防雷技术

RS485数据总线雷击过压防护

1． RS485总线的应用领域

工业控制，DCS，数据采集系统

高速公路收费系统

过程控制及制造

电力系统采集与控制系统

远程终端互连


2． 雷击过压防护的必要性

由于RS485总线实行长距离传输(1200米以上)，而且其传输线通常暴露于户外，因此极易因为雷击等原因引入过电压。而RS485收发器工作电压较低（5V左右），其本身耐压也非常低（-7V~+12V），一旦过压引入，就会击穿损坏。在有强烈的浪涌能量出现时，甚至可以看到收发器爆裂，线路板焦糊的现象。


3． 防护方法及原理






以上为RS485总线的两级防护电路图。当雷击发生时，感应过电压由T与R端引入，G1.G2进行共模防护，G3进行差模保护，此时过电压被大大削弱到约500V左右，在经过电阻R1R2限流，TVS1/2/3二次限压后，到收发器的电压被钳制在6.8V左右，从而实现对收发器的保护。

型 号（G1/G2/G3） 直流开启电压Vs(100V/S) 绝缘电阻Ir(DC100V) 静电电容（1KHZ） 通流能量（10/700us）

GS41-181N 120V~240V ≥100MΩ ≤2PF 4KV/500A



4． 方案选择与对比

G1/G2/G3 R1/R2 TVS1/2/3 比较

方案一 GS41-181N 10Ω/1W P6KE6.8CA 体积小/防护中/成本低

方案二 3R090 10Ω/1W P6KE6.8CA 体积大/防护高/成本高

方案三 P0640 10Ω/1W P6KE6.8CA 体积小/防护低/成本中


5． 知识问答


问：各种器件的选择依据是什么？

答：G1G2G3的选择首先考虑其耐压耐流能力。如GS41-181N能承受10/700us，4KV雷击测试；90V陶瓷管（3R090）可承受10/700us，8KV雷击测试；64V固体管（P0640）只能承受10/700us，3KV雷击测试。R1R2可选择限流效果最好的高成本PTC电阻，也可以选择低成本线绕电阻。经过实际测试，该方案中的线绕电阻选择10Ω/1W，价格低廉，效果不错；PTC则可采用10欧左右，200~300mA,耐压600V的陶瓷或高分子热敏电阻。TVS1/2/3选择根据芯片的工作电压与耐压决定，一般略高于芯片最高工作电压。


问：过压防护标准的依据是什么？

答：IEC61000-4-5，ITU-T K20/K21及国标GB9043均有关于雷击浪涌抗扰度测试标准。其通信线路的最高测试标准为10/700us,4KV。10/700us为通信线路中感应出的雷电压波形，表示从零值上升至峰值为时间为10us，下降至峰值的一半为700us。


问：雷击过压防护的接地要求？

答：雷击浪涌防护除了需要选择优质的防护器件，进行良好的电路板设计，接地也是其最重要的要求。一般防雷地都必要可靠的连接至大地，且接地电阻不能超过10欧。可靠的接地可以大大提高防护效果，而不良的接地也会大大消弱防护效果。


问：为了降低成本及体积，可不可以只采用一级防护？

答：不行。能承受大能量雷击的器件（如RS485）不可能一次将雷击电压钳制到芯片可以承受的水平。TVS虽然可以将雷击电压一次钳制到芯片可以承受的水平，但是不能承受大的雷击能量，因此必须两级防护。


问：RS232，RS422的防护与RS485有何区别？

答：防护方法完全相同。只是根据其工作电压的不同，精细保护器件TVS的电压参数应选择不同。如RS232最大工作电压为15V，则TVS选择为P6KE18CA（18V），RS422最大工作电压为12V，则TVS选择为P6KE15CA（15V）。

问：RS232，RS422，RS485的区别
1、RS-232-C
RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。

在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。
RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。
RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。
2、RS-485
RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线
RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。
RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。
RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。
3、RS-422
RS422总线,RS485和RS422电路原理基本相同，都是以差动方式发送和接受，不需要数字地线。
差动工作是同速率条件下传输距离远的根本原因，这正是二者与RS232的根本区别，因为RS232是单端输入输出，双工工作时至少需要数字地线 。发送线和接受线三条线（异步传输），还可以加其它控制线完成同步等功能。
RS422通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响，而RS485只能半双工工作，发收不能同时进行，但它只需要一对双绞线。
RS422和RS485在19kpbs下能传输1200米。用新型收发器线路上可连接台设备。
 

RS485数据总线雷击过压防护

1． RS485总线的应用领域

工业控制，DCS，数据采集系统

高速公路收费系统

过程控制及制造

电力系统采集与控制系统

远程终端互连


2． 雷击过压防护的必要性

由于RS485总线实行长距离传输(1200米以上)，而且其传输线通常暴露于户外，因此极易因为雷击等原因引入过电压。而RS485收发器工作电压较低（5V左右），其本身耐压也非常低（-7V~+12V），一旦过压引入，就会击穿损坏。在有强烈的浪涌能量出现时，甚至可以看到收发器爆裂，线路板焦糊的现象。


3． 防护方法及原理






以上为RS485总线的两级防护电路图。当雷击发生时，感应过电压由T与R端引入，G1.G2进行共模防护，G3进行差模保护，此时过电压被大大削弱到约500V左右，在经过电阻R1R2限流，TVS1/2/3二次限压后，到收发器的电压被钳制在6.8V左右，从而实现对收发器的保护。

型 号（G1/G2/G3） 直流开启电压Vs(100V/S) 绝缘电阻Ir(DC100V) 静电电容（1KHZ） 通流能量（10/700us）

GS41-181N 120V~240V ≥100MΩ ≤2PF 4KV/500A



4． 方案选择与对比

G1/G2/G3 R1/R2 TVS1/2/3 比较

方案一 GS41-181N 10Ω/1W P6KE6.8CA 体积小/防护中/成本低

方案二 3R090 10Ω/1W P6KE6.8CA 体积大/防护高/成本高

方案三 P0640 10Ω/1W P6KE6.8CA 体积小/防护低/成本中


5． 知识问答


问：各种器件的选择依据是什么？

答：G1G2G3的选择首先考虑其耐压耐流能力。如GS41-181N能承受10/700us，4KV雷击测试；90V陶瓷管（3R090）可承受10/700us，8KV雷击测试；64V固体管（P0640）只能承受10/700us，3KV雷击测试。R1R2可选择限流效果最好的高成本PTC电阻，也可以选择低成本线绕电阻。经过实际测试，该方案中的线绕电阻选择10Ω/1W，价格低廉，效果不错；PTC则可采用10欧左右，200~300mA,耐压600V的陶瓷或高分子热敏电阻。TVS1/2/3选择根据芯片的工作电压与耐压决定，一般略高于芯片最高工作电压。


问：过压防护标准的依据是什么？

答：IEC61000-4-5，ITU-T K20/K21及国标GB9043均有关于雷击浪涌抗扰度测试标准。其通信线路的最高测试标准为10/700us,4KV。10/700us为通信线路中感应出的雷电压波形，表示从零值上升至峰值为时间为10us，下降至峰值的一半为700us。


问：雷击过压防护的接地要求？

答：雷击浪涌防护除了需要选择优质的防护器件，进行良好的电路板设计，接地也是其最重要的要求。一般防雷地都必要可靠的连接至大地，且接地电阻不能超过10欧。可靠的接地可以大大提高防护效果，而不良的接地也会大大消弱防护效果。


问：为了降低成本及体积，可不可以只采用一级防护？

答：不行。能承受大能量雷击的器件（如RS485）不可能一次将雷击电压钳制到芯片可以承受的水平。TVS虽然可以将雷击电压一次钳制到芯片可以承受的水平，但是不能承受大的雷击能量，因此必须两级防护。


问：RS232，RS422的防护与RS485有何区别？

答：防护方法完全相同。只是根据其工作电压的不同，精细保护器件TVS的电压参数应选择不同。如RS232最大工作电压为15V，则TVS选择为P6KE18CA（18V），RS422最大工作电压为12V，则TVS选择为P6KE15CA（15V）。

问：RS232，RS422，RS485的区别
1、RS-232-C
RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。

在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。
RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。
RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。
2、RS-485
RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线
RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。
RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。
RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。
3、RS-422
RS422总线,RS485和RS422电路原理基本相同，都是以差动方式发送和接受，不需要数字地线。
差动工作是同速率条件下传输距离远的根本原因，这正是二者与RS232的根本区别，因为RS232是单端输入输出，双工工作时至少需要数字地线 。发送线和接受线三条线（异步传输），还可以加其它控制线完成同步等功能。
RS422通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响，而RS485只能半双工工作，发收不能同时进行，但它只需要一对双绞线。
RS422和RS485在19kpbs下能传输1200米。用新型收发器线路上可连接台设备。
　

SPD级间配合的计算——应用行波理论进行过电压分析
作者: www.tj-spd.cn 时间: 2007-11-29


目前，我们在考虑低压配电系统的过电压防护时，一般采用多级保护，这里面存在着一个前级保护和后级保护如何配合的问题，我们不妨用行波理论来分析一下。

在低压配电系统的过电压保护中，通常第一级采用放电间隙，以泄放大的雷电流；在第二级采用限压元件，将残压控制在设备的冲击绝缘水平以下。

由于限压元件的响应时间较快，一般为25ns左右，而放电间隙的响应时间则比较慢，约为100ns。那如何才能保证第一级保护比第二级保护先动作，以泄放大的雷电流呢？

我们来做一个计算：雷电侵入波沿着电力电缆侵入，首先到达放电间隙，由于放电间隙有响应时延，侵入波将继续向前行进，我们应该保证的是在侵入波到达限压元件之前让放电间隙动作。

我们知道了波在电缆中的传播速度为V=1.5×10[8]m/s，放电间隙的动作响应时间T为100ns，限压元件的响应时间为25ns，那么，波在这个时间差（100－25）ns内向前行进的距离S为：

S=V * T=（1.5×10[8]m/s）×（75×10[-9]s）=11.25m

也就是说，如果第一级保护器件和第二级保护器件之间的距离（电缆）大于11.25m，就能够保证前级保护先动作，从而达到将大的雷电流先泄放掉的目的。由于防雷器件的实际响应时间有一定的误差，故应将前、后级保护器件间的距离考虑得更长一些，作者认为15m是比较合适的。

如果前后两级保护均为限压型器件，响应时间均为25ns，但考虑到其实际响应时间的误差（可假定为25ns），那么为了保证前级先动作，则两级保护间的距离应该为：

S=V * T=（1.5×10[8]m/s）×（25×10[-9]s）=3.75m

在国标《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版）中，第6.4.11条规定“在一般情况下，当在线路上多处安装SPD且无准确数据时，电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不宜小于10m，限压型SPD之间的线路长度不宜小于5m。”；另外，在信息产业部行业标准《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》YD／T 5098-2001中，第3.7.8条规定“当上一级SPD为开关型SPD，次级SPD采用限压型SPD时，两者之间的电缆线间距应大于10m。当上一级SPD与次级SPD都采用限压型SPD时，两者之间的电缆线间距应大于5m。”

根据上面的计算，电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不小于10m似乎稍嫌小了些，而限压型SPD之间的线路长度不小于5m则是合适的。

在实际的工程中，有时很难保证第一级保护器件（间隙型）和第二级保护器件之间的距离（电缆）大于15m，因此，我们经常采用集中电感来等效这个距离。这个电感的电感量为多少才合适呢？我们也可以计算一下：

导线的L0≈1.6×10[-6] H/m，为了等效15m长导线分布参数的电感量，集中电感应为：
L = L0×S =1.6×10[-6] H/m×15m = 24μH
也就是说，我们可以用电感量为24μH的集中电感来等效15m长的导线。

如果前后两级均为限压型器件，按国标《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版）和信息产业部行业标准《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》YD／T 5098-2001的规定，两级间的距离应大于5m。若用集中电感来等效，则电感量应为：

L = L0×S =1.6×10[-6] H/m×5m = 8μH

行进波遇到电感将发生折、反射，从能量的角度出发，一部分能量被反射回去，那么折射过来继续前进的能量必然会减小。同时，电感能够使侵入波的波头陡度降低，这也是对过电压保护有利的一个因素。

以上只是举了一个利用行波理论来分析低压配电系统过电压的简单的例子。对于低压配电系统、信号系统以及天馈系统中过电压保护的很多问题，都可以应用行波理论来分析研究。