雷电脉冲防护设计

雷电脉冲防护设计

摘要

本文主要主要介绍雷电脉冲灾害产生的原因，分析雷电脉冲的入侵途径，通过电磁兼容理论获得解决雷电脉冲的设计思路。

一、雷电脉冲防护概况

电子器件的集成化和超大规模集成化及新的网络通信技术的发展都为信息时代的主导技术支撑产品――计算机通信技术的发展起到了极大的推动和促进作用，但另一方面，这些微电子仪器设备普遍存在着绝缘强度低，过电压耐受能力差等致命弱点，一旦遭受雷击过压的冲击，轻则造成这些电子系统的运行中断，设备永久性损坏，重的是这些系统所承负的那些须实时运行的后续工作的中断瘫痪所造成的不可估量的直接与间接的巨大经济损失和影响。

二、雷电脉冲入侵途径

雷击引起的上万伏的过电压（过电流）及极强的交变电磁场是损坏楼内弱电设备的主要原因，交变电磁场的瞬即变化是吸引雷电入侵的最佳渠道。其中入侵渠道可以大致分为3种：

1、配电线路引入雷电：配电线路（对 10KV 线路，高压MOV 的残压很高，弱电设备受此高压都会损坏，变压器有一定的隔离和衰减作用，但还有相当大的剩余雷电会传到后续设备。）产生过电压后，该过电压直接传到弱电子设备，并将设备损坏，一般是将设备的电源部分损坏。

2、通信控制线路引入雷电：通信控制线路（通信控制线路一般有

数据专线、网络线、数据控制线和视频线等）感应雷电后，雷电也直接传到设备，并将设备损坏，一般是将设备的通信口损坏，与供电路线上产生雷电流的情况相似，一般来讲，通信线路上的雷电流比供电线路上的雷电流要小。

3、金属管道、电缆引入雷电：架空和直接埋地的金属管道、电缆的进出线等也是雷电引入的又一途径。通常是由于雷击静电感应引起或因暂太高电位 / 过电压通过线路耦合，造成管道和电缆线路毁坏。

三、雷电防护设计

雷电入侵的防范措施：针对上述分析，电子信息系统从电磁兼容角度防止雷击电磁脉冲,从电磁干扰三要素--干扰源、偶和途径、敏感设备入手，采取有效的防护措施，主要有屏蔽、滤波、接地和合理布线等综合防护措施。

1、屏蔽

屏蔽是减少电磁脉冲干扰的基本措施。屏蔽体可做成板式、网状式以及金属编织带式等, 利用低电阻的导体材料对电磁能流具有反射和引导作用,在内部产生与源电磁场相反的电流和磁极化,从而减弱源电磁场的辐射效果。

金属材料的电磁屏蔽效果为对电磁波的反射损耗、吸收损耗和电磁波在屏蔽材料内部多次反射损耗之和。银、铜、铝等相对电导率大, 利用屏蔽体表面所产生涡流的反磁场来达到屏蔽目的, 以反射损耗为主铁和铁镍合金等相对磁导率大, 铁磁材料的高导磁率对干扰磁

场进行分路, 以吸收损耗为主。一般情况下,材料的导电性越好,屏蔽效果越好随着频率升高,电磁波穿透力增强,屏蔽效果下降。

防止雷击电磁脉冲干扰,应采取以下屏蔽措施：

⑴利用建筑物内现存金属部件,形成初级自然屏蔽体。

⑵信号线和低压电源线应采用屏蔽电缆或穿铁管加以屏蔽远离外墙结构柱,进人建筑物就近等电位连接。

⑶利用良导体和高磁导率的镀锌钢作为屏蔽体,具有良好的屏蔽效能。

⑷采用截止波导技术处理屏蔽体的孔洞。

⑸使用电磁密封衬垫和增加金属搭接面处理屏蔽体的缝隙。

2、滤波

滤波技术是抑制电气、电子设备传导电磁干扰,提高自身抗扰度,原理是压缩信号回路骚扰频谱, 用滤波器将无用的骚扰频谱成分滤除。

电源的频率很低（50Hz或直流）, 雷电暂态过电压波形的频谱中含有丰富的高频, 其不可忽略的频率一般在1~10MHz。在电源和电子设备之间接人含有压敏电阻的低通滤波器,对雷电暂态过电压波中的高频分量进行衰减, 同时能够泄流限压,保护电源系统和电子设备。

防止雷击电磁脉冲引起共模和差模形式的传导电磁干扰, 电源线滤波器应采取以下措施：

⑴设备内未滤波的电源线路尽可能短, 远离滤波引线,防止再祸合。

⑵防止高频输人和输出的寄生电容干扰,滤波应优化布置。

⑶避免电源引线和信号逻辑电缆间的藕合。

⑷对敏感设备采用合适的RF扼流圈和旁路电容。

3、接地

接地主要是防止电磁干扰,消除公共阻抗的祸合, 保障人身和设备的安全。在电子信息系统中, 为了整个电子电路有一个公共的零电位基准面, 给高频干扰信号提供公共低阻抗通路, 发挥屏蔽措施良好效能,采用有效的电子设备接地。

电子设备频率<1MHz,避免形成地线回路, 防止通过地线回路的电流传播, 可采用一点接地方式;频率>10MHz,减少接地线的寄生电感, 可采用多点接地方式, 但设备或系统内部地线回路增多,大信号电路可能通过地线回路电流影响小信号电路,造成干扰频率在1~10MHz, 可采用混合接地。

在许多情况下,为了防止电子设备外壳上的干扰电流直接藕合到电子设备电路上, 将外壳接地, 将其中的电子电路浮地。

4、合理布线

合理布线已经成为减少电磁干扰的有效途径,基本思想是使感受器和干扰源尽可能远离、输出和输人端口妥善分离和防护、电源线和信号线互不干扰敷设, 通过合理布线减少雷击电磁脉冲对电子信息系统和设备的电磁干扰。

增加导线抗扰性,防止导线产生电容性和电感性祸合, 应采取以下措施：

⑴导线长度要短、间距要大、避免平行走线。

⑵减少导线形成回路面积, 对干扰对象和干扰源电磁屏蔽, 抑制电磁场藕合。

⑶布线避免靠近用作引下线的柱筋, 减少感应范围。

⑷采用多条并联泄放暂态雷电流的路径。

⑸所有低压电源线和信号线都采用屏蔽措施。

参考文献

【1】邱杨田锦《电磁兼容设计》

【2】边登程,周鑫雷电防护中的电磁设计[期刊论文]- 1002-252X （2008）增刊-0040-04

【3】权秀敏浅谈雷电电磁脉冲防护[期刊论文]-科技经济市场2007(7)

【4】占清华.计想建浅谈雷电电磁脉冲防护设计思路和方法[期刊论文]-新农村（黑龙江） 2013(18)

【5】百度百科词条：雷电电磁脉冲防护