雷电与浪涌防护及EMC电路设计ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,1,雷电与浪涌防护,及,EMC,电路设计,2,1.,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-T K.20,、,ITU-T K.21,、,ITU-T K.45,，美国雷击浪涌抗扰度试验的标准是,ANSI/IEEEE C62.41,、,GR1089,、,FCC PART68,、,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,16,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。,8,2011,年,7,月,23,日,D3315,次和,D301,次列车在,温州,因雷击发生车祸,9,10,被雷电击坏的,CRT,电视机,被雷电击毁的平板电视机,11,12,被雷电击坏的电脑设备,迪拜塔遭雷击,13,1.,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。,14,1.1,什么是电，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：,80010,-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。,1.2,地球表面的电场,地球表面带负电，它带的电荷大约为,4.5,10,5,库仑，电位大约为负,4,10,5,伏。,1.3,电 场 感 应,电场强度,感应电压,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,。,-,+,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。,U1,U1,1.4,电场感应产生,位移电流,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。,17,1.5,实验证明空间电场的存在,-,+,E,-U1,+U1,-,E,-U1,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。,I,18,1.6,雷电的产生,极化带电,-,+,E,-U1,+U1,12,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,+U2,1.7,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,-U1,1.8,雷电的产生,极化带电体的组合,+U1,-U1,+U1,21,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