雷電電磁脈沖知識(shí)

1、雷電電磁感應(yīng)講義引言電磁兼容（EMC）是近年來發(fā)展很快并受到廣泛重視的學(xué)科領(lǐng)域。IEC（國際電工委員會(huì)）對EMC的定義是：“設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對該環(huán)境中任何事物產(chǎn)生不允許的電磁騷擾的能力”。電磁騷擾（EMD）定義是：任何可能引起設(shè)備或系統(tǒng)性能降低或?qū)τ猩盁o生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁騷擾可能是電磁噪聲，無用信號(hào)或傳播媒介自身的變化。電磁噪聲與EMD術(shù)語有相似的含義，指“一種明顯不傳送信息的時(shí)變電磁現(xiàn)象，它可能與有用信號(hào)疊加或組合?！彪姶膨}擾源分為自然騷擾源和人為騷擾源。典型的自然騷擾源有：1、 雷擊電磁脈沖LEMP，又稱大氣噪聲；2、 太陽噪聲，太陽黑子活動(dòng)時(shí)

2、產(chǎn)生的磁暴；3、 宇宙噪聲，來自銀河系；4、 靜電放電ESD；人為騷擾源較多，典型的有：1、 電力網(wǎng)絡(luò)中操作過電壓SEMP；2、 核致電磁脈沖NEMP；3、 高壓配電系統(tǒng)對地短路造成過電壓；其它家電、高頻設(shè)備、電力設(shè)備、內(nèi)燃機(jī)、無線電發(fā)射和接收設(shè)備、高速數(shù)字電路設(shè)備等，通過放電噪聲、接觸噪聲、過渡現(xiàn)象、反射現(xiàn)象、非功能性噪聲和無用信號(hào)等電磁騷擾的發(fā)生機(jī)理均會(huì)造成電磁干擾。在IEC61312-1中對LEMP定義為：“作為干擾源的閃電電流和閃電電磁場。”GB50057-94局部修改條文定義為：“作為干擾源的直接雷擊和附近雷擊所引起的效應(yīng)。絕大多數(shù)是通過連接導(dǎo)體的干擾，如雷電流或部分雷電流，被雷電擊

3、中的裝置的電位升高以及磁輻射干擾?！盠EMP屬由于放電而產(chǎn)生的噪聲，由于雷云之間或雷云與大地之間產(chǎn)生火花放電，往往伴隨著急劇的電流、電壓的瞬時(shí)變化，即di/dt或du/dt很大。與NEMP相比LEMP的電磁場強(qiáng)度、陡度和破壞范圍都弱得多，但雷電這一大氣物理現(xiàn)象，每次釋放的數(shù)百兆焦?fàn)枺∕J）能量與足可影響敏感設(shè)備的毫焦?fàn)枺╩J）能量相比相差懸殊。1971年美國通用研究公司R·D希爾用仿真試驗(yàn)建立模式證明：由于雷電干擾，對無屏蔽的計(jì)算機(jī)當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=0.07GS時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)誤動(dòng)作；當(dāng)Bd=2.4GS時(shí)，計(jì)算機(jī)設(shè)備會(huì)永久性損壞。隨著人類在1973年將1萬個(gè)元件安置在1cm2面積上標(biāo)志著

4、進(jìn)入信息時(shí)代，這個(gè)數(shù)值在逐漸變小。特別是電子技術(shù)從本世紀(jì)六十年代的電子管元器件發(fā)展到八十年代大型集成電路以來，元件的耐受能量已由0.110J降至108106J，因而設(shè)備損壞率驟然升高。各種設(shè)備、元件摧毀能量參見圖1。一位奧地利人對其所在地區(qū)自1960年1992年間雷擊損失保險(xiǎn)理賠件數(shù)進(jìn)行過統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在這33年中，該地區(qū)因直接雷擊造成的事故（火災(zāi)、建筑物破壞等）每年都約為100起左右，而電子設(shè)備的損壞卻由1960年的931起上升到1992年的23768起！圖2圖3是慕尼黑TELA保險(xiǎn)公司的損害分析，說明雷害損失從1978年到1994年的17年中上升了400%。而德國法蘭克福ELELTRA保險(xiǎn)公司

5、的統(tǒng)計(jì)說明在1994年的災(zāi)害賠償中雷擊過電壓損失占33.8%，為第一位（圖4）。這種雷擊災(zāi)害的損失與我國近年來的情況基本相同。我國城市中的雷擊電子設(shè)備損害可占雷電災(zāi)害總損失的80%以上。鑒于上述原因，IEC61312-1標(biāo)準(zhǔn)中“引言”稱“鑒于各種類型的電子系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)、電信設(shè)備、控制系統(tǒng)等（在本標(biāo)準(zhǔn)中稱之為信息系統(tǒng)）的應(yīng)用在不斷增加，使本國際標(biāo)準(zhǔn)的制定成為必需。這樣的信息系統(tǒng)用于商業(yè)及工業(yè)的許多部門，包括高資金投入、大規(guī)模及高度復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)，對這樣的系統(tǒng)從代價(jià)和安全方面考慮非常不希望由雷電導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的停頓。”現(xiàn)代防雷技術(shù)是一系統(tǒng)工程現(xiàn)代防雷技術(shù)涉及到許多行業(yè)，其中有使用維護(hù)系統(tǒng)、設(shè)

6、計(jì)施工系統(tǒng)、設(shè)備生產(chǎn)制造系統(tǒng)、防雷裝置生產(chǎn)、檢測系統(tǒng)等。從技術(shù)角度上看也是一系統(tǒng)工程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)愈合理，系統(tǒng)的各個(gè)組成部分（或要素）之間的有機(jī)結(jié)合就越合理，相互之間的作用就越協(xié)調(diào)，才能使整個(gè)系統(tǒng)在總體上達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)。 比如防雷設(shè)計(jì)首先要從被保護(hù)物所在地理、氣象環(huán)境出發(fā)，要從被保護(hù)物的重要性和復(fù)雜性以及雷擊的后果嚴(yán)重程度出發(fā)。在設(shè)計(jì)中要考慮現(xiàn)有的保護(hù)裝置的有效利用，要與供電系統(tǒng)的型式、暴露程度，所有線纜的架設(shè)，設(shè)備自身的耐壓水平，選用防雷裝置的特性及其有機(jī)配合，以及裝設(shè)后對設(shè)備的正常工作是否產(chǎn)生不允許的影響，雷擊發(fā)生后的反應(yīng)和自復(fù)能力等等復(fù)雜的因素進(jìn)行綜合考慮，當(dāng)然，還應(yīng)考慮投資與效益的關(guān)系

7、。 由于現(xiàn)代電子設(shè)備除受雷電干擾外，尚有大量的自然干擾源和人為干擾源，整個(gè)防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)從EMC這一主題開始進(jìn)行。EMC有三項(xiàng)主要因素必須認(rèn)真考慮：干擾源、耦合機(jī)制和設(shè)備的EMC水平或稱抗擾性（抗擾性水平）。EMC干擾源、耦合機(jī)制和抗干擾措施綜合示意圖可參見圖5。 圖5 EMC干擾、耦合和抗干擾措施綜合示意圖前面我們曾提到中國電力科學(xué)研究院許穎副院長的“三條防線”原則：（1）將絕大部分雷電流直接引入地中泄散；（2）阻塞侵入波沿引入線進(jìn)入設(shè)備的過電壓；（3）限制被保護(hù)物上雷電過電壓的幅值。三條防線，互相配合，各行其責(zé)，缺一不可。鑒于有人一再片面宣傳“傳統(tǒng)防雷系統(tǒng)有缺陷”，“避雷針起到引火燒身的作用，

8、”并由此推理推薦使用“消雷器”因而有必要介紹IEC61312-1。對外部防雷裝置的功能評價(jià)。（見圖6） 圖6在IEC標(biāo)準(zhǔn)中對進(jìn)入建筑物的各種設(shè)施之間的雷電流分配進(jìn)行了估算，認(rèn)為全部雷電流有50%經(jīng)外部防雷裝置而安全導(dǎo)入大地，剩余的50%雷電流將平均分配到進(jìn)入建筑物的各種設(shè)施上。這也為估算電源線、信號(hào)線上的過電壓、過電流水平提供了理論依據(jù)。 在GB50057-94局部條文修訂條文（征求意見稿）中特別指出：“一個(gè)信息系統(tǒng)可能設(shè)于這樣的建筑物內(nèi)，該建筑物按本規(guī)范第二章的規(guī)定不屬于任何一類防雷建筑物，即不需要防直擊雷，在這種情況下，當(dāng)信息系統(tǒng)按本節(jié)第條的規(guī)定（注：是否需要防LEMP，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)合理考慮，

9、對投資與間接損失分析）需要防LEMP時(shí)，該建筑物宜按第三類防雷建筑物采取防雷措施?！?電磁耦合過程IEC61312-1附錄D關(guān)于雷電電磁耦合過程的全文如下：D1耦合機(jī)理： 為了實(shí)用目的同時(shí)為了使用帶有集總參數(shù)的等效電路來進(jìn)行研究，將耦合過程分為電阻性耦合、磁場耦合、電場耦合是有好處的。由于直接雷擊而對信息系統(tǒng)的瞬態(tài)耦合可起因于下列不同的機(jī)理：· 電阻性耦合(例如：由于接地電阻或電纜屏蔽層電阻引起的耦合)。 · 磁場耦合(例如：由于裝置構(gòu)成的環(huán)路或連接線的電感引起的耦合)。 · 電場耦合(例如：由于桿狀天線引起的耦合)。由建筑物內(nèi)設(shè)備引起的電場耦合通常比磁場耦合小。

10、耦合受以下因素影響：· 接地 · 等電位連接 · 屏蔽 · 金屬導(dǎo)體的走向與布局D2電阻性耦合：當(dāng)建筑物遭到雷擊時(shí)，入地的雷電流通常在防雷裝置與遠(yuǎn)處大地之間產(chǎn)生幾百 KV量級(jí)的電壓，此電壓值取決于接地電阻值。這是與建筑物有等電位連接并接至遠(yuǎn)處大地的外來導(dǎo)體(如電線)，有局部雷電流流過的原因。電纜屏蔽層流過的局部雷電流導(dǎo)致在內(nèi)部芯線與屏蔽層間產(chǎn)生電壓。D3磁場耦合：雷電流不論其在導(dǎo)體中流過或在雷電通道中流過，都產(chǎn)生磁場，該磁場在遠(yuǎn)至100米的范圍內(nèi)，其強(qiáng)度正比于電流隨時(shí)間的變化速率。磁場強(qiáng)度H(t)是與傳導(dǎo)雷電流i單一長直通路中心間的距離r成反比。H(t)

11、=i(t)2r某些情況下可應(yīng)用這一公式作簡單的估算，但在大多數(shù)情況下應(yīng)對磁場作詳細(xì)的分析。在磁場與導(dǎo)體有關(guān)聯(lián)的地方，它就在環(huán)路(由這些導(dǎo)體構(gòu)成)中產(chǎn)生與dH/dt成正比的電壓。這就稱之為磁感應(yīng)。D4電場耦合：在形成主放電之前的瞬間必須考慮在整個(gè)雷擊區(qū)(由雷擊點(diǎn)起最遠(yuǎn)大約100米范圍)內(nèi)達(dá)到空氣擊穿放電場強(qiáng)(在500KVm的范圍內(nèi))的各個(gè)場強(qiáng)。主放電形成后，就必須考慮電場的衰減消失以及電場變化率，其值在500（KVm）/s范圍內(nèi)。雷電流電磁耦合過程分析做為干擾源的雷電電流和雷擊電磁場主要是通過路和場二種形式耦合干擾信息系統(tǒng)的電子設(shè)備的。其一、通過導(dǎo)線傳導(dǎo)，即通過設(shè)備的信號(hào)線、控制線、電源線等侵入

12、設(shè)備，統(tǒng)稱傳導(dǎo)干擾。其二、雷擊周圍空間存在的電場和磁場，會(huì)對鄰近設(shè)備產(chǎn)生干擾，叫近場耦合干擾。當(dāng)雷擊能量以電磁波的形式向遠(yuǎn)處傳輸，從而干擾遠(yuǎn)處的設(shè)備時(shí)，稱為遠(yuǎn)場輻射干擾。這兩種形式可稱為輻射干擾，即通過場的干擾。 1電流耦合：當(dāng)雷閃擊在接閃器（或建筑物的金屬構(gòu)件）上，雖然接閃器、引下線和接地裝置的阻值很小，但由于雷電流幅值大，陡度（di/dt）大，會(huì)在瞬間使引下線和接地裝置的電位驟升上百千伏（對遠(yuǎn)處大地一零電位而言）。如圖7所示，當(dāng)di/dt=100KA/s時(shí)，在圖中所示的回路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓Ust=200KV。同理，當(dāng)有屏蔽層的電纜流過雷電流時(shí)，di/dt和屏蔽金屬層的電阻也會(huì)使芯線與屏蔽層

13、間產(chǎn)生感應(yīng)電壓。 在有相當(dāng)高的電位差的引下線與建筑物內(nèi)金屬線纜之間、在屏蔽電纜的外皮與芯線之間、在不同的接地裝置之間均有可能發(fā)生放電現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為閃絡(luò)，跳擊或反擊。 2磁場耦合和電場耦合：雷電通道中（或接閃器、引下線的導(dǎo)體中）的雷電流產(chǎn)生的電場和磁場會(huì)在閉合環(huán)路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而對環(huán)路（及環(huán)路中的設(shè)備產(chǎn)生干擾。在場的干擾中可分為近場（感應(yīng)場）和遠(yuǎn)場（輻射場）當(dāng)干擾源與設(shè)備的間距r相對于干擾信號(hào)的波長很大（r/2）時(shí)，干擾源的性質(zhì)表現(xiàn)為輻射干擾源，其場的性質(zhì)是輻射電磁場，其特點(diǎn)是電場和磁場同時(shí)存在，它們的比值（電磁波的波阻抗）Z=E/H=377。當(dāng)r/2時(shí)為傳導(dǎo)干擾源，其場的性質(zhì)表現(xiàn)為傳導(dǎo)

14、干擾源，其場的性質(zhì)主要表現(xiàn)為電場或主要表現(xiàn)為磁場，視干擾源的性質(zhì)而定。高電壓，電流小的源，其場主要為電場、Z377；電壓低，電流大的源，其場主要表現(xiàn)為磁場，磁場的Z377。電場或磁場都屬于近場（感應(yīng)場、似穩(wěn)態(tài)場、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)場），其干擾頻率一般都比較低。 當(dāng)空氣擊穿放電的電場強(qiáng)度值在500KV/m范圍時(shí)，在從雷擊點(diǎn)至100m的范圍內(nèi)，可能受電場影響耦合產(chǎn)生過電壓，雖然此時(shí)雷擊主放電尚未發(fā)生。在雷擊發(fā)生之后，雷電電場衰減消失，這時(shí)電場的變化率在500（kV/m）/s范圍內(nèi)仍起耦合作用。 3電容耦合：（電場耦合）任何兩塊金屬之間都存在著電容，其間距越大，電容越?。唤饘賶K的尺寸越大，電容越大。雷電電場可通

15、過場的形式（如上一節(jié)所述）耦合干擾設(shè)備。也可以通過流經(jīng)的導(dǎo)體構(gòu)成騷擾源電路干擾接收線路。由電容耦合在接收電路上產(chǎn)生的電壓U2與雷電流流過的電路上電壓U1關(guān)系式如下： U2= Z2/(Xcm+Z2)*U1，說明電場耦合量隨頻率升高而增加。4橫向干擾（線間）騷擾電流在導(dǎo)線上傳輸時(shí)有共模方式和差模方式兩種方式。IEC把在一組有效導(dǎo)體中任意兩導(dǎo)體之間的電壓稱為差模電壓或?qū)ΨQ電壓，也叫為橫向電壓，如圖10所示的VL或VQ。差模電壓是由差模電流流過而產(chǎn)生的，而差模電流則可能因雷擊造成在不同導(dǎo)體（如相線、中性線）流過大小相同，方向相反的電流。此外，當(dāng)一次雷擊過程中有多次閃擊時(shí)它們有大小和發(fā)生先后的區(qū)別，因此

16、在不同的導(dǎo)體上也可能產(chǎn)生電位差而侵入設(shè)備，這種橫向干擾又稱錯(cuò)相位雷擊。相對于橫向干擾的另一種形式為縱向干擾，又稱共模干擾或不對稱電壓，是指某一導(dǎo)體和所規(guī)定的參比點(diǎn)之間（往往是大地或與大地連接的機(jī)架）出現(xiàn)的相量電壓的平均值，也可以說共模干擾是出現(xiàn)于導(dǎo)線與地之間的干擾，常是因地電位升高引起的。 綜上分析，雷電可能閃擊到建筑物上，除部分雷電流沿接地裝置泄散外，尚有部分雷電流可沿進(jìn)入建筑物的各種金屬管線侵入。在高壓輸電線路上發(fā)生雷擊時(shí)，線路上產(chǎn)生的過電壓也會(huì)沿線路傳送，直到變壓器的低壓側(cè)，造成設(shè)備的損壞。此外，可能通過各種耦合機(jī)制使設(shè)備誤動(dòng)作或損壞。 雷電防護(hù)區(qū)按EMC原理將建筑物按需要防護(hù)的空間由表

17、及里劃分為不同的雷電防護(hù)區(qū)（LPZ），有如下實(shí)際意義：· 可以計(jì)算出各LPZ內(nèi)空間雷擊電磁脈沖的強(qiáng)度，以確認(rèn)是否需采取進(jìn)一步的屏蔽措施。 · 可以確定等電位連接的位置（一般是各LPZ區(qū)交界處）。 · 可以確定在不同LPZ交界處選用電涌保護(hù)器的具體指標(biāo)。 · 可以選定敏感電子設(shè)備的安全放置位置。 · 可以確定在不同LPZ交界處等電位連接導(dǎo)體的最小芯線截面。IEC61312-1將LPZ分為以下各區(qū)：LPZ 0A：直擊雷非防護(hù)區(qū)：本區(qū)內(nèi)的各物體都可能遭到直接雷擊和導(dǎo)走全部雷電流，本區(qū)內(nèi)的電磁場沒有衰減，屬完全暴露的未設(shè)防區(qū)。 LPZ 0B：直擊雷防護(hù)區(qū)：本區(qū)內(nèi)的各物體很少遭到直接雷擊，但本區(qū)內(nèi)電磁場沒有衰減，屬充分暴露的直擊雷防護(hù)區(qū)。（本區(qū)一般在外部防雷裝置接閃器保護(hù)范圍之內(nèi)，