雷电电磁脉冲干扰与防护

科目：电磁干扰与兼容

任课老师：崔志伟

作业：雷电电磁脉冲干扰与防护姓名：***

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雷电电磁脉冲干扰与防护

绪论

雷电是由带电的云在空中对地放电导致的一种特殊的自然现象，其具有选择性、随机性、不可预测性以及破坏性。雷电存在的形式除了可以直观感受到的发光、发热、发声的雷电流以外，在雷电流形成的同时由于电磁效应还会产生雷电电磁脉冲。在当今信息化的时代，强大的雷电电磁脉冲是造成电子设备损坏的重要原因，可导致各种微电子设备的运行失效甚至损坏，成为威胁航空航天、国防军事、铁路运输、计算机与通信等领域的一大公害。

电子设备包括信息电子设备和电力电子设备两大类，信息电子设备基本采用微电子控制技术，电力电子设备相对于信息电子设备无信号传输线路外，其控制单元也大多采用微电子控制技术。近20 年来新发现的电子设备雷灾的起因是闪电的电磁脉冲（LEMP）辐射造成的，电子设备越先进、耐压等级越低、能耗越小，灵敏度越高、体积越小，则雷电电磁脉冲的危害范围越大。电子设备抗雷电电磁脉冲的干扰危害已是一个不可回避的问题。

雷电电磁脉冲既是雷电，又是电磁脉冲，但它既有别于直击雷，又有别于普通意义上的电磁脉冲干扰信号。现在对直击雷的防护技术已相当成熟，由于直击雷包含着巨大的能量，通常采用避雷针、避雷网等引雷入地，其实这就是将所接收到的雷电能量直接引向大地而起到分流雷电流的作用，但避雷针引下线由于电感的作用，最多也只能将5 0 % 的雷电流入地，余下的雷电流将通过其他途径或四处扩散后入地。扩散入地的雷电流就以雷电电磁脉冲的形式出现，对雷电电磁脉冲的防护，要从干扰和所具有的巨大能量两个方面来综合考虑。直击雷的强大能量需要入地释放，同理，雷电电磁脉冲的能量也必须旁路泄放入地，在入侵通道上将雷电电磁脉冲引起的过电压、电流加以阻挡，且直接或间接泄放入地，从而达到保护电子。

正文

雷电防护系统( Lightning Protection System（LPS）)是指用以对某一空间进行雷电效应防护的整套装置，它由外部雷电防护系统和内部雷电防护系统两部分组成。

注：在特定的情况下，雷电防护系统可以仅由外部防雷装置或内部防雷装置组成。

目前雷电电磁脉冲防护技术即防雷技术已经发展成熟，国内各大防雷企业都能够实现从设计、产品提供到施工及售后服务的防雷一体化体系解决方案（防雷体系）。在一个完整的防雷体系按照功能的不同分为以下五个部分：

1、直击雷防护(Direct Lightning Protection)

直击雷防护是防止雷闪直接击在建筑物、构筑物、电气网络或电气装置上。直击雷防护技术主要是保护建筑物本身不受雷电损害，以及减弱雷击时巨大的雷电流沿着建筑物泄入大地的过程中对建筑物内部空间产生影响的防护技术，是防

雷体系的第一部分。

直击雷防护技术以避雷针、避雷带、避雷网、避雷线为主要，其中避雷针是最常见的直击雷防护装置。当雷云放电接近地面时它使地面电场发生畸变，在避雷针的顶端，形成局部电场强度集中的空间，以影响雷电先导放电的方向，引导雷电向避雷针放电，再通过接地引下线和接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击。避雷针冠以“避雷”二字，仅仅是指其能使被保护物体避免雷害的意思，而其本身恰恰相反，是“引雷”上身。

目前，主要的避雷针包括常规避雷针，限流型避雷针和预放电型避雷针。

接地是一种有意或非有意的导电连接，由于这种连接，可使电路或电气设备接到大地或接到代替大地的、某种较大的导电体。

注：接地的目的是：(a)使连接到地的导体具有等于或近似于大地（或代替大地的导电体）的电位；(b)引导入地电流流入和流出大地（或代替大地的导电体）。

从定义上可以将接地分为：人工接地、自然界地；从工作性质上可分为接地保护(如防雷接地、防静电接地、设备接地、配点接地等)、工作接地（如电力设施的发、送、配电接地等工作接地还有不需要实际物理连接的电子线路逻辑地）两大类。

接地系系统是通过平衡包括阻值、结构、及相互之间配合等因素通过释放由直击雷击、雷电电磁脉冲、积累在设备上的静电、电力系统短路等状况带来的威胁及其他各类异常能量从而达到防护的目的。

目前，通用的接地材料是铜包钢、扁钢、镀铜钢。其中导电效果最好、使用时间最长的是镀铜钢。

等电位连接（Equipotential Bonding)

等电位连接是指将分开的装置、诸导电物体等用等电位连接导体或电涌保护器连接起来以减小雷电流在它们之间产生的电位差。

等电位连接原理是通过将正常情况下彼此独立的接地系统，通过等电位连接器自动导通系统之间的电位差，从而形成更大的联合接地系统，更有效地进行异

下面分三个部分分别介绍；

一，电子系统雷电电磁脉冲的防护

雷电电磁脉冲通过四通八达的连接电缆耦合产生过电压、过电流传导到电子设备端口造成设备损害。浪涌电流在电缆中流动时，将会产生纵向电压和横向电压。芯线和电缆金属屏蔽层之间产生的纵向电压施加在所连接的设备输入端和接地外壳之间（共模电压）；芯线之间的横向电压施加在所连接设备的输入电路上（差模电压）。下面简要说明雷电电磁脉冲如何通过阻性耦合、感性耦合、容性耦合耦合到连接电缆上的。

1.1 阻性耦合

如图1所示，雷击建筑物1，在其接地电阻上产生约100kV的电位差，该幅值足以击穿设备1和设备2的绝缘。这样浪涌电流通过设备1沿着信号线流到设备2以及建筑物2的地网上，造成建筑物2的地电位抬升。

图1 阻性耦合

如果信号电缆屏蔽层两端接地，浪涌电流沿着屏蔽层流到建筑物2的地网上，同样造成其地电位升。建筑物2的地电位升又加到与其连接的其他电缆上，可能造成其他设备损害。

1.2 感性耦合

由于雷电流具有很大的幅值和波头上升陡度，能在所流经的路径周围产生很强的瞬态脉冲电磁场。根据电磁感应定律，这种变化的脉冲电磁场交链导体回路时，能在回路中感应出电动势，产生过电压和过电流。图2和图3给出了信号电缆可能发生电磁感应的例子。

图2 感性耦合（信号线的芯线之间组成感应环）