电磁兼容典型案例分析

19.1防雷保护案例分析9.1.1雷电的产生及其对电器设备的危害雷电的产生形成雷暴的积雨云常有大量冰晶，云内垂直方向的热力对流发展旺盛，不断发生起电和放电（闪电）现象，其机制十分复杂。在放电过程中，闪电通道上的空气温度骤升，空气中水滴汽化膨胀，甚至还有电离现象产生，短时间内空气迅速膨胀，从而产生了冲击波，导致强烈的雷鸣（打雷）。由于云中的电荷在地面上引起感应电荷，使云底与地面之间形成“闪道”。当电荷积累和其他条件（如突出的建筑物、孤立的烟筒和旷地上的人等等）具备时，就会发生闪电击地，即雷击，造成雷电灾害。2雷电对电器设备的危害雷电对电气设备的影响，主要由以下四个方面造成：①直击雷；②传导雷；③感应雷；④开关过电压。直击雷：雷电直接击中建筑物，雷电的不到50%的能量将会从引下线等外部避雷设施泄放到大地，其中接近40%的能量将通过建筑物的供电系统分流，其中5%左右的能量通过建筑物的通信网络线缆分流，其余的雷击能量通建筑物的其他金属管道、缆线分流。3传导雷（雷电波侵入）：在更大的范围内（几公里甚至几十公里），雷电击中电力或信息通讯线路，然后沿着传输线路侵入设备。感应雷（雷电波感应）：在周围1000公尺左右范围内所有的导体上产生足够强度的感应浪涌。因此分布于建筑物内外的各种电力、信息线路将会感应雷电而对设备造成危害。雷击所造成的破坏性后果体现于下列三种层次：①设备损坏，人员伤亡；②设备或元器件寿命降低；③传输或储存的信号（模拟或数字）、数据受到干扰或丢失，甚至电子设备产生误动作而造成系统暂时瘫痪或整个系统停顿。49.1.2视频监控系统防雷保护方案方案设计说明系统防雷方案包括外部防雷和内部防雷两个方面:（1）外部防雷包括避雷针、避雷带、引下线、接地极等等，其主要的功能是为了确保建筑物本体免受直击雷的侵袭，将可能击中建筑物的雷电通过避雷针、避雷带、引下线等，泄放入大地。（2）内部防雷系统是为保护建筑物内部的设备以及人员的安全而设置的。将因雷击而使内部设施所感应到的雷电流得以安全泄放入地，确保后接设备的安全。5方案设计思想直击雷的外部防护措施接闪器避雷针及其变形产品避雷线、避雷带、避雷网等统称为接闪器。一定高度的金属导体会使大气电场畸变，这样雷云就容易向该导体放电，并且能量越大的雷就越易被金属导体吸引。这样接闪器的防雷是因为将雷电引向自身而防止了被保护物被雷电击中。引下线引下线的作用是将接闪器闪接的雷电流安全的导引入地6接地体接地体是指埋在土壤中起散流作用的导体接地汇集线的布置接地汇集线（汇流排）应布置在靠近避雷器的地方，以使避雷器的接地连接线最短，各楼层的分汇集线应直接与楼底的总汇集线相连，这样能保证实现单点接地方式。感应雷的防护措施感应雷可通过两种不同的感应方式侵入导体：静电感应：在雷云中的电荷积聚时，附近的导体也会感应上相反的电荷，当雷击放电时，雷云中的电荷迅速释放，而导体中原来被雷云电场束缚住的静电也会沿导体流动寻找释放通道，就在电路中形成电脉冲。7电磁感应：在雷云放电时，迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场，在其附近的导体中产生很高的感生电动势。研究表明：静电感应方式引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌。等电位连接各种系统的防雷要求种类很多，但其防雷思想是一致的，就是努力实现等电位。防雷方案设计依据(1)建筑物防雷设计规范GB50057-94(2)电子计算机机房设计规范GB50174-93(3)民用建筑电气设计规范JGJ/T16-92(4)计算站场地安全要求GB9361-888(5)计算站场地技术文件GB2887-89(6)计算机信息系统防雷保安器GA173-1998(7)雷电电磁脉冲的防护IECI312(8)微波站防雷与接地设计规范YD2011－93(9)通信局（站）接地设计暂行技术规定YDJ26E9综合防雷方案设计前端设备的防雷传输线路的防雷终端设备的防雷9具体保护措施----各部分防雷设备的安装摄像机：前端设备如摄像头应置于接闪器（避雷针或其它接闪导体）有效保护范围之内。监控中心机房在监控中心机房各终端设备设备的前端，安装通流容量10KA电源防雷器若干套，作为监控中心机房内各终端设备电源第三级的防雷防护，具体防雷器数量根据终端设备数量决定。电源避雷器的选择和应用原则109.1.3通信线路的雷电过电压及抑制措施通信装置遭受到雷害有两种：感应雷雷害：当落雷到通信设施附近的场所时，就会产生一个强电磁场，就有在通信线路上感应一个非常高的感应电压。直击雷雷害：当落雷到天线铁塔或者建筑物顶的避雷针时产生的一部分雷电流直接流入通信装置，由于产生的电位差而损坏通信装置。对这些雷害的基本保护措施是：1.等电位法，2.旁路法，3.隔离法。11感应雷电涌侵入通信线路及其防雷措施通信线路上产生的感应雷电涌电压使用交流电源的住宅内通信装置的防感应雷措施在用户住宅内，通信电缆与商用电源接地线进行相互连接一般是困难的，通信线与接地点以及电源线与接地点之间应插入一个避雷器，采取了当雷电涌侵入时具有等电位的防雷措施。这种防雷方法称为旁路避雷器法。通信中心大楼的通信装置的防感应雷措施通信中心大楼的防感应雷措施基本上有必要采用住宅内通信装置用的同样的防感应雷措施。其中有点不一样的是：通信电缆的根数较多，又是大型通信装置。12通信中心大楼的直击雷害及其防雷措施直击雷在通信中心大楼的通信线路上产生的雷电压和雷电流侵入大楼内的雷电流带来的影响:一部分雷电涌电流流入通信装置；在大楼以外场所的通信装置之间会产生电位差；大楼内配线用的通信电缆上产生感应电压；出现上述几种情况就会有损坏通信装置的电子电路的情况。13从通信中心大楼流出到楼外的雷电流带来的影响由于直击雷电流从通信中心大楼流出到楼外而进入大地时，该大楼的接地电位上升，来自连接到远处的配线的通信电缆或交流供电线路的雷电涌电流流出到楼外时，会出现损坏在通信电缆或交流供电线路的引出大楼分支点上的避雷器的情况。通信中心大楼的直击雷的防雷措施一种方法是集成接地法，尽可能分散侵入通信装置的雷电流。第二种接地方法称为隔离接地法，以隔离作为重点的接地方法，以便使雷电流不得侵入大楼内。149.1.4油库及汽车加油站系统防雷设计汽车加油站的环境特点地理位置：加油站通常设在城区开阔地带或郊区、山区、乡村、高速公路等道路边的开阔地带；实施条件：无论在城区还是乡村，这些加油站建筑往往都不具备符合要求的防雷实施电源系统：一般加油站的380V交流供电线路是架空明线接入至站区附近再地埋引入建筑的，部分加油站是由10KV电力线架空接入，经变压器后再地埋引入建筑的。在乡村和山区有时根本没有地埋措施，因此非常容易感应雷电电磁脉冲；通信网络系统：引入加油站的ISDN等通信线路通常也是由户外架空明线引入的，并且通常未安装专用电涌保护器（SPD）做雷电防护措施。15汽车加油站防雷等级的确认根据以上年预计雷击次数参数，对于中等以上雷暴强度地区（年均雷暴日40天以上）地区位于公路旁边四级以下的面积3000平方米左右，建筑高度小于15米的常规加油站的预计雷击次数为：N=kNgAe≈0.15次/a依据以上计算，参照GB50057-94《建筑物防雷设计规范》第2.0.3条的要求，其属于标准规定的“具有1区爆炸危险环境的建筑物，且电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡者”。因此应定为二类防雷建筑物，其防爆防火等级应定为Ia(ia)ⅡAT3。16汽车加油站直击雷防护设计站区的防雷设计油罐区的防雷设计引下线的设计地网的设计电源配电系统雷电防护设计外来导体的布置电源系统电涌保护器的布置和选择电涌保护器的布置原理：尽量通过多级钳位使残压逐步降低，以有效地抑制外来雷电波入侵和雷电电磁脉冲的危害。17电涌保护器的选择A、动作电压的选择变压器低压侧的电涌保护器其三相电压为动作电压；U0=400VB、电涌保护器的通信容量选择加油站电源系统设计方案电源一级防雷：应在380V低压总配电箱安装标称通流容量25KA的10/350μs波形的开关型模块式电源电涌保护器,用于整个加油站所有用电设备的第一级电源防护。18电源二级防雷电源三级防雷信号系统保护方案应在从营业厅液位仪检测仪引出的液位仪控制线上安装额定负载电流1～1.5A的大功率特殊信号电涌保护器，用于液位仪检测仪信号线路的保护。应在从营业厅加油机总控制线上安装精密的控制信号电涌保护器，用于加油机总控制线路的保护。应在PSTN拨号网络通讯线MODEN前和电话通讯系统进线端分别安装电话线路通信线电涌保护器，用于各设备网卡及电话通信线路的防雷保护。199.2电子元器件电磁兼容案例分析9.2.1电子元件的防静电损坏措施静电放电静电放电（ESD）是大家熟知的电磁兼容问题，它可引起电子设备失灵甚至使其损坏。当半导体器件单独放置或装入电路模块时，即使没有加电，由于静电放电的原因也可能造成这些器件的永久性损坏。对静电放电敏感的元件被称为静电放电敏感元件（ESDS）。20实际问题解决问题的解决包括：如果静电放电敏感元件（ESDS）在生产和维护期间暴露在外面，那么在这些元件附近，应防止电荷的积累，并且在运输和保管过程中，将这些元件按防静电放电的方法包装。静电放电保护区域（EPA）静电放电保护区域（EPA），有时指安全操作区，是任意一种静电放电控制措施的核心所在。典型的静电放电保护区如下图所示。该图给出了各种可能的措施，但并没有必要全部使用这些措施，这主要由特定的环境决定。2122安全性EPA内一般有加电的工具和设备。在这种环境中，将单个物件或设备直接连接到地是很危险的。23正是由于此原因，腕套接地导线、转轮及脚趾带箍的连接处均要串入一只不低于1M的电阻。有些腕套接地导线的每端均有一只这样的电阻，因此，即使腕套接地导线接在加电维修的产品的带电接线端，也不会有危险。运输与存放运输带引脚的元件时，通常使用导电泡沫材料。这可以防止元件引脚间出现较高的电势差，对于双列直插式封装的元件，在散装运输过程中常采用静电损耗性管。对于线路板组件，当位于静电放电保护区外时，应将其置于静电屏蔽袋或导电搬运箱内进行运输。249.2.2直流放大器电磁兼容分析故障现象和原因分析故障现象：某直流放大器在进行GJB151中的CS06试验时，放大器出现饱和现象而失效。故障原因分析：该直流放大器安装在一块线路板上，为了安装方便，整块线路板通过一条电缆与其它电路模块连接起来，如下图所示。2526由于电缆中导线平行，因此导线之间的寄生电容较大。由于放大器的输入线与输出线之间也有较大的寄生电容，因此放大后的输出信号又被耦合到输入信号线上，结果形成正反馈，导致放大器饱和而失效。解决措施要解决这个问题可以有两个方案：首先可以将导线分开，减小导线之间的寄生电容，特别是将电源线与放大器的输入线分开，这样可以避免试验脉冲的能量耦合进放大器的输入端。另一个办法是压缩放大器的频带，使放大器对耦合进输入端的高频信号没有响应。279.2.3变频器应用中的干扰问题及其对策变频器干扰的来源晶闸管换流设备对变频器的干扰电力补偿电容对变频器的干扰干扰信号的传播方式电路耦合方式感应耦合方式空中幅射方式变频调速系统的抗干扰对策28干扰的隔离所谓干扰的隔离，是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。设置滤波器在系统线路中设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源电动机。输入滤波器通常又有两种：线路滤波器：主要由电感线圈构成。它通过增大线路在高频下的阻抗来削弱频率较高的谐波电流。辐射滤波器：主要由高频电容器构成。它将吸收掉频率很高的、具有辐射能量的谐波成分。29输出滤波器：也由电感线圈构成。它可以有效地削弱输出电流中的高次谐波成分，不但起到抗干扰的作用，而且能削弱电动机中由高次谐波谐波电流引起的附加转矩。屏蔽干扰源屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。接