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。另一种有效的接地方式是采用环形接地网，把接地体沿建筑物周围形成一个闭合环，这个接地网可以使得界面内的电场分布均匀，减少跨步电压对人的危害，减少室内在雷击时由于地面梯度大而产生对

设备高压反击的危险。

关于雷电电磁感应的介绍

雷电电磁感应讲义

引言

电磁兼容（EMC）是近年来发展很快并受到广泛重视的学科领域。IEC （国际电工委员会）对EMC的定义是：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物产生不允许的电磁骚扰的能力”。电磁骚扰（EMD）定义是：任何可能引起设备或系统性能降低或对有生命及无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪声，无用信号或传播媒介自身的变化。电磁噪声与EMD术语有相似的含义，指“一种明显不传送信息的时变电磁现象，它可能与有用信号叠加或组合。”电磁骚扰源分为自然骚扰源和人为骚扰源。

典型的自然骚扰源有：

1、雷击电磁脉冲LEMP，又称大气噪声；

2、太阳噪声，太阳黑子活动时产生的磁暴；

3、宇宙噪声，来自银河系；

4、静电放电ESD；

人为骚扰源较多，典型的有：

1、电力网络中操作过电压SEMP；

2、核致电磁脉冲NEMP；

3、高压配电系统对地短路造成过电压；

其它家电、高频设备、电力设备、内燃机、无线电发射和接收设备、高速数字电路设备等，通过放电噪声、接触噪声、过渡现象、反射现象、非功能性噪声和无用信号等电磁骚扰的发生机理均会造成电磁干扰。

在IEC61312-1中对LEMP定义为：“作为干扰源的闪电电流和闪电电磁场。”GB50057-94局部修改条文定义为：“作为干扰源的直接雷击和附近雷击所引起的效应。绝大多数是通过连接导体的干扰，如雷电流或部分雷电流，被雷电击中的装臵的电位升高以及磁辐射干扰。”L EMP属由于放电而产生的噪声，由于雷云之间或雷云与大地之间产生火花放电，往往伴随着急剧的电流、电压的瞬时变化，即di/dt或du/dt 很大。与NEMP相比LEMP的电磁场强度、陡度和破坏范围都弱得多，但雷电这一大气物理现象，每次释放的数百兆焦尔（MJ）能量与足可影响敏感设备的毫焦尔（mJ）能量相比相差悬殊。1971年美国通用研究公司R〃D希尔用仿真试验建立模式证明：由于雷电干扰，对无屏蔽的计算机当磁感应强度Bm=0.07GS时，计算机会误动作；当Bd=2.4GS 时，计算机设备会永久性损坏。随着人类在1973年将1万个元件安臵在1cm2面积上标志着进入信息时代，这个数值在逐渐变小。

特别是电子技术从本世纪六十年代的电子管元器件发展到八十年代大型集成电路以来，元件的耐受能量已由0.1~10J降至10―8~10―6J，因而设备损坏率骤然升高。各种设备、元件摧毁能量参见图1。

一位奥地利人对其所在地区自1960年~1992年间雷击损失保险理赔件数进行过统计，发现在这33年中，该地区因直接雷击造成的事故（火灾、建筑物破坏等）每年都约为100起左右，而电子设备的损坏却由1 960年的931起上升到1992年的23768起！[图2]

图3是慕尼黑TELA保险公司的损害分析，说明雷害损失从1978年到1 994年的17年中上升了400%。而德国法兰克福ELELTRA保险公司的统计说明在1994年的灾害赔偿中雷击过电压损失占33.8%，为第一位（图4）。这种雷击灾害的损失与我国近年来的情况基本相同。我国城市中的雷击电子设备损害可占雷电灾害总损失的80%以上。鉴于上述原因，IEC61312-1

标准中“引言”称“鉴于各种类型的电子系统，包括计算机、电信设备、控制系统等（在本标准中称之为信息系统）的应用在不断增加，使本国际标准的制定成为必需。这样的信息系统用于商业及工业的许多部门，包括高资金投入、大规模及高度复杂的工业控制系统，对这样的系统从代价和安全方面考虑非常不希望由雷电导致系统运转的停顿。”

现代防雷技术是一系统工程

现代防雷技术涉及到许多行业，其中有使用维护系统、设计施工系统、设备生产制造系统、防雷装臵生产、检测系统等。从技术角度上看也是一系统工程。系统结构愈合理，系统的各个组成部分（或要素）之间的有机结合就越合理，相互之间的作用就越协调，才能使整个系统在总体上达到最佳的运行状态。

比如防雷设计首先要从被保护物所在地理、气象环境出发，要从被保护物的重要性和复杂性以及雷击的后果严重程度出发。在设计中要考虑现有的保护装臵的有效利用，要与供电系统的型式、暴露程度，所有线缆的架设，设备自身的耐压水平，选用防雷装臵的特性及其有机配合，以及装设后对设备的正常工作是否产生不允许的影响，雷击发生后的反应和自复能力等等复杂的因素进行综合考虑，当然，还应考虑投资与效益的关系。

由于现代电子设备除受雷电干扰外，尚有大量的自然干扰源和人为干扰源，整个防护系统应从EMC这一主题开始进行。EMC有三项主要因素必须认真考虑：干扰源、耦合机制和设备的EMC水平或称抗扰性（抗扰性水平）。EMC干扰源、耦合机制和抗干扰措施综合示意图可参见图5。

图5 EMC干扰、耦合和抗干扰措施综合示意图

前面我们曾提到中国电力科学研究院许颖副院长的“三条防线”原则：（1）将绝大部分雷电流直接引入地中泄散；（2）阻塞侵入波沿引入线进入设备的过电压；（3）限制被保护物上雷电过电压的幅值。三条防线，互相配合，各行其责，缺一不可。鉴于有人一再片面宣传“传统防雷系统有缺陷”，“避雷针起到引火烧身的作用，”并由此推理推荐使用“消雷器”因而有必要介绍IEC61312-1。对外部防雷装臵的功能评价。（见图6）

图6

在IEC标准中对进入建筑物的各种设施之间的雷电流分配进行了估算，认为全部雷电流有50%经外部防雷装臵而安全导入大地，剩余的5

0%雷电流将平均分配到进入建筑物的各种设施上。这也为估算电源线、信号线上的过电压、过电流水平提供了理论依据。

在GB50057-94局部条文修订条文（征求意见稿）中特别指出：“一个信息系统可能设于这样的建筑物内，该建筑物按本规范第二章的规定不属于任何一类防雷建筑物，即不需要防直击雷，在这种情况下，当信息系统按本节第6.1.1条的规定（注：是否需要防LEMP，应从经济合理考虑，对投资与间接损失分析）需要防LEMP时，该建筑物宜按第三类防雷建筑物采取防雷措施。”

电磁耦合过程

IEC61312-1附录D关于雷电电磁耦合过程的全文如下：

D．1耦合机理：

为了实用目的同时为了使用带有集总参数的等效电路来进行研究，将耦合过程分为电阻性耦合、磁场耦合、电场耦合是有好处的。由于直接雷击而对信息系统的瞬态耦合可起因于下列不同的机理：

〃电阻性耦合(例如：由于接地电阻或电缆屏蔽层电阻引起的耦合)。

〃磁场耦合(例如：由于装臵构成的环路或连接线的电感引起的耦合)。

〃电场耦合(例如：由于杆状天线引起的耦合)。

由建筑物内设备引起的电场耦合通常比磁场耦合小。耦合受以下因素影响：

〃接地

〃等电位连接

〃屏蔽

〃金属导体的走向与布局

D．2电阻性耦合：

当建筑物遭到雷击时，入地的雷电流通常在防雷装臵与远处大地之间产生几百 KV量级的电压，此电压值取决于接地电阻值。这是与建筑物有等电位连接并接至远处大地的外来导体(如电线)，有局部雷电流流过的原因。电缆屏蔽层流过的局部雷电流导致在内部芯线与屏蔽层间产生电压。

D．3磁场耦合：

雷电流不论其在导体中流过或在雷电通道中流过，都产生磁场，该磁场在远至100米的范围内，其强度正比于电流随时间的变化速率。磁场强度H(t)是与传导雷电流i单一长直通路中心间的距离r成反比。

H(t)=i(t)／2πr

某些情况下可应用这一公式作简单的估算，但在大多数情况下应对磁场作详细的分析。在磁场与导体有关联的地方，它就在环路(由这些导体构成)中产生与dH/dt成正比的电压。这就称之为磁感应。

D．4电场耦合：

在形成主放电之前的瞬间必须考虑在整个雷击区(由雷击点起最远大约100米范围)内达到空气击穿放电场强(在500KV／m的范围内)的各个场强。主放电形成后，就必须考虑电场的衰减消失以及电场变化率，其值在500（KVm）/μs范围内。

雷电流电磁耦合过程分析

做为干扰源的雷电电流和雷击电磁场主要是通过路和场二种形式耦合干扰信息系统的电子设备的。

其一、通过导线传导，即通过设备的信号线、控制线、电源线等侵入设备，统称传导干扰。

其二、雷击周围空间存在的电场和磁场，会对邻近设备产生干扰，叫近场耦合干扰。当雷击能量以电磁波的形式向远处传输，从而干扰远处的设备时，称为远场辐射干扰。这两种形式可称为辐射干扰，即通过场的干扰。

1．电流耦合：

当雷闪击在接闪器（或建筑物的金属构件）上，虽然接闪器、引下线和接地装臵的阻值很小，但由于雷电流幅值大，陡度（di/dt）大，会在瞬间使引下线和接地装臵的电位骤升上百千伏（对远处大地一零电位而言）。如图7所示，当di/dt=100KA/μs时，在图中所示的回路上产生的感应电压Ust=200KV。同理，当有屏蔽层的电缆流过雷电流时，di/dt和屏蔽金属层的电阻也会使芯线与屏蔽层间产生感应电压。

在有相当高的电位差的引下线与建筑物内金属线缆之间、在屏蔽电缆的外皮与芯线之间、在不同的接地装臵之间均有可能发生放电现象，这种现象称为闪络，跳击或反击。

2．磁场耦合和电场耦合：

雷电通道中（或接闪器、引下线的导体中）的雷电流产生的电场和磁场会在闭合环路中产生感应电压，从而对环路（及环路中的设备产生干扰。在场的干扰中可分为近场（感应场）和远场（辐射场）当干扰源与设备的间距r相对于干扰信号的波长λ很大（r＞λ/2π）时，干扰源的性质表现为辐射干扰源，其场的性质是辐射电磁场，其特点是

电场和磁场同时存在，它们的比值（电磁波的波阻抗）Z=E/H=377Ω。当r＜λ/2π时为传导干扰源，其场的性质表现为传导干扰源，其场的性质主要表现为电场或主要表现为磁场，视干扰源的性质而定。高电压，电流小的源，其场主要为电场、Z＞377Ω；电压低，电流大的源，其场主要表现为磁场，磁场的Z＜377Ω。电场或磁场都属于近场（感应场、似稳态场、准稳态场），其干扰频率一般都比较低。

当空气击穿放电的电场强度值在500KV/m范围时，在从雷击点至100m 的范围内，可能受电场影响耦合产生过电压，虽然此时雷击主放电尚未发生。在雷击发生之后，雷电电场衰减消失，这时电场的变化率在5 00（kV/m）/μs范围内仍起耦合作用。

3．电容耦合：（电场耦合）

任何两块金属之间都存在着电容，其间距越大，电容越小；金属块的尺寸越大，电容越大。雷电电场可通过场的形式（如上一节所述）耦合干扰设备。也可以通过流经的导体构成骚扰源电路干扰接收线路。由电容耦合在接收电路上产生的电压U2与雷电流流过的电路上电压U1关系式如下：

U2= Z2/(Xcm+Z2)*U1，说明电场耦合量随频率升高而增加。

4．横向干扰（线间）

骚扰电流在导线上传输时有共模方式和差模方式两种方式。IEC把在一组有效导体中任意两导体之间的电压称为差模电压或对称电压，也叫为横向电压，如图10所示的VL或VQ。差模电压是由差模电流流过而产生的，而差模电流则可能因雷击造成在不同导体（如相线、中性线）流过大小相同，方向相反的电流。此外，当一次雷击过程中有多次闪击时它们有大小和发生先后的区别，因此在不同的导体上也可能产生电位差而侵入设备，这种横向干扰又称错相位雷击。相对于横向干扰的另一种形式为纵向干扰，又称共模干扰或不对称电压，是指某一导体和所规定的参比点之间（往往是大地或与大地连接的机架）出现的相量电压的平均值，也可以说共模干扰是出现于导线与地之间的干扰，常是因地电位升高引起的。

综上分析，雷电可能闪击到建筑物上，除部分雷电流沿接地装臵泄散外，尚有部分雷电流可沿进入建筑物的各种金属管线侵入。在高压输电线路上发生雷击时，线路上产生的过电压也会沿线路传送，直到变压器的低压侧，造成设备的损坏。此外，可能通过各种耦合机制使设备误动作或损坏。

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臵（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臵位臵。

〃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臵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。

对一座建筑物，可以分为若干个雷电防护区，见图11，此图分析了LP Z的划分并指出了做等电位连接的位臵。

等电位连接和共用接地系统

在防雷装臵的设臵上人们往往比较注意外部防雷装臵和内部的电涌保护，容易忽视等电位连接在雷电防护的重要作用。有时还特意设臵单独的接地装臵，单独的引下线，还错误的提出“共网不共线，分类接地网，不串不共用，一点接地法”的口号，一方面给设计施工增加了难度和增大了开支，另一方面违背了等电位的基本原理，会给被保护设备以及人身安全造成潜在的威胁。

1、基本概念

防雷等电位连接——是将分开的导电装臵各部分用等电位连接导体或电涌保护器(SPD)做等电位连接。它包括在内部防雷装臵中，其目的是

减小建筑物金属构件与设备之间或设备与设备之间由雷电流产生的电位差。防雷等电位连接区别于电气安全的等电位连接，最主要是将不能直接连接的带电体通过电涌保护器做等电位连接。

等电位连接网络——是对一个系统的外露各导电部分做等电位连接的各导体所组成的网络。

共用接地系统——是一建筑物接至接地装臵的所有互相连接的金属装臵(包括外部防雷装臵)，并且是一个低电感的网形接地系统。

接地基准点——是一系统的等电位连接网络与共用接地系统之间唯一的一点连接点。

电磁干扰

电磁干扰的频谱分布：

信息化社会的电磁环境异常复杂,而且愈来愈复杂.电磁干扰分布在整个电磁波频谱.如果按最常见的干扰的频谱来划分,则可粗略分为以下几个频段：

工频干扰：

频率50～60Hz左右,主要是输、配电系统以及电力牵引系统所产生的电磁场辐射

甚低频干扰：30KHz以下的干扰辐射、雷电、核爆炸以及地震所产生的电磁脉冲,其能量主要分布在这一频段

长波信号干扰：频率范围10KHz～300KHz.包括高压直流输电谐波干扰、交流输电谐波干扰及交流电气铁道的谐波干扰等

射频、视频干扰：频谱在300KHz～300MHz.工业医疗设备（ISM）、输电线电晕放电、高

压设备和电力牵引系统的火花放电以及内燃机、电动机、家用电器、照明电器等都在此范围

微波干扰：频率从300MHz~300KHz,包括高频、超高频、极高频干扰

核电磁脉冲干扰：频率由KHz直到接近直流,范围很宽.

IEMI：

从信号类型来看,电磁环境的电磁干扰可以分为有两大类,一是宽频带的,一是窄频带的.从能量传输的方式来看,也有两种方式,一是辐射式的,另外一种是传导型的.窄频带攻击信号波形差不多是单一频率（一

般相对于中心频率的频带宽度小于1%）,在一定的时间（一般是微秒的量级）间隔内辐射.最有可能受到影响的设备频率大致在0.3~3GHz之间.当然,在这个频率范围之外的设备工作性能也可以遭到影响,特别是有谐振的系统.这类电磁辐射也可能有调制.一般称这种辐射为大功率

微波辐射（HPM）.这个名词也包括微波以外的辐射.

宽频带发射一般是时域上的脉冲,并且是重复式的.宽带辐射的能量分

布在一个很宽广的频带上.例如,超带宽脉冲（UWB）,一般上升时间为0.1纳秒,下降时间在1纳秒左右.因此能量分布在一个非常宽广的频谱上.

窄频带干扰信号的能量集中在单一的频率,很容易产生出每米几百千伏的场强.可以对设备造成永久性的破坏.相反,宽带电磁干扰的能量分布在各个频率,所以场强相对较弱.正是因为它的能量分布在许多频率上,对一个系统来说,许多频率都可能受到影响,而且这种干扰多半是重复

式的,持续几秒钟,甚至上几分钟,增加了设备受害的可能性.

以上的干扰,和电磁兼容所处理的其他干扰一样,可以通过辐射方式进

入电子设备,也可以通过导线和电缆进入设备.对于辐射干扰,似乎是高于100MHz的频率的辐射最受到人们的关注.这种辐射很容易穿透没有

设防的墙壁,进入建筑物内部,耦合到机器设备.而且这个频段的天线可以做的很校按照IEC标准61000-4-3所做的测试表明,一般的商用设备,在场强3~10V/m（80MHz~2.5GHz）时,就很容易受到影响.当然,设备的程式不同,受干扰的程度也不一样.

对于宽频带辐射,IEC使用静电放电测试（61000-4-2）,在静电放电的电弧附近,产生高达1KV/m的峰值电常这个峰值的上升时间为0.7纳秒,下降时间约为30纳秒.这样可以模拟电磁干扰辐射的情况.

自然产生的电磁干扰:

原则上说,所有的电器、电子设备都可能产生电磁干扰.但是有的严重,有的比较微弱.一些主要的产生电磁干扰信号的设备和装臵大致如下.

1. 输电线电晕杂波.关于输电线的已有许多实测数据,基于这些数据,

可以求得计算电晕杂波的实用公式.然而关于这种杂波的发生机理、发射及传播特性还不完全清楚,在这方面的理论仍需继续探讨.

2. 汽车杂波.汽车杂波是产生甚高频（VHF）至特高频（UHF）频段城

市杂波的主要原因.根据其强度和特性的测定结果,也可采取相应措施,使广播和电视的质量基本不受影响.但最近由于电子设备用于汽车控制,移动通信设备的广泛应用,这个问题又被重新提出.斯坦福研究所（SRI）对点火系统发射杂波的主要部件－点火栓、配电器接点等进行了改进,使处于30MHz~500MHz频段的杂波降低了13~20分贝.此外还有人求出6引擎发动机各点火栓的脉冲杂波振幅分布.对配电器的情况,

若电极间隙从0.27mm~2.39mm,则杂波可下降10分贝.若在负荷电极上增加银接点,或用多发合金覆盖,也可降低杂波.点火系统以外的汽车电装臵也能发出杂波,其特性正在测试研究中.

3. 接触杂波.大体可分为接触器自身杂波及导体开合时放电而引起的

杂波.继电器和电机触点、整流子电刷间的开合所产生的放电杂波在人为杂波中占相当大的比例.

4. 电气机车杂波.电气机车运行时,导电、弓架与触线间的放电也是人为杂波的根源之一.如果导电弓架的电流通路用滤波材料包围起来并采用一些辅助措施,可将杂波降低20分贝,但至今尚未找到防止杂波的绝对有效的方法.

5. 工业科学医疗用射频设备（ISM）杂波.ISM设备是把50Hz交流通过射频振荡变为射频的变频装臵、用于工业感应和电介质加热、医疗电

热法和外科手术工具以及超声波发生器、微波炉等.虽然ISM设备本身有屏蔽,但有缝隙、孔油、管线进出和接地不良等,仍将有电磁场泄漏

形成干扰.