關(guān)于雷擊電磁脈沖的干擾分析

李志能

摘 要：有關(guān)雷擊所產(chǎn)生的電磁脈沖及其致使這一現(xiàn)象的干擾因素是當(dāng)前研究電磁轉(zhuǎn)化的重要課題，而雷擊這一自然現(xiàn)象帶來了巨大的電子能量，但其能量也被某些因素所干擾。文章旨在從雷擊電磁脈沖所產(chǎn)生的原理、入侵方式、耦合方式三方面進行深入探討。

關(guān)鍵詞：脈沖原理；入侵方式；耦合方式

中圖分類號：TM862 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）18-0073-02

1 雷擊電磁脈沖產(chǎn)生原理

云地閃電產(chǎn)生過程中，雷云的先導(dǎo)通道向地面發(fā)展，地面被擊物（異性感應(yīng)電荷）向上發(fā)展迎面（或回閃）流注。當(dāng)先導(dǎo)通道與迎面流注相遇，先導(dǎo)就通過回閃接地，閃電的主放電過程開始。主放電形成后，云層電荷迅速與地面異性感應(yīng)電荷中和，表現(xiàn)為回擊電流迅速上升，其速率可以達到500 kA/us，閃電通道有上公里長。此時，主放電通道中的放電電流是以脈沖形式。平均一次閃電包含了上萬個脈沖放電電流過程，平均幅值為幾十千伏，持續(xù)時間幾十至上百微秒。在云地閃形成的先導(dǎo)、主放電過程中，向外輻射高頻和甚高頻電磁能量，即發(fā)出雷擊電磁脈沖（LEMP）。當(dāng)建筑物遭到雷擊，雷電流流入接閃器、引下線、均壓環(huán)和接地體時，在建筑物內(nèi)部閉合回路也產(chǎn)生瞬變電磁場，產(chǎn)生雷擊電磁脈沖高電壓。

通過電磁感應(yīng)的作用，高頻脈沖大電流產(chǎn)生的雷擊電磁脈沖在閉合導(dǎo)體回路的斷開處（或者非閉合導(dǎo)體回路）感應(yīng)出過電壓，在閉合導(dǎo)體環(huán)路中感應(yīng)生成過電流。某實驗曾用階躍電流偶極子天線模型計算雷擊電磁脈沖效應(yīng)，云地放電電流達到11.5 kA，在距離50 m處產(chǎn)生垂直電場強度為40 kV/m，此時在距離地面10 m的架空電線上感應(yīng)出82 kV的過電壓。

總所周知，電子元件耐受能量很低，特別是集成電路。二十世紀(jì)七十年代美國一家公司曾做過一個有名的“希爾試驗”驗證電子設(shè)備的抗雷擊電磁脈沖能力。試驗表明，無屏蔽條件的計算機遭受雷擊電磁脈沖干擾時，當(dāng)磁感應(yīng)強度B=0.03 Gs時產(chǎn)生誤動作，當(dāng)磁感應(yīng)強度B=0.75 Gs時產(chǎn)生假性損壞，當(dāng)磁感應(yīng)強度B=2.4 Gs時會永久性損壞。

雷擊電磁脈沖是十分嚴(yán)重的電磁干擾源，電磁脈沖峰值電流大、電流陡度大、電場強度大，干擾頻譜寬（從100～100 MHz）。雷擊電磁脈沖干擾可能造成電子設(shè)備擊穿損毀、空氣擊穿造成火花放電引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故，成為建筑物內(nèi)信息設(shè)備遭受破壞的主要原因。智能建筑內(nèi)得電子設(shè)備繁多，系統(tǒng)布置復(fù)雜，較一般的建筑物更易產(chǎn)生雷擊電磁脈沖干擾事故。

2 雷擊電磁脈沖入侵方式

當(dāng)建筑物遭受直接雷擊時，通過引下線的雷電流同時產(chǎn)生雷擊電磁脈沖。直接雷擊和雷擊電磁脈沖干擾造成破壞形式不同，簡單地說，雷電流是以“路”的形式，即通過建筑物內(nèi)外鋼筋、金屬導(dǎo)體、金屬管道和構(gòu)架傳輸；而雷擊電磁脈沖是以“場”的形式，即通過空間范圍的電磁感應(yīng)，在建筑物內(nèi)的導(dǎo)體回路中感應(yīng)出過電壓和過電流，甚至通過相鄰建筑物之間的導(dǎo)線回路中感應(yīng)出過電壓和過電流。而且，雷電流和電磁脈沖在一定條件下還可以互相轉(zhuǎn)換。雷擊電磁脈沖主要通過耦合途徑傳播，其侵入信息系統(tǒng)和電子設(shè)備的模型如圖1所示。

智能建筑內(nèi)部信息系統(tǒng)可以是獨立設(shè)備控制室，例如計算機房、設(shè)備控制室、通信調(diào)度室、消防報警系統(tǒng)室等，也可能是一個或幾個樓層，甚至是整個建筑物（如通信大樓、網(wǎng)絡(luò)中樞、控制指揮中心等）。具體到單個電子設(shè)備，雷擊電磁脈沖入侵途徑有以下端口：電源、控制線、信號線、接地、外殼和其它端口，見圖2。

3 雷擊電磁脈沖耦合方式

雷擊電磁脈沖干擾耦合途徑有兩種傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。

3.1 傳導(dǎo)耦合

傳導(dǎo)耦合是指干擾信號通過干擾源于干擾設(shè)備之間的阻抗進行耦合傳播。

①共阻抗耦合。當(dāng)干擾源于電子設(shè)備共用一個主回路，或者共用一根接地電流回路，它們的電流流經(jīng)共同的路徑導(dǎo)致產(chǎn)生共阻抗耦合。共阻抗路徑可能由電阻、電容和電感組成。共地阻抗耦合原理如圖3所示。圖中a的電路1為設(shè)備電路，電路2為干擾源電路。電路2的干擾電流通過共地阻抗耦合到電路1的輸入端，干擾破壞電路1設(shè)備。

②電容性耦合。又稱靜電耦合。雷云由于靜電作用在建筑物上緩慢地積累電荷，當(dāng)發(fā)生直接雷擊時，建筑物接地體上電荷瞬間重新分布導(dǎo)致電流流動，在設(shè)備上產(chǎn)生過電壓。

③電感性耦合，雷電放電通道由于電磁感應(yīng)引起附近的電子設(shè)備、金屬構(gòu)架等導(dǎo)體回路磁通變化，產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。感應(yīng)電壓極易超過電子設(shè)備元件所允許的極限值造成擊穿損壞。

3.2 輻射耦合

高頻的雷擊電磁脈沖電流通過空間通道時發(fā)射電磁波，在空間以電磁場的形式對導(dǎo)體接收器進行輻射耦合。建筑物的信息系統(tǒng)的輸入信號線、外部電纜、設(shè)備機殼等都相當(dāng)于接收電磁波的天線。

參考文獻：

[1] 郭福雁.智能建筑的雷擊影響分析與防雷系統(tǒng)工程關(guān)鍵問題的研究[D].天津：天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，2006.