，设备附近一些较小的开关跳变时会产生干扰。 (3)具有谐振线路的开关晶闸管设备。 (4)各种系统性故障，如设备接地网或接地系统之间的短路、拉弧故障等。该标准描述了两种不同的波形发生器：一种是雷击在电力线上感应的波形；另一种是雷击在电力线上感应的波形。另一个是通信线路上感应的波形。两条线路都是空架空线路，但线路的阻抗不同：电力线上感应的浪涌波形更窄（50uS），前沿更陡（1.2uS）；而在通信线路上感应的浪涌波形则产生的浪涌波形较宽，但前沿较慢。后面我们主要根据电力线路雷击感应波形来分析电路，同时也简单介绍一下通信线路的防雷技术。

2、 模拟雷电浪涌脉冲发生电路工作原理

上图是一个脉冲发生电路，模拟雷击配电设备时在输电线路中感应出的浪涌电压，或者雷击后雷电流通过公共接地电阻产生的反击高压。 4kV时的单脉冲能量为100焦耳。图中Cs为储能电容（10uF左右，相当于雷云电容）； Us为高压电源； Rc为充电电阻； Rs为脉冲持续时间形成电阻（放电曲线形成电阻）； Rm 是阻抗匹配电阻Ls 是电流上升形成电感。雷击浪涌抗扰度测试对于不同的产品有不同的参数要求。上图中的参数可以根据不同的产品标准要求稍作修改。基本参数要求：

（1）开路输出电压：0.5~6kV，分5级输出，最后一级由用户与制造厂协商确定；

(2) 短路输出电流：0.25~2kA，适合不同级别的测试；

（3）内阻：2欧姆，附加电阻10、12、40、42欧姆，用于其他不同级别的测试；

(4) 浪涌输出极性：正/负；当浪涌输出与电源同步时，相位从0度移至360度；

(5)重复频率：至少每分钟一次。

雷击浪涌抗扰度测试的严重程度分为5级： 1级：更好的保护环境； 2级：有一定防护的环境； 3级：普通电磁骚扰环境，对设备无特殊安装要求。如工业工作场所； 4级：遭受严重骚扰的环境，如民用架空线路、无保护的高压变电站等。 X级：由用户与制造厂协商确定。

图中的18uF电容根据严重程度可以有不同的值，但达到一定值后，基本上就没有多大意义了。

可根据不同严重程度选择10欧姆电阻和9uF电容。电阻的最小值可以是0欧姆（这是美国标准）。 9uF电容也可以选很大，但是达到一定值之后，基本上就没多大意义了。 3、 共模浪涌抑制电路在设计浪涌保护时，假设共模和差模部分是相互独立的。然而，这两个部分并不是真正独立的，因为共模扼流圈可以提供相当大的差模电感。这部分差模电感可以用分立差模电感来模拟。

为了发挥差模电感的优势，在设计过程中，共模和差模不应该同时进行，而应该按一定的顺序进行。首先，应测量并滤除共模噪声。利用差模抑制网络，可以消除差模分量，从而可以直接测量共模噪声。如果共模滤波器设计为同时将差模噪声保持在允许范围内，则应测量共模和差模的混合噪声。由于已知共模分量低于噪声容限，因此仅超出差模分量，而差模分量可以通过共模滤波器的差模漏感来衰减。对于小功率电源系统，共模扼流圈的差模电感足以解决差模辐射问题，因为差模辐射的源阻抗较小，因此只需极少量的电感即可有效。

要抑制4000Vp以下的浪涌电压，一般只需采用LC电路进行限流和平滑滤波，并尽量将脉冲信号降低到脉冲信号平均值的23倍即可。由于L1、L2有50个周期的栅极电流流过它，因此电感很容易饱和。因此，L1、L2一般采用漏感较大的共模电感。它可用于交流和直流。通常我们会在电源EMI滤波器和开关电源中看到它，但在直流侧很少见。在汽车电子的直流侧可以看到。添加共模电感的目的是为了消除平行线路（有两根线和多根线）上的共模干扰。由于电路上两根线的阻抗不平衡，共模干扰最终体现在差模上。使用差模滤波很难滤除。

共模电感到底需要用在什么地方呢？共模干扰通常是由电磁辐射和空间耦合引起的。无论是交流还是直流，如果是长期传输，共模滤波都需要加共模电感。例如：USB电缆有很多，只需在电缆上添加磁环即可。开关电源入口，交流电传输距离较远，所以需要添加。通常直流侧不需要远传，因此无需添加。没有共模干扰，所以添加它是一种浪费，并且对电路没有增益。电源滤波器的设计通常可以从共模和差模两个方面来考虑。共模滤波器最重要的部分是共模扼流圈。与差模扼流圈相比，共模扼流圈的一个显着优点是其电感值极高且尺寸较小。共模扼流圈的设计流过线圈时要考虑的一个重要问题是其漏感，即差模电感。通常，计算漏感的方法是假设其为共模电感的1%。事实上，漏感在共模电感的0.5%到4%之间。在设计扼流圈以获得最佳性能时，此误差的影响可能会很大。

漏感的重要性漏感是如何形成的？完全缠绕的紧密缠绕的环形线圈，即使没有磁芯，其所有磁通量也集中在线圈的“磁芯”中。然而，如果环形线圈没有完成一整圈，或者缠绕得不紧，磁通量就会从磁芯中泄漏出来。这种效应与匝间相对距离和螺旋管芯的磁导率成正比。共模扼流圈有两个绕组，设计成使流过它们的电流沿线圈芯以相反方向传导，从而使磁场为零。如果出于安全考虑，铁芯上的线圈不是双绕的，那么两个绕组之间就会有相当大的间隙，这自然会造成磁通“泄漏”，这意味着磁场会在每个点上。忧虑。并不是真正的0。共模扼流圈的漏感是差模电感。事实上，与差模相关的磁通量必须在某个点离开磁芯。换句话说，磁通量在铁芯外部形成闭合环路，并且不限于环形铁芯。

一般CX电容可承受4000Vp的差模浪涌电压冲击，CY电容可承受5000Vp的共模电压冲击。通过正确选择L1、L2和CX2、CY参数，可以抑制4000Vp以下的共模和差模浪涌电压。但如果整机电路中安装两个CY电容，其总容量不能超过5000P。如果要抑制超过4000Vp的浪涌电压，则需要使用耐压更高的电容器以及具有限制功能的浪涌抑制器。电路。所谓抑制只是将尖峰脉冲的幅度降低，然后将其转换为脉宽比较宽、幅度比较平坦的另一种波形输出，但其能量基本没有变化。两个CY电容的容量一般都很小，存储的能量有限。它们对共模抑制的作用不大。因此，共模浪涌抑制主要依靠电感L1和L2，但由于L1、L2电感也受到尺寸和成本的限制，一般很难做得很大，所以上述电路的局限性很大。抑制雷击共模浪涌电压的效果。

图(a)中，L1和CY1、 L2和CY2分别抑制两个共模浪涌电压。计算时只需计算其中一项即可。 L1的精确计算需要求解一组二阶微分方程。结果表明：电容器的充电按正弦曲线进行，放电按余弦曲线进行。不过这种计算方法比较复杂，所以这里采用更简单的方法。假设共模信号是幅度为Up、宽度为的方波，CY电容两端的电压为Uc。测量流过电感的电流为锯齿波，宽度等于2： 流过电感的电流为： 过电感的最大电流为： 2 期间流过电感的平均电流为： 由此， CY电容在2期间的电压变化可得：

上式是计算共模浪涌抑制电路中电感L和电容CY参数的计算公式。式中，Uc为CY电容两端的电压，也是浪涌抑制电路的输出电压。 Uc 是CY 电容器两端的电压变化。但由于雷电脉冲的周期很长，占空比很小，可以认为Uc=Uc，Up为共模浪涌脉冲的峰值，q为CY中存储的电荷电容， 是共模浪涌脉冲的值。宽度，L 为电感，C 为电容。根据上式，假设峰值浪涌电压Up=4000Vp，电容C=2500p，浪涌抑制电路的输出电压Uc=2000Vp，则所需电感L值为1H。显然这个值很大，实际中很难实现，因此上述电路抑制共模雷的能力有限，该电路还需要进一步改进。差模浪涌电压抑制主要依靠图中滤波电感L1、L2、滤波电容CX等参数的选择。 L1、L2滤波电感和CX滤波电容也可以使用以下公式计算。但上式中的L应等于两个滤波电感L1和L2之和，C=CX，Uc等于差模抑制输出电压。一般情况下，差模抑制输出电压不应大于600Vp，因为很多半导体器件和电容的最大耐压都在这个电压附近，并且经过两个滤波电感L1、L2和CX电容滤波后，雷击差分模式浪涌电压虽然幅度减小了，但是能量基本上没有减少，因为经过滤波后，脉冲宽度会增加。一旦设备出现故障，大多数都无法恢复到原来的状态。根据上式，假设浪涌峰值电压Up=4000Vp，脉冲宽度为50uS，差模浪涌抑制电路的输出电压Uc=600Vp，则需要的LC值为14mHuF。显然，这个值对于一般电子产品的浪涌抑制电路来说还是比较大的。相反，增加电感比增加电容更有利。因此，最好选择三窗硅钢片电路。采用芯片作为铁芯，采用电感量较大（大于20mH）的电感作为浪涌电感。这种电感的共模、差模电感较大，不易饱和。顺便指出，整流电路后面的电解滤波电容还具有抑制浪涌脉冲的功能。如果同时包含该功能，则输出电压Uc不能选择600Vp，只能选择电容器的最大耐压Ur（400Vp）。

4、 雷击浪涌脉冲电压抑制常用装置

防雷器件主要有陶瓷气体放电管、氧化锌压敏电阻、半导体晶闸管（TVS）、浪涌抑制电感、X型浪涌抑制电容器等，各种器件必须组合使用。气体放电管有多种类型。放电电流一般很大，可达几十kA，放电电压也比较高。放电管从点火到放电需要一定的时间，且存在残余电压，性能不稳定；氧化锌压敏电阻的伏安特性较好，但由于功率限制，电流相对放电管要小一些。多次被雷击过流击穿后，击穿电压值会下降，甚至失效。半导体TVS管具有最好的伏安特性。但功率一般很小，成本也比较高；浪涌抑制线圈是最基本的防雷装置。为了防止流经电网的交流电流饱和，必须选用三窗铁芯； X电容也是必要的，必须选择允许纹波电流较大的电容。气体放电管气体放电管是指用于过电压保护的避雷器或天线开关管的一种。管内有两个或多个电极，并充有一定量的惰性气体。气体放电管是间隙式防雷元件，应用于通信系统防雷。

放电管的工作原理是气隙放电。当放电管两极之间施加一定的电压时，极间就会产生不均匀的电场：在这个电场的作用下，管内的气体开始离解。当外部电压增大到极间间隙的场强超过气体的绝缘强度时，两极间的间隙就会发生放电击穿，将原来的绝缘状态转变为导电状态。导通后，放电管两极之间的电压保持在由放电电弧决定的残余电压水平。这个残余电压一般很低，从而保护与放电管并联的电子设备免受过压损坏。

一些气体放电管使用玻璃作为管的封装外壳。有的还采用陶瓷作为封装外壳，放电管内充有电性能稳定的惰性气体（如氩气、氖气等）。常用的放电管一般有两个或三个放电电极，电极之间用惰性气体隔开。根据电极数量的设置，放电管可分为二极放电管和三极放电管。陶瓷二极管放电管由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体组成。管内的放电电极涂有放射性氧化物，管内壁也涂有放射性元素，以改善放电特性。

放电电极主要有棒状和杯状两种结构。在棒状电极的放电管中，在电极和管体壁之间安装有圆柱形隔热罩。该隔热罩会使陶瓷管体容易受热。均匀，无局部过热导致管破裂的情况。隔热罩还涂有放射性氧化物，以进一步减少放电扩散。杯形电极的放电管中，杯口处安装钼网，杯内安装铯元件，也起到减少放电分散的作用。三极放电管也是由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体组成。与二极管放电管不同的是，三极放电管增加了一个镍铬钴合金圆柱体作为第三极，即接地电极。

主要参数：

(1)直流击穿电压。该值是通过施加低上升率（dv/dt=100V/s）的电压值来确定的。

(2)冲击(或浪涌)击穿电压。它代表放电管的动态特性，一般由电压值决定，上升速率为dv/dt=1kV/us。

(3) 标称冲击放电电流。额定放电电流为8/20us波形（前沿8us，半峰持续时间20us），通常放电10次。

(4) 标准放电电流。通过50Hz交流电流额定有效值，每次放电时间1s，放电10次。

(5) 最大单次脉冲放电电流。单次最大放电电流为8/20us电流波。

(6)承受工频电流值。单次最大放电电流为8/20us电流波。对于50Hz交流电，能承受连续9个周期的最大电流有效值。

(7)绝缘电阻。单次最大放电电流为8/20us电流波。对于50Hz交流电，能承受连续9个周期的最大电流有效值。

(8)电容器。放电管电极之间的电容一般在210pF之间，是所有瞬态干扰吸收装置中最小的。

金属氧化物压敏电阻一般以氧化锌为主要成分，加上少量其他金属氧化物（颗粒），如钴、锰、铋等。由于两种不同性质的物体组合起来相当于一个PN结（二极管），压敏电阻相当于无数个PN结的串联和并联。

5、 超高浪涌电压抑制电路示例1

上图是能抵抗强雷电浪涌脉冲电压的电气原理图。图中：G1、G2为气体放电管，主要用于抑制高压共模浪涌脉冲和抑制高压差模浪涌脉冲。它还具有压制能力； VR是压敏电阻，主要用于抑制高压差模浪涌脉冲。经过G1、G2和VR抑制后，共模和差模浪涌脉冲的幅度和能量都大大降低。 G1、G2的击穿电压可以从1000Vp~3000Vp中选择。 VR的压敏电压一般为最大工频电压的1.7倍。 G1、G2击穿后会产生后续电流。一定要加保险丝，防止后续电流过大，造成电路短路。

实施例2

添加两个压敏电阻VR1、VR2和放电管G3。主要目的是加强对共模浪涌电压的抑制。由于压敏电阻存在漏电流，所以一般电子产品对漏电流都有严格的要求。 （小于0.7mAp），所以图中增加了放电管G3，使电路平时对地漏电流等于0。 G3的击穿电压比G1、G2小很多。采用G3进行漏电隔离后，压敏电阻VR1或VR2的击穿电压可以相应选择较低一些。 VR1、VR2对于差模浪涌电压也有很强的抑制作用。实施例3

G1为三端放电管，相当于在一个外壳内安装了两个二端放电管。可用于替代上述两个例子中的G1、G2放电管。除了二端和三端放电管外，还有四端和五端放电管，并且每种放电管的用途并不完全相同。实施例4

添加两个压敏电阻（VR1、VR2）。主要目的是阻断G1击穿后产生的后续电流，防止后续电流过大而造成输入电路短路。但由于VR的最大峰值电流1、VR2一般只有G1的零点几。因此，本例对超高浪涌电压的抑制能力比例3差很多。 例5：直接在PCB板上制作防雷器件

直接在PCB板上制作放电防雷器件，可以代替防雷放电管，抑制数万伏的共模或差模浪涌电压的冲击。防雷装置的电极之间的距离一般都有严格要求。当输入电压为AC110V时，电极之间的距离可为4.5mm。当输入电压为AC220V时，可选择6mm。防雷器的中间电极必须连接到三端电源线与PCB板连接的端口上。实施例6 PCB板气隙放电装置直接在PCB板上制作气隙放电装置来代替放电管。正常放电电压为每毫米1000~1500V，4.5mm爬电距离放电电压约为4500~6800Vp，6mm爬电距离约为4500~6800Vp。放电电压约为6000~9000Vp。

6、 各种防雷装置的连接。防雷装置的安装顺序不能弄错。放电管必须在前面，后面是浪涌抑制电感和压敏电阻（或放电管），然后是半导体TVS栅极。流管或X 类电容器和Y 类电容器。

黄飞

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