仪器仪表雷电与浪涌防护电路设计.pdf
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1、叶仪器仪表与分析监测曳 2023 年第 3期仪器仪表雷电与浪涌防护电路设计Design of Lightning and Surge ProtectionCircuit for Instrumentation毕延帅1王雷1孙勇1姜云贺2 通信作者渊1.潍坊新绿化工有限公司袁 山东潍坊261108曰2.北京远东仪表有限公司袁 北京100013冤摘要仪器仪表功能越来越复杂袁 性能指标和器件的密度也不断提高袁 对浪涌防护尧 电磁兼容能力和成本控制提出了更高的要求遥 如何在降低成本的同时袁 提高电磁兼容能力和浪涌防护能力袁 降低复杂环境下设备的损坏率成为必然要求遥 针对仪器仪表应用场景对浪涌防护原理及
2、电磁兼容的需求进行了详细分析袁 提出了低成本尧 高性能的改进措施袁 达到降低成本袁 提高设备可靠性的目的遥关键词浪涌防护曰 防雷接地曰 电磁兼容中图分类号TH701文献标识码B0引言我国自然灾害形势复杂严峻袁 极端天气事件多发袁 雷暴活动十分频繁袁 雷电灾害是我国最严重的自然灾害之一1遥 2011 年 7 月 23 日晚袁 因雷电原因导致 CAN 总线等信号设备故障袁 杭深线 D301 次列车与 D3115 次列车发生追尾事故袁 造成经济直接损失 4 亿多元2遥 中国 3C 渊China CompulsoryCertification袁 CCC冤 强制认证中对产品的电磁兼容 EMC 渊Elec
3、tro Magnetic Compatibility)作了详细要求袁 因此袁 在仪器仪表的电路设计中要从整体解决方案的现场应用出发袁 特别是户外使用仪器仪表袁 不仅要考虑系统安全防雷和设备接地特性袁 还要对器件成本袁 以及浪涌脉冲电压 渊包括高压静电冤 的抗扰度等指标进行多维度的设计遥1雷击防护原理雷电防护分一次雷击防护和二次雷击防护袁如果雷电直接击到某物体上时袁 称为一次直接雷击或者一次雷击1遥 安装避雷针尧 避雷网等措施可以保护建筑物或其他设备避免直接雷击遥 当避雷针引雷时袁 巨大的雷电电流脉冲将引入到避雷针袁 通过地线附近地面进行扩散袁 电流在扩散的过程中袁 由于地面存在电阻效应袁 将在
4、地面产生很高的分布电压遥 由雷击产生的分布电压或通过电磁场感应对电子设备和人身安全造成的危害现象称为二次雷击3遥 产生二次雷击会在设备供电中感应出很高的浪涌电压袁 大大增加仪器仪表被二次雷击的概率遥 在户外安装的仪器仪表和电缆袁 首先要远离避雷针袁 避免被引雷直接击中袁其次要降低设备与天线安装位置高度袁 减小被雷-16-电直接击中的概率袁 降低雷击损坏程度遥 在风力发电尧 气象尧 通信基站等系统袁 某些仪器仪表必须安装在铁塔等高处袁 因此袁 这些仪器设备不仅要防止一次雷击袁 还要防止二次感应雷击入侵线路产生的损害遥2直击雷防护设计采用地网 渊等电位体冤 连接是防护直击雷的常用手段遥 等电位体是
5、多处与大地连接的导体袁 各地线与等电位体连接的跨步距离要求小于 20 m4遥建筑物内部的钢筋尧 自来水管都是良好的等电位体袁 采用等电位体设计具有抑制电磁兼容中共模干扰信号的效果遥 当雷电击中天线或者建筑时袁由于天线与地网连接袁 整个地网的电位同时升高袁 导致地网连接的所有设备的连接点电位同时升高袁 仪器仪表的内外部电位差基本没有改变遥我国低压输电变压器一般采用 TN-C 接线袁 如图1 所示遥 N 为中线袁 PE 为保护接地线袁 PE 地线为多点接地遥 PEN 既可作为中线使用袁 也可作为保护接地线使用遥 具体安装中袁 把三相电的中线接到等电位体 渊接地平台冤 上袁 然后仪器仪表的地线再与等
6、电位体连接 渊相当于中线两端都接地冤遥使三相的中线与大地形成等电位连接袁 仪器仪表的接地端也与等电位体形成等电位连接遥3二次防雷防护设计雷击时地网吸收电荷容量不是无穷大袁 地网面积不可能无限大袁 实际的地网接地电阻也不可能都为零袁 因此袁 雷击时地网与地网以外的周边设备间存在较大电位差遥 当仪器仪表的远端输电线路被雷击中时袁 首先在设备接地的地面将产生非常高的落地电压袁 由于有落地电阻的存在袁 落地电压会向地面的各个方向传播袁 相当于在仪器仪表的电压输入端与用户地之间迭加了一个很高的浪涌电压曰 其次雷击时会通过线路中线感应出很高的浪涌电压袁 浪涌电压会以行波的方式通过输电中线向设备端传播袁 传
7、输距离相对较远遥 浪涌电压的大小与仪器仪表安装位置到输电线路距离相关遥 文献 4 指出雷击脉冲最好的吸收时间就是雷击电流脉冲的上升时间 渊幅度从 0.1 上升到 0.9 所对应的时间冤袁 此时间大约为 5耀8 滋s袁 浪涌脉冲电压在线路中很容易被衰减袁 对应输电线的长度大约为 1000耀2000 m4遥 对于长距离输电线路袁 只需要考虑前后 15 km 输电线路防雷遥 虽然雷电在地下传输速度比地面传输速度慢几十倍袁但是城市郊区和农村大多数低压电网还是采用明线输电袁 明线输电线路容易遭受二次雷击的浪涌电压影响袁 现场设备非常容易损坏2遥 因此袁 风力发电站或通信铁塔等应用场景袁 应该在地下铺设电
8、源和通信线路袁 而且铺设长度最小为 20 m袁并增加静电屏蔽手段袁 提升电磁兼容能力遥 具体实践中袁 可将铁管埋入地下袁 输电线从铁管中穿过袁 可有效降低雷电浪涌电压遥 在复杂的工业环境袁 可以采用隔离变压器的设计袁 单相变压器可以选用两组 110 V 电压输出的方案袁 将中心抽头接地袁 单边输出为 110 V袁 双边为 220 V袁 并且中线既可当 N 线使用袁 也可以当保护地线 渊PE)使用遥 该设计不仅可以减小因为电机等设备启停在初级线圈线路传递的高频脉冲共模干扰袁 而且可以减小初次级线圈之间的分布电容感应产生的静电高压脉冲袁 提高系统整体的电磁兼容能力和防雷能力遥4仪器仪表雷击防护电路
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