CN1848583A

CN1848583A - 可对电网电源直接雷击起可靠保护的雷击保护电路

Info

Publication number: CN1848583A
Application number: CN 200610050315
Authority: CN
Inventors: 叶林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2026-04-12
Also published as: CN100438254C

Abstract

本发明专利公开了一种可对电网电源直接雷击起可靠保护的雷击保护电路。它由氧化锌元件和双向TVS防雷器件构成，其中氧化锌元件BL₁跨接在电源进线两端，氧化锌元件BL₂和BL₃串联后并接在氧化锌元件BL₁两端，双向TVS元件BL₄并接在氧化锌元件BL₂两端，双向TVS元件BL₅并接在氧化锌元件BL₃两端，氧化锌元件BL₂、BL₃和双向TVS元件BL₄、BL₅的公共端接地线或通过机壳再接地线，由接地线实施等电位联接。本发明由电流特性较好的氧化锌组件抑制雷击脉冲电压，利用电压特性良好的双向TVS元件，再次嵌位雷击残压，从而保证了输出的雷击残压达到电气设备安全特性280V以下的要求。

Description

可对电网电源直接雷击起可靠保护的雷击保护电路

技术领域

本发明专利涉及一种广泛应用于系统机房、电子电气设备的一种电源雷击保护器。

背景技术

在现有的电网电源防雷技术手段中，均是采用氧化锌元件加避雷接地线的并式泄流型技术。较为典型的防雷措施如图1所示，在低压供电电网中形成的雷击浪涌脉冲，通过氧化锌避雷元件BL₂、BL₃、接地线D与大地形成泄放途径。雷击的全部能量以热能的形式全部消耗在泄放途径上，除地线电阻外，大地不吸收雷击能量，其泄放机理可用图2简示。根据氧化锌避雷元件的电性能特性和雷击能量A、瞬间雷击功率P、雷击泄放电流I、泄放途径电阻R的简单物理关系式：

A＝P·t＝U²/R＝I²R来分析雷击浪涌脉冲能量经过氧化锌避雷元件压抑后的输出残压的特性，可用图3简示。如图3所示，图3(A)中所示的雷击浪涌脉冲，经过图3(B)中所示氧化锌避雷组件作用后输出的残压如图3(C)中所示。其中u。表示氧化锌组件的起始工作电压。u_max表示为氧化锌组件的最大工作残压(一般为2倍u。值)，从图中可看出，输出残压幅度持续时间T等同于雷击脉冲的时间T，其作用是改变了雷击的幅度。

根据此氧化锌组件的避雷效果，我们可以得出图1所示典型防雷电路的防雷效果分析图，如图4所示。我们知道，雷击对电气设备的危害因素有雷电位(在此表现为U_A、U_B的值)和雷电压U_AB。因此，我们先分析雷电压(雷击残压)U_AB对电气设备的危害程度。任何电气设备，在产品设计时，都有一个安全工作范围，这个安全工作范围的工作参数有工作电压、温度、湿度等，而最主要的是产品的工作电压范围。在规定的工作电压范围内，产品的任何一个组件都能经得住考验而正常工作。当工作电压超过这个范围时，电路的组件就可能过载而损坏。对任何一种电气设备而言，都有这样一个电源安全特性：

a、当过压时间小于毫秒时，小于1500伏的过压不会损坏电气设备；

b、当过压时间大于毫秒时，大于280伏的过压都有可能使电气设备损坏。

对市电供电电网中形成的雷击浪涌脉冲，根据雷击的性质可分为直接雷击浪涌脉冲和感应雷击浪涌脉冲，在此所指的直接雷击是指雷击放电已和供电电网(低压电网)相接触，并和电网形成放电电弧；对直接雷击，由于放电电弧的影响，使得产生的雷击浪涌脉冲的时间大于雷电波的时间，均为超过毫秒的雷击浪涌脉冲，长的可达几十至几百毫秒。对感应雷击，是指雷击放电未和供电电网(低压电网)相接触，未形成放电电弧；对感应雷击，感应雷击浪涌脉冲时间同步于雷电波，持续时间小于毫秒，一般为几十至几百微秒的脉冲时间。

根据直接雷击浪涌脉冲和感应雷击浪涌脉冲的特性和氧化锌避雷组件的残压特性，可得到如图5所示的感应雷击残压U_AB[图5(A)]和直接雷击残压U_AB[图5(B)]，根据氧化锌避雷元件的特性和低压电网供电线路雷击的不同情况(平衡雷击和不平衡雷击)，以及氧化锌避雷元件BL₂和BL₃的差异性，不难看出U_AB的幅值：

o＜U_AB＜(U_max-U_o)

对照电气设备的安全特性，我们可以看出，对感应雷击，由于感应雷击残压U_AB的持续时间T＜1ms，而且幅度控制在1500伏以内，也就是说感应雷击残压U_AB不会对电气设备造成损坏。对直接雷击，由于直接雷击残压U_AB的持续时间T＞1ms，而且幅度不能保证小于280伏，因此，直接雷击残压U_AB有可能使电气设备损坏。

另外，从雷击损坏的另一个可能因素雷电位来考虑，U_A(B)＝U_A+U_C(U_A为氧化锌元件的残压特性，U_C为地线压降)雷电位U_A(B)直接作用在电气设备上，有可能使电气设备造成打火放电反击，从而使电气设备损坏。为此，必须采取等电位联接，通过等电位联接虽然可保证电气设备的安全，但却会造成设备地电位的提高，这就有可能在某些人机接触的场合中带来人身安全的隐害，为保证人身安全必须在良好等电位连接的基础上埋设标准的接地线。

从上述简单分析可看出，现阶段普遍使用和国家标准中支持的电网电源防雷技术产品存在着如下不足：1、不能从根本上消除雷击残压；2、仅是对感应雷击起可靠的保护，而不能对电网直接雷击起可靠的保护；3、需要性能良好的接地线支持，并要采取较好的等电位联接。为此，一些厂家对这种标准防雷措施作一些改进，有的在线路设计上串接保险丝或采用多级保护，在级间采用阻尼组件改变输出残压的特性。在此先不考虑更换保险丝的麻烦，单从熔断的时间就可以看出其技术上的不足，任何熔断式保险丝都有一个熔断时间，其熔断时间通常在几十毫秒之上。可见此办法无法切断时间超过毫秒的雷击残压，只能切断时间超过几十毫秒的雷击残压。由于直接雷击残压是一种近似交流成份的直流脉冲，考虑到线路的阻抗和损耗，这些阻尼组件其实在此不起任何作用，由于电子传输的同时性，多级保护的末级采用的是参数逐步减低的设置方法，而这种方法的防雷性能是由末级决定的，最先损坏的是末级和电气设备，而这种多级保护的输出残压在技术上根本达不到小于280伏的要求。也有采用隔离变压器的方法，切断输出的直流脉冲残压，由于考滤到变压器的自身损耗，这种方法只适合小功率场合使用，对大功率场合就不能使用。因此必需找到一种可靠的措施来保证电气设备于电网电源直接雷击情况下的安全。

发明内容

本发明专利的目的是针对现有技术中的不足，提供了一种输出的雷击残压可小于280伏的雷击保护电路，能对电网电源直接雷击起可靠保护作用，具有使用方便，本身安全性高和成本低等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来完成的：一种可对电网电源直接雷击起可靠保护的雷击保护电路，它由氧化锌元件和双向TVS防雷器件构成，其特征在于所述雷击保护器中氧化锌元件BL₁跨接在电源进线两端，氧化锌元件BL₂和BL₃串联后并接在氧化锌元件BL₁两端，双向TVS元件BL₄并接在氧化锌元件BL₂两端，双向TVS元件BL₅并接在氧化锌元件BL₃两端，氧化锌元件BL₂、BL₃和双向TVS元件BL₄、BL₅的公共端接地线或通过机壳再接地线，由接地线实施等电位联接。

采用上述结构设计的雷击保护电路，由电流特性较好的氧化锌组件抑制雷击脉冲电压，利用电压特性良好的双向TVS元件，再次嵌位雷击残压，从而保证了输出的雷击残压达到电气设备安全特性280V以下的要求。本发明对电网电源直接雷击起可靠保护。

附图说明

图1为现有技术中较为典型的电网电源雷击保护电路结构示意图；

图2是图1中雷击能力的泄放机理示意图；

图3(A)是雷击脉冲能量示意图；

图3(B)是氧化锌避雷组件示意图；

图3(C)是雷击脉冲能量的输出残压示意图；

图4是图1所示典型防雷电路的防雷效果分析图；

图5是图1所示典型防雷电路的雷击残压U_AB分析图；

图6是本发明的一种电路原理结构示意图；

图7是本发明的一种接地泻放型防雷模块组件结构示意图；

图8是本发明的一种免接地雷击保护电路线路图；

图9是氧化锌避雷元件电流特性图；

图10是双向TVS元件电压特性图；

图11是图6所示本发明防雷效果分析图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：参看图1，本发明由氧化锌元件BL1、BL2、BL3及双向TVS元件BL4、BL5构成，其中氧化锌元件BL₁跨接在电源进线两端，氧化锌元件BL₂和BL₃串联后并接在氧化锌元件BL₁两端，双向TVS元件BL₄并接在氧化锌元件BL₂两端，双向TVS元件BL₅并接在氧化锌元件BL₃两端，氧化锌元件BL₂、BL₃和双向TVS元件BL₄、BL₅的公共端接地线或通过机壳再接地线，由接地线实施等电位联接。在此选定TVS元件BL₄和BL₅的工作参数比氧化锌组件高200-300伏。当电网电源遭受雷击时，雷击产生的高能浪涌脉冲首先经过氧化锌元件BL₂和BL₃的嵌位抑制，由于氧化锌元件的非线电压特性，当抑制后的雷击残压升高到TVS元件的工作电压后，TVS元件工作，由于TVS元件有良好的工作电压特性，使得被TVS元件抑制的过电压控制在TVS元件的工作电压范围内。

其工作原理可用图9、图10和图11来说明。考虑到电网电源遭受雷击的不同情况(平衡雷击和不平衡雷击)以及氧化锌元件的差异性，不难得出U_AB：

0＜U_AB＜U₀₂-U₀₁其中，U₀₂为双向TVS的工作电压，U₀₁为氧化锌元件的工作电压。当遭遇平衡雷击时，U_A和U_B的雷电位基本一致，最大幅值为U₀₂值，此时U_AB基本为零；当遭遇不平衡雷击时，一线雷电位U_A或U_B可达U₀₂值(TVS元件工作电压值)，另一线雷电位U_A或U_B基本为U₀₁值(压敏电阻起始工作电压)，U_AB为雷击残压。在此如果取U₀₂为1000V，U₀₁为800V，即U_AB输出残压就可保证在200伏以内，可从技术上根本保证电器设备的安全。本发明可直接应用在电子电气设备的电源电路中，C点直接接工作地。该电路具有结构简单，成本低，可靠性高等特点。

实施例2：参看图7，本发明可根据工程的实际使用需要，将氧化锌避雷元件BL1、BL2、BL3和双向TVS元件BL4、BL5做成单独拆卸的模块形式，按图7所示的连接方法做成雷击保护模块组，方便工程的安装和使用，C点的共同接地点接标准的避雷地线。此雷击保护模块组能对电网电源直接雷击起可靠的保护作用。

其余参看实施例1。

实施例3：参看图8，本实施例采用雷击保护电路上加接隔离变压器的方式，利用隔离变压器切断雷电位的影响，可保证免接地应用场合人机接触情况下的人身安全。

其余参看实施例1。

最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明的技术方案并不限于上述实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.一种可对电网电源直接雷击起可靠保护的雷击保护电路，其特征在于所述雷击保护器中氧化锌元件BL₁跨接在电源进线两端，氧化锌元件BL₂和BL₃串联后并接在氧化锌元件BL₁两端，双向TVS元件BL₄并接在氧化锌元件BL₂两端，双向TVS元件BL₅并接在氧化锌元件BL₃两端，氧化锌元件BL₂、BL₃和双向TVS元件BL₄、BL₅的公共端接地线或通过机壳再接地线。