電子設(shè)備抗雷電電磁脈沖的干擾與接地

陳 遜

（溫州廣播電視傳媒集團(tuán)，浙江 溫州 325000）

電子設(shè)備抗雷電電磁脈沖的干擾與接地

陳 遜

（溫州廣播電視傳媒集團(tuán)，浙江 溫州 325000）

雷電電磁脈沖是一種攜帶巨大雷電能量的電磁脈沖干擾信號(hào)，對(duì)現(xiàn)代電子設(shè)備造成的危害極大。通過比較，電子設(shè)備對(duì)雷電電磁脈沖的防護(hù)雖然有別于直擊雷，但將電磁脈沖的雷電能量泄放入地的做法與直擊雷的處理方法相同，因而電子設(shè)備抗雷電電磁脈沖的局部設(shè)計(jì)不能只停留在電磁兼容層面上，在屏蔽、接入浪涌保護(hù)器、濾波等措施的同時(shí)也必須接地。

電子設(shè)備；雷電電磁脈沖；電磁感應(yīng)；接地

0 引 言

電子設(shè)備包括信息電子設(shè)備和電力電子設(shè)備兩大類，信息電子設(shè)備基本采用微電子控制技術(shù)，電力電子設(shè)備相對(duì)于信息電子設(shè)備無信號(hào)傳輸線路外，其控制單元也大多采用微電子控制技術(shù)。近20年來新發(fā)現(xiàn)的電子設(shè)備雷災(zāi)的起因是閃電的電磁脈沖（L E M P）輻射造成的，電子設(shè)備越先進(jìn)、耐壓等級(jí)越低、能耗越小，靈敏度越高、體積越小，則雷電電磁脈沖的危害范圍越大。電子設(shè)備抗雷電電磁脈沖的干擾危害已是一個(gè)不可回避的問題。

雷電電磁脈沖既是雷電，又是電磁脈沖，但它既有別于直擊雷，又有別于普通意義上的電磁脈沖干擾信號(hào)?，F(xiàn)在對(duì)直擊雷的防護(hù)技術(shù)已相當(dāng)成熟，由于直擊雷包含著巨大的能量，通常采用避雷針、避雷網(wǎng)等引雷入地，其實(shí)這就是將所接收到的雷電能量直接引向大地而起到分流雷電流的作用，但避雷針引下線由于電感的作用，最多也只能將50%的雷電流入地，余下的雷電流將通過其他途徑或四處擴(kuò)散后入地。擴(kuò)散后入地的雷電流就以雷電電磁脈沖的形式出現(xiàn)，對(duì)雷電電磁脈沖的防護(hù)，要從干擾和所具有的巨大能量?jī)蓚€(gè)方面來綜合考慮。直擊雷的強(qiáng)大能量需要入地釋放，同理，雷電電磁脈沖的能量也必須旁路泄放入地，在入侵通道上將雷電電磁脈沖引起的過電壓、電流加以阻擋，且直接或間接泄放入地，從而達(dá)到保護(hù)電子設(shè)備的目的。

1 雷電電磁脈沖的電磁感應(yīng)

雷電電磁脈沖可以通過阻抗耦合、靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)等方式入侵電子設(shè)備[1]。不管是哪種方式，都將對(duì)電子設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p害，這里僅對(duì)雷電電磁脈沖的電磁感應(yīng)進(jìn)行分析。雷電電磁脈沖的電磁感應(yīng)如圖1所示。

圖1 雷電電磁脈沖的電磁感應(yīng)

當(dāng)強(qiáng)大的雷電流沿著導(dǎo)體（如引下線）泄放入地時(shí)，由于雷電流具有很大的幅值和陡度，因而在它周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，如果附近有一開口的電子系統(tǒng)回路，則將在該電子系統(tǒng)回路的開口處感應(yīng)相當(dāng)大的電磁感應(yīng)電壓u，其值為：

可見，雷電電磁脈沖的威力之大。其主要通道是通過電源線路、各類信號(hào)傳輸線路、天饋線路和進(jìn)入建筑物的管、纜、橋架等導(dǎo)體入侵電子設(shè)備系統(tǒng)，造成電子設(shè)備失靈或永久性損壞。因此，為了抵抗雷電電磁脈沖的干擾，需要從電源線路、信號(hào)傳輸線路以及空間輻射等全方位來考慮電子設(shè)備的防護(hù)問題。

2 低壓配電系統(tǒng)與等電位連接

從廣義上說，雷電電磁脈沖是一種干擾信號(hào)，為了有效避免雷電電磁脈沖引起的傳導(dǎo)干擾，由用戶變電站引出的電子設(shè)備交流低壓配電系統(tǒng)的接地方式，應(yīng)采用T N-S或T N-C-S系統(tǒng)供電，如圖2～3所示。

在進(jìn)戶后，這兩種配電系統(tǒng)的N線和P E線是獨(dú)立分開的，即使有雷電電磁脈沖入侵，只要接地系統(tǒng)良好和配合其他保護(hù)措施，也可以大大減少電子設(shè)備之間的互相干擾。

為了減少電子設(shè)備與建筑物金屬構(gòu)件之間因雷電電磁脈沖干擾而產(chǎn)生的電位差，防止入地雷電流的雷電反擊干擾，電子設(shè)備的金屬外殼應(yīng)與建筑物金屬構(gòu)件作等電位連接。

3 浪涌保護(hù)器與接地

常用的限制雷電波通過電源線、信號(hào)線入侵電子設(shè)備的裝置是浪涌保護(hù)器（SPD），它可以限制及旁路雷電電磁脈沖引起的電磁感應(yīng)過電壓。SPD分為電壓開關(guān)型（如放電間隙、氣體放電管、晶閘管、三端雙向可控硅等元件構(gòu)成的器件）和電壓限制型浪涌保護(hù)器（如金屬氧化物壓敏電阻和瞬變電壓抑制二極管等元件構(gòu)成的器件）。SPD通常與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)，其作用是釋放過電壓能量，將過電壓限制到被保護(hù)設(shè)施能承受的水平[2]。其實(shí)，SPD的任務(wù)不僅僅只是旁路進(jìn)入電子設(shè)備的過電壓，而且要將能量加以釋放，所以必須接地。單相電源SPD的三種安裝方案[3]如圖4～6所示。

阻擋普通意義上的電磁干擾傳導(dǎo)信號(hào)可以采用EMI濾波器，將干擾信號(hào)旁路即可，但針對(duì)雷電電磁脈沖干擾，必須在旁路后接地。

4 高通濾波器與低通濾波器

天線的發(fā)射頻率通常為數(shù)十兆赫，微波通信的頻率則可以達(dá)數(shù)千兆赫。破壞天饋系統(tǒng)的雷電電磁脈沖主要頻譜分布在20～100 kHz的低頻部分，因而天饋系統(tǒng)采取1 kHz以上導(dǎo)通的高通濾波器就可以抑制90%的雷電電磁脈沖能量[4]。實(shí)際上，僅僅采用高通濾波器進(jìn)行雷電電磁脈沖避雷還是不夠的，也就是說，依靠隔離或抵擋雷電電磁脈沖的措施還不能使其能量加以耗散，此時(shí)，可以利用由高通濾波器與低通濾波器組合的電路將雷電波通道和通信電磁波通道分開，對(duì)天饋線進(jìn)行保護(hù)，如圖7所示。對(duì)高頻發(fā)射信號(hào)來說，低通濾波器相當(dāng)于開路，而對(duì)雷電波來說相當(dāng)于短接，于是，雷電波就通過低通濾波器泄放入地。這樣就較好地解決了防雷和高頻電路輸入不受影響的矛盾。

圖4 單相電源SPD的安裝方案1

圖5 單相電源SPD的安裝方案2

圖6 單相電源SPD的安裝方案3

圖7 天饋線保護(hù)

設(shè)計(jì)高通濾波器與低通濾波器需要對(duì)雷電電流波進(jìn)行頻譜分析。為了對(duì)雷電電流波進(jìn)行頻譜分析，運(yùn)用Bruce和Golde于1941年提出的雷電通道底部雙指數(shù)函數(shù)電流曲線模型[5]：

其中，I0是通道底部雷電流峰值，α為雷電流波頭衰減時(shí)間常數(shù)，β為雷電流波尾衰減時(shí)間常數(shù)。

對(duì)（1）式進(jìn)行傅立葉變換（Fourier Transformation），可得：

則雷電電流波頻譜分布可以表達(dá)為：

選取10/350 μs、幅值I0=20 kA，繪制出雙指數(shù)雷電電流波模型的幅值頻譜分布[6]，如圖8所示。

圖8 雙指數(shù)雷電電流波模型的幅值頻譜分布

在雷電電流波頻譜分析的基礎(chǔ)上，對(duì)天饋線通道上的高通濾波器與低通濾波器進(jìn)行一體化綜合設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）確定濾波電路頻率特性，滿足信息傳輸要求；

（2）根據(jù)不同頻率點(diǎn)的插損指標(biāo)，擬定濾波截止頻率；

（3）對(duì)濾波電路進(jìn)行歸一化標(biāo)定，得出歸一化設(shè)計(jì)指標(biāo)；

（4）根據(jù)歸一化設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)濾波器。

此外，元器件的選擇，需充分考慮濾波器的耐過電壓和耐雷電流沖擊能力。

5 結(jié)束語

現(xiàn)代電子設(shè)備防雷是一個(gè)系統(tǒng)工程，從工程實(shí)施的角度看，雷電電磁脈沖的防護(hù)措施有“躲雷”和分流入地。雷電電磁脈沖的能量可以通過SPD或低通濾波器分流入地；即使是采用“法拉第籠”屏蔽雷電電磁脈沖，屏蔽后也要入地。

[1] 虞昊.現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京: 清華大學(xué)出版社，2005:169-175.

[2] 中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑電氣分會(huì). 電磁兼容與防雷接地[ M ] . 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010 :284 .

[3] 劉興順，熊江，余亞桐. 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)設(shè)計(jì)手冊(cè)[ M ] .北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004:89 .

[4] 梁保家，余愛民. 通信基站雷電電磁脈沖的防護(hù)[J].五邑大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版，2008，22(1):73-75.

[5] Bruce CER，Golde R H.The Lighthing Discharge[M].IEE，London，1941:487-520.

[6] 王曉春. 高校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)防雷電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施[ D ] .合肥: 合肥工業(yè)大學(xué)，2009 .

Anti-lighting Electromagnetic Pulse Interference and Ground of Electronic Equipment

CHEN Xun
(Wenzhou Radio and Television Media Group, Wenzhou,325000, China)

Lighting electromagnetic pulse is a kind of electromagnetic pulse interference signal carrying the huge lighting energy, and does great harm to modern electronic devices. By comparison, although the protection of electronic equipment against lighting electromagnetic pulse is different from the lighting, the way of releasing the lighting energy of electromagnetic pulse into the ground is the same as that of handling the lighting. Thus, the local design of the anti-lighting electromagnetic pulse of electronic devices can not just stop at the level of electromagnetic compatibility, after taking the measures of shielding, accessing to surge protection and filtering, it should also be grounded.

Electronic equipment; Lighting electromagnetic pulse; Electromagnetic induction; Ground

TM 862

A

1671-4326(2011)02-0060-03

2011-03-21

陳 遜（1974—），男，浙江瑞安人，溫州廣播電視傳媒集團(tuán)助理工程師.

曲延昌]