电源和数据口的抗雷击设计Word格式.docx
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由上可知，雷电不管以什么方式出现，其破坏力都是巨大的。
对电力装置而言，它的破坏因素，主要有以下几个方面：
●热效应
雷电在放电时，由于强大的雷电流作用，一般可产生数万度的高温，虽然只维持几
十微妙，但足以引起电力设备、导线及绝缘材料起火。
●机械效应
当雷电流形成高温时，使得它通过的易燃物品内部水分急剧汽化，气体又剧烈膨胀，产生强大机械力，使树木、建筑物遭破坏。
另外当雷电流通过电器设备时，产生的电动力也可使电器设备变形，损坏。
●电磁感应
由于雷电流的变化，它周围空间要陈胜强大的变化磁场，存在于这个变化磁场中的闭合导体，也将产生强大的感应电流，由于这一感应电流的人效应，会使导体电阻大的部分发热，引发火灾和爆炸。
●雷电反击
一些防雷保护装置、电气设备、线路遭雷击时，都会产生很高的电位，如果彼此绝缘距离小，会产生放电现象，即出现雷电反击。
发生雷电反击时，不但电气设备会被击穿烧坏，也极易引发火灾。
●跨步电压
当雷电流入大地时，人在落地点周围20m范围内行走时，两腿之间会引起跨步电压，造成人体触电伤亡，尤其雨天，地面潮湿时更危险。
3.雷电的活动规律
要了解雷电的活动规律，应先了解以下名词：
雷暴日：
指在一天当中只要听到雷声，就叫一个雷暴日，雷暴日通常用“d”表示。
雷暴小时：
指在一个小时内只要听到雷声，就叫一个雷暴小时。
我国大部分地区一个雷
暴日折合三个雷暴小时。
少雷区：
年平均雷暴日数不超过15d的地区。
多雷区：
年平均雷暴日数超过40d的地区。
雷电活动特别强烈地区：
年平均雷暴日数超过90d的地区及雷害特别严重的地区。
雷电活动规律与雷暴日的多少、地区、时间有关。
一般说来，热而潮湿的地区和山区，
雷电活动多；
冷而干燥的地区和平原地带，雷电活动相对较少。
从时间看，早春夏、夏冬交接之际，由于湿度大，雷电活动较多。
从我国各地雷电活动情况来看，南方沿海一带（如广州、南宁等地）降雨多，空气潮湿，雷电活动剧烈，一年内雷暴日可达87~88d；
西北地区（如西安、乌鲁木齐等）干燥、寒冷，属于少雷区，一年内雷暴日在9~15d。
另外，建筑物的结构和建筑地点与遭受雷击情况也有一定规律，旷野中孤立的建筑物和高耸的建筑物、金属结构的建筑物、有金属管道和大量金属设备的厂房、潮湿和地下水位较高的建筑物以及建筑物突出部位等，都是易受雷击的目标。
二防雷设计的有关技术参数及指标
1．防雷设计中的有关技术术语及技术参数、
1）雷电保护区LPZ
LPZ是LightningProtectionZone的缩写，即雷电保护区。
雷电保护区按闪电对建筑物及设备、物品的电磁影响，划分为下述几个区域，如图3所示。
LPZ0A区：
此区域易遭受直击雷击，居于不衰减的电磁场存在。
LPZ0B区：
此区域不易遭受直接雷击，但也具有不衰减的电磁场存在。
LPZ1区：
此区域不易遭受直接雷击，在此区域内流过的雷电流与LPZ0B区相比，大大
减少，此区域电磁场依屏蔽措施的不同而有衰减。
、
雷电保护区（LPZ2区等）：
此区域雷电流及电磁场皆大大减小，此区域可根据被保护
系统所要求的电磁环境来确定。
LPZ区域的数字越高，则电磁环境参数越低。
2．模拟雷电波技术参数
模拟雷电波用来监测避雷器特性及有关装置、器材的抗雷击性能，其波形有严格要求和控制，常用电压峰值、电流峰值及波前时间T1和半峰值时间T2之比等来表示模拟雷电波的波形。
1）模拟雷电冲击电压波
模拟雷电冲击电压波如图4所示。
图中：
I.视在原点O1指通过波前上A点（电压峰值的30%）和B点（电压峰值的90%）作一直线，与横轴相交之点。
II.时间T指电压波上A、B两点间的时间间隔。
III.波前时间T1指由视在原点O1到D点（=1.67T处）的时间间隔。
IV.半峰值时间T2指由视在原点O1到电压峰值，然后再下降到峰值一半处的时间间隔。
2.模拟雷电冲击电流波
模拟雷电冲击电流波如图5所示。
I.视在原点O1指通过波前上C点（电流峰值10%处）和B点（电流峰值的90%处）
作一直线，与横轴相交之点。
II.时间T指电流波上C、B两点间的时间间隔。
III.波前时间T1指由视在原点O1到E点（=1.25T处）的时间间隔。
IV.半峰时间指由视在原点O1到电流峰值，然后再下降到峰值一半的时间间隔。
3）其他技术参数
I.避雷器的残压
放电电流通过避雷器时，其端子间所呈现的电压。
避雷器的残压要求见表1。
表1避雷器的残压
类别
设备名称
额定电压（V）
避雷残压峰值要求值（KV）
1
电力电压器输入端
10000
≤45①
6600
≤27②
交流稳压器输入端
220/380
≤2.6②
2
市电油机转换器输入端
≤1.3②
交流配电屏输入端
低压配电屏输入端
3
整流器输入端
交流不间断电源输入端
注：
①标称放电电流为5KA等级；
②标称放电电流为1.5KA等级。
II避雷器的持续运行电压
在运行时，允许持久地施加在避雷器端子上的工频电压有效值。
2.通信电源系统耐雷击冲击指标
1）高\低压电力电缆耐雷电冲击指标见表2
表2电力电缆耐雷击冲击指标
电力电缆类型
额定电压（V）
模拟雷电冲击电压波电压峰值（KV）（1.2/50us）
高压电力电缆
10000
75
60
低压电力电缆
6
注:
对于高压电力电缆,是指在热状态下的耐受电压值,其雷击冲击耐受电压值不应超过相应电压等级电力设备的最高值.
3）根据设备安装地点和额定工作电压的不同,通信工程电源系统设备按耐雷电冲击指标可分为5类，如图5所示。
3）通信工程电源系统耐雷电冲击应不小于表3所示的数值。
额定电压
（V）
混合雷电冲击波
模拟雷击电压冲击波电压峰值（KV）
（1.2/50us）
模拟雷电流冲击波电流峰值（KV）
（8/20us）
5
电力变压器
20
交流稳压器
4
市电油机转换器
2
交流配电屏
低压配电屏
备用发电机
整流器
220/380
2.5
1.25
交流不间断电源（UPS）
直流配电屏
直流-24V、-48V或-60V
1.5
0.75
1
通信设备机架电源交流入口（由不间断电源供电）
0.5
0.25
DC/AC逆变器
直流-24V、-48V或-60V
DC/DC逆变器
通信设备机架直流电源入口
当设备安装在不同的环境下，应套用相应类别的指标。
三电源线路中雷击波的两种表现形式
1.纵向（共模）过电压及纵向保护
纵向过电压是指由于雷击等原因，使平衡线路与地线间出现的超过容许的电压，用来抑制此种过电压的保护称为纵向保护。
如图6所示，三条相线和一条中线对地线的过电压即是纵向过电压，在电路上可认为纵向过电压是一种共模电压，纵向保护是相线和中线对地线都安装适当的电源SPD。
1）产生源
纵向过压主要是于雷电产生的强电磁波在电力平行线上的感应所致，其主要表现为同相位和同电压（电流）。
2）产生几率
由于雷电直接击中电力电缆的概率较低。
所以电力电缆中的雷电波主要表现为纵向过压（过流），据统计，电源被雷击损坏的情况大部分是由纵向过压（过流）引起的。
2）危害
纵向过电压主要加在电源或通信设备的以下各部件之间，并会通过其中最薄弱点放电，造成设备或电源损坏。
2.1.电源初级的各元气件与地之间
2.2.电源的次级各元气件与地之间
2.3.电源的初级与次级之间
2.4.电源的初级和次级与机壳之间
具体到每款电源，由于所采用的电路拓扑、器件以及PCB布线的不同，所以损坏的具体位置是不确定的。
2.横向（差摸）过电压及横向保护
横向过电压是指由于雷击等原因，使平衡线间出现的超过容许的电压，用来抑制此过电压的保护称为横向保护。
如图7所示，三条相线间和三条相线分别对中线间的过电压即是横向过电压。
在电路上可把这种过电压称为差模电压，
1）产生源横向过电压主要由于雷击和电网本身因素等引起的。
雷击主要引起纵向过电压，当在下列情况时雷击可引起横向过电压：
2.5.各线对地的阻抗不一致，通常情况下中线以地为低阻抗（这与低压配电系统的接地制式有关）。
因此，相线与中性线之间可能有较高的横向过电压。
2.6.当纵向过电压保护器的动作不一致时，各线间会引起较高的横向过电压。
关于此点，国际GB7450-87《电子设备雷击保护导则》中有明确说明。
2.7.电网本身因素主要是操作过电压，即电源开关（特别是较大感性负载的电源开关）动作时引起的横向过电压。
此电压的高低主要由开关后的负载大小来决定。
空调等都可引起较高的、对设备有害的过电压。
3）产生几率
相线对中线的横向过电压产生几率较大，因相线与中线的阻抗一般不等，雷击时会引起横向过电压；
而相线间的横向过电压发生几率较小。
操作过电压一般也是在相线对中线之间。
3）危害
横向过电压的危害比纵向过电压大。
纵向过电压是将设备的绝缘击穿损坏设备，按相关标准最低要求，设备的绝缘为1500V。
因此，纵向过电压只要不高出此电压，则设备不会损坏。
四电源的耐雷击改进措施和测试结果
1.电源的耐雷击改进措施
由于设备的使用环境可能很复杂，许多应用场合无接地端，或接地效果很很差，这就给电源的防雷带来了相当的困难，针对二层交换机的实际使用环境，我们对所用的电源进行了以下改进。
1）横向（差模）雷击
对于横向雷击，我们采用了经典防雷电路来改进电源的耐雷击性能。
主要包括以下几个方面：
●完善的防雷电路拓扑结构。
对于差模雷击，我们不仅在电源入口端加了SPD器件，并且在其后端的电路回路中设置了差模抑制电感，用于进一步减小差模浪涌。
●完善的电路保护措施。
对于防雷电路部分和电源主转换部分分别采用了不同的保护措施，以保证无论在什么情况下，都不会产生起火等危险情况的发生。
●高质量的元气件。
我们选用的SPD器件的容量都达到5KA的标准，并都是著名厂商的产品。
●合理的PCB走线。
对于PCB走线的线宽、线间距以及走线方式都做了精心设计，使防雷电路能为雷电流的提供一个良好的多次泻放通道，而不会造成铜皮烧焦和脱落的现象。
●采用的完善的工艺设计。
对于防雷相关的电路都采用了合理的工艺设计，以保证防雷电路安全而有效的工作。
2）纵向（共模）雷击
对于纵向雷击过压，最好的抑制办法如图6所示，应在相线和地线之间加过压保护器件，把相线上的高压、大电流泻放到地上去。
但由于在实际工程中，许多场合不具备良好的接地条件，也就是说无“地”可以用来泻放雷电流，这时就只能靠电源本身来“抗”雷击的能量。
在多次实验的基础上，我们对电源进行了以下一些改进，以提高电源在各处的绝缘强度，以达到提高耐雷击性能的目的。
改进措施主要包括：
●改进PCB走线，增大初级电源线与地线之间的距离
●增大共模扼流圈的容量，增强其对共模电流的抑制能力。
●加强变压器的绝缘强度，以防止变压器击穿。
●采用更高压等级的元气件。
●加大电源初级和次极之间的耦合电容的耐压等级。
●加强电源与机壳之间的绝缘强度，必要时采用在电源与机壳之间加绝缘片的方法。
●在电源的进线端，通过合理地调整PCB走线，使相线和地线保持合适的距离，并且有足够粗的线宽，以使得雷击波在此处放电，而不至于损坏电源内部器件。
●兼顾了电源的EMC性能和安全性，并未采用以牺牲电源的EMC性能和设备的安全性能来提高防雷效果的方案。
.电源的耐雷击性能测试方案和结果
1）测试方案
测试方案是参照以下标准制定的：
GB/T17626.5-1999idtIEC61000-4-5:
1995
电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验
Electromagneticcompatibility–Testingandmeasurementtechniques–surgeimmunitytest
测试仪器采用的是GB/T17626.58/20us20KA冲击电流试验台。
测试方法：
每项测试正反各测试5次，每次时间间隔为1分钟。
1）测试结果
●线-线间（L1–L2）
序号
冲击电流（8/20us）
正向（5次）
反向（5次）
实验结果
1KA
PASS
2KA
3KA
4KA
5KA
●线-地间（L1-FG）
序号
●线-地间（L2-FG）
1）结论
从上面的测试结果可以看出，电源的耐雷击性能以达到并且超过相关的标准要求，具有较强的耐雷击能力。
五数据口防雷措施及测试结果
1.数据口的防雷措施
数据口，我们设计了以下防雷措施：
●共有两级防雷电路，分别设置在隔离变压器前端和后端。
第一级将雷击浪涌电压钳位在800V以内；
第二级则将第一级的让通电压（残压）钳位在60V以内。
●在第一级防雷电路中，包含差模防雷和共模防雷。
●在两级防雷电路中采用了高性能的气体放电管和TVS器件，以保证防雷效果的可靠性。
●选用高绝缘强度的隔离变压器。
●在设计中考虑了数据线的平衡性问题，使增加的防雷电路不会影响高速数据信号的正常传输。
●合理的PCB走线设计保证了良好的防雷效果。
2．测试方案和测试结果
YD/T950-1988eqvITU-TK.20:
1996
电信交换设备过电压过电流防护技术要求及试验方法
Technicalrequirementsandtestmethodsforprotectionagainstovervoltageaandovercurrentsontelecommunicationswitchingequipment.
测试仪表：
电话机抗雷击测试仪。
2）测试结果
●线间
冲击电压（10/700us）
反向（5次）
结果
1KV
2KV
3KV
4KV
●线
（1）—地
●线
（2）--地
3）测试结果
从上面的测试结果可以看出，数据口的耐雷击性能以达到并且超过相关的标准要求，具有较强的耐雷击能力。
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