雷电电磁脉冲干扰与防护要点

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：朱传帅

学号：1505122194

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）

图3 感性耦合（信号线与地之间组成感应环）

1.3 容性耦合

当各类电缆上空有雷云生成并向下发展为下行先导时，由于雷云和先导通道的感应作用，在各类电缆内将出现反极性的感应电荷，如图4.4所示。该图中示出的是常见的负雷云对地放电，雷云以及下行先导的电荷为负，而在电缆中感应的电荷为正，而电缆中的负电荷经泄漏电导入地。这些感应电荷的聚积速度取决于先导发展的速度，由于先导发展速度比回击速度小100以上。在雷击发生时，雷云以及下行先导的电荷迅速中和消散，而反极性感应电荷将失去束缚，但是这些电荷不能以与回击发展同样的速度来消散，因此形成了对地的过电压，如果在设备处发生闪络，将在电缆中形成浪涌电流。显然，电缆越长，对地电容越大，越易形成容性耦合产生过电压。

图4 容性耦合

1.4雷电防护区

按EMC原理将建筑物按需要防护的空间由表及里划分为不同的雷电防护区（LPZ），有如下实际意义：

?可以计算出各LPZ内空间雷击电磁脉冲的强度，以确认是否需采取进一步的屏蔽措施。

?可以确定等电位连接的位置（一般是各LPZ区交界处）。

?可以确定在不同LPZ交界处选用电涌保护器的具体指标。

?可以选定敏感电子设备的安全放置位置。

?可以确定在不同LPZ交界处等电位连接导体的最小芯线截面。

IEC61312-1将LPZ分为以下各区：

LPZ 0A：直击雷非防护区：本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流，本区内的电磁场没有衰减，属完全暴露的未设防区。

LPZ 0B：直击雷防护区：本区内的各物体很少遭到直接雷击，但本区内电磁场没有衰减，属充分暴露的直击雷防护区。（本区一般在外部防雷装置接闪器保护范围之内，从理论上本区不可能遭受直击雷，而事实上有这种可能）

LPZ 1：第一屏蔽防护区：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，在本区内所有导电部件上的雷电流比LPZ 0区内的电流进一步减小。本区内的电磁场因屏蔽措施而有所衰减。（本区一般指在钢筋结构的建筑物内）

LPZ 2：第二屏蔽防护区：为了进一步减小导电部件上的雷电流和电磁场而引入的后续雷电保护区。

LPZ n：第n屏蔽防护区：需要进一步减小雷击电磁脉冲以保护敏感度水平高的设备的后续雷电保护区。

对此信号电缆的屏蔽方案应该做到：

1）对于新建站点，如果需要敷设大量电缆，可建立有笼状结构的电缆沟。电缆沟的钢筋必须焊接连通并且连接到建筑物的钢筋上。如图5所示。对于已经建好但是钢筋连通性不好的的电缆沟，可在电缆沟内敷设一到两根热镀锌扁钢，

扁钢两端与地网可靠连接。

图5 笼状钢筋电缆沟

2）敷设少量信号电缆时可采用套铁管地埋的方式，铁管两端可靠接地。

3）电缆屏蔽层必须两端可靠接地，为了使屏蔽层内的纵向屏蔽电流均匀分布以获得最大限度的屏蔽性能，连接端宜使用同轴连接器（例如可接地的革兰Gland），连接器对屏蔽层能够提供360度的电接触。

图6

4）对于已经建成在运行的站点（大部分站点属于这种情况），重新埋设电缆沟或者穿钢管以及使用同轴连接器在施工上都存在很大的困难，此时可进行简单连接，即使用接地卡将电缆外层铠装接地，再辅以信号保护器的配合，也能保证设备的安全。

5）对于重要性比较高或者容易雷击环境较恶劣的电缆，应采用双层屏蔽或者套铁管的方式。如果条件有限无法实施，可应在电缆附近沿线敷设一根热镀锌扁钢，扁钢两端与地网可靠连接。

6）连接电缆中闲置不用的空线对应做好接地处理。

机房内部的等电位连接实施方案应为：

各站点机房宜优先采用网状连接，可在机房内部沿墙壁设置均压环（一般设置在机房地板以下），均压环截面积应根据最大故障电流或材料机械强度来确定，一般应采用截面积不小于160mm2的铜排。该均压环从机房的四角用镀锌扁钢或截面积不小于95平方毫米的多股铜线引出并和机房环形地网相连，所有连接皆采用焊接的方法并进行防锈蚀处理。机房内各设备应就近与均压环可靠连接。如果网状连接系统的实施或者改造有困难，也可以采用星形系统的连接。星形系统连接只适用于设备所在区域面积较少的情况。图7给出了一个在小型系统实施行星连接的例子。

VR:垂直主干接地母线FEB:楼层接地排

CEF：电缆入口设施CEEB：电缆入口接地母线排

图7 –星形连接系统举例

另外，机房的接地与等电位连接系统还可根据建筑物的结构、楼层面积、楼层数量和设备布置等实际情况采用网状－星形混合连接形式。图8给出了一个网状－星形混合连接结构的例子。

图8–网状－星形混合连接系统举例

三，对建筑物雷电电磁脉冲进行防护

一、防直击雷击系统

二、建筑物外部应采用避雷针、避雷带（网）或避雷线等防直击雷保护，接

闪器保护范围按滚球法计算。所谓滚球法，就是以规定半径的球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物），或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护。

三、二、等电位连接防护系统

四、对于雷电可能通过地电位反击电压入侵建筑，若采用等电位连接，就可

以起到良好的防护作用。所谓等电位连接，就是使建筑物内的各个部位都形成１个相等的电位。设计时是将建筑物内的结构钢筋与各种金属装置及金属管线，都连接成统一的良好导电体。在雷电流泄放时，各点的电位同时升高，以保证相互之间处于等电位。钢筋混凝土结构的建筑，最具实现等电位的条件。设计时将建筑物的基础钢筋、梁柱钢筋、金属框架、建筑物防雷引下线可靠地焊接、绑扎或搭接在一起。为实现建筑楼层之间的等电位，应至少每隔３层增加１层有均压环的连接，同时再把各种金属设备

和金属管线与之焊接或卡接起来，形成闭合良好而接地的法拉第笼。将建筑物各部分的交流工作地、安全保护地、直流工作地、防雷接地与建筑物法拉第笼良好接地，可避免接地线之间存在电位差，以消除感应过电压的产生。

五、三、电磁屏蔽防护系统

六、建筑的防御雷电电磁脉冲干扰的理想防雷设计方案是笼式避雷网。根据

法拉第笼原理，可利用建筑物自身的钢筋混凝土结构内的钢筋，即建筑物内地板、顶板、墙面、梁、柱内的钢筋，使之构成一个六面体的网笼，即笼式避雷网进行电磁脉冲屏蔽。屏蔽做得好，不仅能防御空间电磁波的辐射，而且还可使建筑物内部的分流和均压达到最佳效果。

七、建筑物内部的屏蔽的做法应根据建筑物内微电子设备的要求来决定。由

于设备性质不同，有的要求仅对设备本身做屏蔽，有的要求在设备与设备之间做屏蔽，还有的要求在机房做屏蔽。设计人员可以按照微电子设备的技术要求，设备多少、繁简、重要程度、摆放位置及进出管线的具体情况设计，以确定对防雷区雷电电磁脉冲的屏蔽、等电位和接地等具体防护措施。

八、建筑的防御雷电电磁脉冲对接地的要求很严格。即所有的屏蔽装置都必

须接地，而且必须采用共用接地方式。即将防雷接地、电源的工作接地、各种装置的金属外壳、铁管外皮和高频电子设备的信号接地都接到建筑物的基础上，或室外接地装置上。

九、四、共用接地系统

十、按照以往的做法，对于１栋建筑物内部各种接地，一般都是采取单独接

地的方式。但是在实践中，这种做法暴露了不少问题：

十一、（１）单独接地的装置是多个的，接地体的组数则更多，需要占相当大的土地面积。在城市迅速发展、土地资源十分宝贵的今天，这是根本无法解决的。

十二、（2）单独接地体中，接地线分为工作接地、保护接地、交流接地、直流接地以及防雷接地等多种。它们在工程设计和施工中，经常相互交叉，再加上地下管线等设施，从电气上很难将它们区分开来，因而出现干扰，甚至危及到设备的安全。

十三、（3）单独接地方式接地线众多，很难确定谁是标准的零电位。在通信数据处理设备及电子计算机系统中，一般都要求有1个有效接地的基准电位，以保证系统的可靠运行。

十四、（4）防雷接地与设备的其它接地是不同目的的2种接地。雷击时，防雷接地体会使地电位产生危险的电位梯度；多种设备的其它接地装置，会把这里的电位梯度差，通过不同系统的地线引入同一机房，形成危险源。十五、鉴于上述原因，在目前国际上通行的防雷技术设计中，都采用了共用接地系统方式。对于建筑而言，大厦内各个设备应建立良好的等电位接地，即交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地等4种接地，宜共用1组接地装置，其接地电阻按其中最小值确定。

十六、五、安装spd对直击雷和雷电波侵入的综合防护系统

十七、spd（surge protective device）即浪涌过电压保护器，又称电涌保护器。

安装使用spd应考虑到以下因素：

十八、（1）防雷区lpz（lighting protective zone）的划分，采用相对应的防

护措施和级别。

十九、（2）注意利用建筑物外部防雷装置和进入建筑物的金属管线分流。二十、（3）按雷击损害风险评估的评估结果进行分级安装。

二十一、（4）按照各种不同接地型式的供电系统，进行相应的安装。

二十二、（5）注意充分考虑电涌保护器的特性，并分别安装。

二十三、一般来说，不同区域的建筑应选择符合该区域级别的spd进行安装。

如大型建筑，应进行电源3级spd防护。即在总配电盘各相安装电源spd 作为第一级保护，在楼层配电箱安装电源spd作为第二级保护，在被保护设备前安装电源spd作为第三级保护。只有这样，才能对电源线路入侵的lemp进行有效的防护。

结束语

电子设备的雷电电磁脉冲防护是现代建筑防雷电磁兼容性设计中一个急待解决的重要问题。当前,随着信息处理技术的发展与普及,各种先进的电子设备正日益广泛地配备于各类建筑物中,这些电子设备普遍存在着一个致命的弱点,即过电压耐受能力差、绝缘强度低、对电磁干扰敏感。一旦建筑物遭受雷击,强烈的雷电电磁脉冲将袭向建筑物内的电子设备,如果对之防护不当,电子设备轻则发生工作失灵,重则受到永久性损坏。关于电子设备的雷电电磁脉冲防护是多方面的,其中合理选择电子设备在建筑物室内的安放位置显得尤为重要。电子设备大多安放在室内,当建筑物遭受雷击后,由于其防雷系统中各不同位置上分支导体对雷电流的不同分流作用,使建筑物内部的脉冲电磁场分布不均匀。如果能够根据建筑物防雷系统的结构和尺寸事先确定建筑物内部的电磁场分布特性,选择在电磁场分布最弱的区域安置电子设备,将能够在很大程度上减轻雷电电磁脉冲对电子设备的干扰的损害,这一点对电子设备的电磁兼容性设计来说是非常重要的雷击建筑物顶部时,在建筑物内所产生的强脉冲磁场主要是集中在防雷系统引下分支所经过的附近区域,雷电脉冲磁感应强度在不同楼层上的分布特别是靠近雷击点附近, 脉冲磁场最强。由建筑物内雷电脉冲磁场的这一空间分布特性可知, 在建筑物内配备电子设备时,设法避开这些强磁场区域,以防止电子设备在强磁场作用下发生工作失灵或被损坏。首先,象微机、传感器和办公自动化用具等电子设备应尽量安置在房间的中央部位,

而不宜靠墙放置,更不能安放在墙角处。对于重要的电子设备应尽可能安置在楼层低的房间内。其次,对于那些配备在建筑物顶层房间内电子设备,尤其是那些配备在靠近容易受到雷击的楼顶角处房间内电子设备,要切实做好屏蔽等防护措施。另外,电子设备的电源线与信号线所形成的回路面积要尽量小,且不能与墙壁中的防雷系统引下分支平行,以避免产生大的回路感应电势而击坏电子设备。

雷电电磁脉冲对于空间、线路、设备的危害体现在传导浪涌、辐射脉冲电磁场和感应电压上。通过对雷电流时域特性和幅频特性曲线的观察，LEM P 在近场区（λ/ 2π）的磁场分量对于设备或线路的影响更大，对于LEM P 的屏蔽防护主要从磁屏蔽着手。在远场区对于LEM P 的防护，磁场屏蔽和电场屏蔽都是非常重要的。电磁屏蔽材料的选择应该综合考虑

其导磁性能和导电性能。现代电子设备防雷是一个系统工程，从工程实施的角度看，雷电电磁脉冲的防护措施有“躲雷”和分流入地。雷电电磁脉冲的能量可以通过S P D 或低通滤波器分流入地；即使是采用“法拉第笼”屏蔽雷电电磁脉冲，屏蔽后也要入地。