雷电电磁脉冲及其防护

雷电电磁脉冲及其防护1 、雷电电磁脉冲的物理特性(1)物理特性从积雨云的密布到发生闪电，会出现三种物理现象。

①云中静止电荷产生的静电场，产生静电感应现象，地面及各种导体会产生感应电荷，呈观静电场的作用。

这种作用随着距离的增大而迅速减小，与距离的三次方成反比。

②积雨云中电荷的移动（包括闪电）会产生磁场，若磁场强度发生变化就会出现电磁感应现象，这就是感应场产生的作用。

这种作用随着距离的增大而减小较快，与距离的平方成反比。

③闪电发生时，会出现电磁波辐射。

这种辐射场也随距离增大而减小，但比较缓慢，它与距离的一次方成反比。

除了注意上述三种物理现象，更应密切注意雷电流的变化特性，因为雷电的破坏作用与雷电流的峰值和波形密切相关。

现代防雷装臵正是根据雷电流的物理特性设计的，其主要的物理特性是：①峰值电流决定闪电的机械力和电力的作用大小以及雷灾的危害程度；②到达峰值的时间，数值愈小，冲击力愈大，在选用防雷元器件时应考虑响应速度；③最大电流变化率决定了闪电的电磁感应强弱，是电子设备防雷技术中应特别重视的参量，因为电子设备防雷技术中主要是对感应雷的防护；④半峰值时间或到达波尾中间的时间，是指回击电流减小到峰值一半时的时间，这个时间越长，热效应越大，容易造成元器件的损坏，也容易引起火灾。

超过lOO}上s就属于热闪电了。

(2)雷电电磁脉冲的频谱分析雷电电磁脉冲的频谱是研究避雷的重要依据，从频谱结构可以获得雷电电磁脉冲电压、电流的能量在各频段的分布。

根据这些资料可以估算通信设备或系统在其频率范围内可能遭受到的雷电冲击的幅度和能量大小，并以此作为确定避雷措施的参数。

①雷电流峰值比率的频率分析雷电流峰值比率的频率分布是指在雷电流的频谱范围内，每一个频率的电流峰值与雷电流峰值之比的频率分布。

雷电流主要贫布在低频部分，随频率升高迅速递减。

电波的波头越陡，高次谐波越丰富，波尾越长，低频部分越丰富。

②电流峰值比率积累的频率分布雷电流的破坏作用主要表现在对设备的过电压击穿和冲击能量过大的热击穿。

研究雷电过电压比率集中的频段，一旦设备对大地的阻抗测知后，便可转变为通过研究雷电流峰值比率集中的频段来获得。

通过研究可见，波头越陡，受雷电影响的频率范围越宽。

(3)雷电电磁脉冲能量比率积累的频率分布若负载为纯电阻，那么在同一负载上，功率只与通过它的电流平方成正比。

雷电电磁脉冲能量比率积累的频率分布表明，低频部分增值快，频率越高增值越慢。

90%以上的雷电能量都分布在十几千赫兹以内，因此对于通信网路，只要防止十几千赫兹以内的雷电电磁脉冲侵入，就可以把雷电电磁脉冲的90%能量抑制，即可以采用高通滤波器来实现。

2、雷电电磁脉冲的传播途径雷电电磁脉冲传播的途径主要为传导和辐射两大类。

(1)传导耦合①阻抗耦合当雷电流流经接地引下体时，因为引下体和接地线的装臵都具有电阻和电感，所以高幅值和快速变化的雷电流将在引下体上产生很高的电位降。

雷电流引起的对地电位很高，尽管高压持续时间很短（小于21us），但足以引起引下体与附近导体间的击穿放电。

②静电感应耦合在雷电开始瞬间，由于静电场作用，在输电线和各类信号线上感应带电，感应电荷迅速聚集到先导通道附近。

在先导放电通道附近的各类金属物体上也因静电场作用而感应带电。

主放电开始后，由于主放电发展速度很快，在主放电通道中正负电荷剧烈中和，附近金属物上的感应电荷不能以相应的速度流散，于是也将产生很高的静电感应电压。

导线上的感应电荷向两端流散，形成感应过电压波，沿着输电线、信号线窜人配电设备，窜人信号线终端设备，造成设备和系统的损坏。

为防止静电感应电压的危害，应将建筑物的金属屋顶、高层建筑物上的各类金属物体以及房屋内的大型金属物品、金属管道等全部良好接地。

③电磁感应耦合闪电放电时，由于闪电电流有很大的峰值和变化率，即陡度很大，在放电通道周围将激发强磁场和感应电场，使回路中产生感应电压和感应电流。

如果导体有开口或间隙，此处产生的感应电压足以使空气击穿放电，金属物体上产生的感应电流会使物体局部发热。

为了消除或减小感应电压，应该将建筑物内相互靠近的金属物体进行良好的等电位连接。

由电磁感应引超的电压极易超过电子设备内的集成电路等元器件所允许的极限值。

④电容耦合产生的电压闪电放电之前，积雨云附近的地面物体所感应的电荷增加速度较慢，接地导体上的电位变化不明显。

当闪电击中地面物时，接地物体上的电荷将重新分布，这将导致电流的流动，在接地物体的电阻两端产生电压降。

这样在接地良好的物体上由电容感应产生的电压就会很小，否则就应考虑它造成的影响。

因此，在易燃物储存场所内，不允许长时间放臵不接地的金属物和导线。

(2)辐射耦合辐射耦合是指雷电电磁脉冲干扰能量以电磁场的形式，通过空间耦合到接收器上。

辐射的耦合方式主要包括空间电磁波至接收天线的耦合；空间电磁波对电缆的耦合；电缆对电缆的耦合等。

闪电放电时，先导放电阶段将出现高频和甚高频的电磁辐射，而在向上迎面流注过程，则甚低频辐射大大增加。

所有这些辐射能量，有可能耦合到各类有大量集成电路的电气和电子在设备内，以及设备用长电缆远距离传输时造成与其他回路系统内的耦合。

因此，对这类设备的屏蔽、接地等防雷措施尤为重要。

3、雷电电磁脉冲(I。

EMP)的防护雷电是自然界中强大脉冲能量的放电过程，是最强大的干扰源。

其传播途径包括传导和辐射方式或两者的组舍。

根据雷电对地面电子设备和系统的危害方式不同，对雷电电磁脉冲可以采用不同的防护措施。

(1)接闪在防雷处理过程中，首先要设法拦截雷电或吸引闪电，这个装臵就是避雷针。

避雷针其实是避雷装臵的接闪器。

避雷装臵包括接闪器、引下线和接地体三部分组成，通常把整个避雷装臵称作避雷针。

避雷针和由它发展的避雷带和笼式避雷网已成为规范化的、国内外普遍采用的主要防雷手段。

避雷针拦截或吸引雷电的过程是：当“梯级先导”接近大地时，地表上空电场强度大增，地面突出物的上端附近达到空气临界击穿场强所产生的“向上迎面流注”，并趋向于与“下行先导”汇合。

避雷装臵的接闪器高耸于被保护建筑物之上，将产生最强的向上迎面放电，最先与“先导流注”通道汇合，从而形成主放电，因此它“捕获”了雷电。

雷电流通过引下线和接地体安全地泄人大地。

(2)屏蔽屏蔽是防止任何形式电磁干扰的基本手段。

屏蔽的目的是限制某一区域内部的电磁能量向外传播，以及防止或降低外界电磁辐射能量向被保护的空间传播。

通常采用金属材料作为屏蔽材料，按屏蔽的要求不同，可分别采用屏蔽室、屏蔽盒、屏蔽管等完整的屏蔽体或金属网编织带、波导管及蜂窝结构等的非完整屏蔽体屏蔽。

(3)均压（等电位）均压又称等电位连接。

等电位连接就是把导体做良好的导电性连接，使它们近似达到电位相等，为雷电流提供低阻抗的连续通道，以便使它迅速导入大地泄流。

对建筑物外的被保护区域内的金属装臵要做等电位连接。

当避雷针接闪时，如果邻近的电气设备等与引下体之间的绝缘距离不够，就会在最近距离处发生反击。

为有效防止反击，必须保证引下体与金属物之间保持最小安全距离。

由于条件限制无法达到所规定的间距，都应把引下体与金属构件在室外与接地网等电位连接。

对于建筑物内部，由于建筑物开有门、窗等孑L洞，电磁辐射仍要侵入保护区内．雷电感应电压将破坏建筑物内部的电气和电子设备。

当雷电放电时，电磁辐射将在附近导体回路上产生很高的感应电压，此电压在导体开环处将引起空气击穿放电。

因此，必须对所有金属构件做等电位连接，以消除在建筑物内发生的反击隐患。

纵横交错的各种信号传输线、发射、接收天线及其馈线等，极易遭受雷电放电的感应作用形成感应过电压波，造成电气设备，特别是微电子设备的损坏。

一般的屏蔽措施无法消除雷电过电压的侵害，必须采取防护措施，将过电压限制在安全的、设备能够承受的范围之内。

电力和通信部门都采取避雷器来限制雷电过电压波，将雷电流分流入地。

(4)接地接地是分流和泄放直接雷击和雷电电磁脉冲能量的最有效手段。

没有接地装臵或者接地不良的避雷设施，很可能对落雷点附近的电气和电子设备造成电感性、电容性等干扰耦合。

因此，防雷接地的目的就是把雷电流通过低电阻的接地体向大地泄放，以保护建筑物、人员和设备的安全。

电力、电气设备的接地装臵包括避雷接地、电气安全接地、交流电流工作接地、通信及计算机系统中的逻辑接地等。

电气地：大地的电阻非常低，电容量非常大，具有吸收无限电荷仍保持电位不变的能力，适合作为电气系统中的参考电位体。

地电位：实骏证明，在距单根接地极或距一组接地极20m外的地方，几乎已没有电阻存在，电位等于零的“电气地”称为“地电位”。

逻辑地：电子设备中各级电路电流的传输、信号或极性的转换要求有一个参考电位，用以防止外界电磁干扰信号的侵入，常称这个电位为“逻辑地”。

它可以是电子设备的金属机壳、底座、印制电路板上的地线或建筑物内的总接地端子、接地干线等；逻辑地可与大地接触，也可以不接触，而电气地必须与大地接触。

接地的作用主要是防止人身遭受电击、设备和线路遭受破坏，预防火灾和防止雷击，防止静电损害，保障电力系统正常运行，保证电子设备正常工作。

按接地的作用分类，接地可分为保护性接地和功能性接地两种。

保护性接地包括防电击接地、防雷接地和防静电接地。

防电击接地是为了防止电气设备绝缘损坏导致击穿或产生漏电流，将设备的外露导电部分接地，也称为保护接地。

防雷接地是为了防止直击雷、雷电感应、静电感应、电磁感应的雷电波侵入，用金属导线（体）与埋在土壤中或混凝土基础中的散流接地网连接的接地。

防静电接地是将静电荷引入大地，防止由于静电积累对人体和设备造成危害的接地。

功能性接地包括工作接地、直流接地、屏蔽接地、信号接地。

工作接地是系统运行中为了防止系统振荡和保证可靠运行的接地。

直流接地是为了确保稳定的参考电位，将电子设备中的适当金属件作为“逻辑地”的接地。

屏蔽接地是将电磁干扰源引入大地，抑制外来电磁干扰对电子设备影响的接地。

信号接地是为保证信号具有稳定的基准电位而设臵的接地。

接地形式包括独立接地和共享接地。

独立接地是将需要接地的系统均分别独立地建立接地网，其优点是各个系统之间不存在相互干扰，但特别容易被雷击，因为各独立地之间的瞬间电位差过大。

独立接地已不适应现代通信技术的需要，已逐渐被共享接地方式所取代。

通常所说的接地实际上就是指设备一点接地，是利用大地作为电位基准。

一点接地可以解决雷电流引起的不同接地点之间的很大电位差，还可消除公共（地）阻抗的耦合，对于干扰频率小于1MHz的频段是有效的。

当电磁脉冲干扰或信号干扰的频率增加时，一点接地存在分布电感、咆阻和电容，接地的引线长度成为主要矛盾，必须采用最短的引线直接接至地面，使接地阻抗减至最小，形成多点接地方式。

但多点接地对低频干扰是不利的，此时可以采用混合接地方式，即一台电子设备内的各种电路板，以最短导线与机壳连接，或者对干扰信号敏感的设备以最短的导线与同一金属体连接，然后该金属体与其他设备再分别用金属导线接到地网的同一点上。