雷電電磁脈沖知識

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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）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變電磁現(xiàn)象，它可能與有用信號疊加或組合?！彪姶膨}擾源分為自然騷擾源和人為騷擾源。典

2、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，太陽黑子活動時產(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、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等電磁騷擾的發(fā)生機理均會造成電磁干擾。在IEC61312-1中對LEMP定義為：“作為干擾源的閃電

3、電流和閃電電磁場?！盙B50057-94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，被雷電擊中的裝置的電位升高以及磁輻射干擾。”LEMP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、電壓的瞬時變化，即di/dt或du/dt很大。與NEMP相比LEMP的電磁場強度、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

4、。1971年美國通用研究公司R·D希爾用仿真試驗建立模式證明：由于雷電干擾，對無屏蔽的計算機當(dāng)磁感應(yīng)強度Bm=0.07GS時，計算機會誤動作；當(dāng)Bd=2.4GS時，計算機設(shè)備會永久性損壞。隨著人類在1973年將1萬個元件安置在1cm2面積上標(biāo)志著進入信息時代，這個數(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0.1~10J降至10―8~10―6J，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~1

5、992年間雷擊損失保險理賠件數(shù)進行過統(tǒng)計，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保險公司的統(tǒng)計說明在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

6、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)，包括計算機、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)從代價和安全方面考慮非常不希望由雷電導(dǎo)致系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的停頓?！爆F(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)，其中有使用維護系統(tǒng)、設(shè)計施工系統(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

7、也是一系統(tǒng)工程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)愈合理，系統(tǒng)的各個組成部分（或要素）之間的有機結(jié)合就越合理，相互之間的作用就越協(xié)調(diào)，才能使整個系統(tǒng)在總體上達到最佳的運行狀態(tài)。比如防雷設(shè)計首先要從被保護物所在地理、氣象環(huán)境出發(fā)，要從被保護物的重要性和復(fù)雜性以及雷擊的后果嚴(yán)重程度出發(fā)。在設(shè)計中要考慮現(xiàn)有的保護裝置的有效利用，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)雜的因素進行綜合考慮，當(dāng)然，還應(yīng)考

8、慮投資與效益的關(guān)系。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，整個防護系統(tǒng)應(yīng)從EMC這一主題開始進行。EMC有三項主要因素必須認(rèn)真考慮：干擾源、耦合機制和設(shè)備的EMC水平或稱抗擾性（抗擾性水平）。EMC干擾源、耦合機制和抗干擾措施綜合示意圖可參見圖5。圖5EMC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