防雷器安装很有讲究【EMC学习】

【现象描述】

某大型室外工业设备， 其电源入口的防雷要求是差模、共模40 kA (8/20 µs 电流波形）。为满足此要求， 特意在电源口上并联了标称值为 40 kA 的防雷模块。但是在进行差模试验时，发现该产品内部很多部件没有得到保护而损坏，如滤波器、电源、稳压器等， 而防雷器却没有损坏， 同时其他不同的设备使用该防雷器能顺利通过40 kA 的测试。

【原因分析】

防雷器在产品中实际的安装情况如图1所示。

在差模试验中，浪涌电流将沿着箭头方向流动。从图中可以看出，电缆 L1、L2在电流流过的回路内， 将流过 40 kA 的浪涌电流。L1、L2 在实际连接中的总长约为0.5 m。

可见， 滤波器输入口所承受的残余电压是防雷器自身的残余电压再加上 L1、I2 在冲击电流的作用下所产生的压降。

其差模下的原理简化电路图如下图2所示。H1、H2 分别表示 L1、L2 的寄生电感， 一般线缆自感量在1 – 1 . 6 µH/m 之间，AB 两端的电压是后一级电路所承受的总残压。

在40 kA 浪涌电流的冲击下，这两段电缆产生的压降可以估算为2500 V，再加上防雷器本身具有的残余电压1500 V, 滤波器输入端所承受的总残压是4000 V。这显然是对滤波器及后一级电路的一个严峻考验，过高的残压最终使滤波器、电源、稳压器等损坏。

【处理措施】

从以 上的分析可见，只要缩短图1中 L1、L2 的长度，即减小图2中电感 H1、H2的电感值，就能对防雷效果有改进。按照如图3所示的方式接线将使后一级电路的残余电压最小，即仅有防雷器本身的残余电压 1500 V。

对采用如图3所示这种接线方式的产品再进行测试， 测试通过。

【思考与启示】

(1) 在大电流浪涌的冲击下， 一段很短的电缆可能产生很高的压降，电缆的长短将不能忽视。

(2) 并联在电源线或信号线上的保护器件，信号以先进入保护器件后再引向后一级电路为原则。

(3) 在做大电流的浪涌保护设计时，导线自身的寄生电感不能忽略不计，并且浪涌电流作用下线缆两端的压降可以通过理论计算大致估算，当1m 长导线中分别通过 5 kA 和 3 kA 的浪涌电流时，其两端产生的电压峰值分别为900 V 和 550 V。因此，减小电源防雷器并接导线的长度对减小后一级被保护电路浪涌电压幅度有很大的作用。所以，并联式安装的防雷器并接到被保护的信号线上时，并接线一定要短。这一设计原则也同样适用于 PCB 板内的浪涌保护电路和滤波电路的设计。

注：以上用例来自《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》