雷電電磁脈沖（LEMP）的特性分析及屏蔽

王慶祥，姚 燁，崔 喆，孫冬迪，薛文安

（1．天津市中力防雷技術(shù)有限公司，天津 300384； 2．中國民航大學(xué)，天津 300384)

引言

雷電是由帶電的云在空中對地放電導(dǎo)致的一種特殊的自然現(xiàn)象，其具有選擇性、隨機(jī)性、不可預(yù)測性以及破壞性。雷電存在的形式除了可以直觀感受到的發(fā)光、發(fā)熱、發(fā)聲的雷電流以外，在雷電流形成的同時(shí)由于電磁效應(yīng)還會(huì)產(chǎn)生雷電電磁脈沖。在當(dāng)今信息化的時(shí)代，強(qiáng)大的雷電電磁脈沖是造成電子設(shè)備損壞的重要原因，可導(dǎo)致各種微電子設(shè)備的運(yùn)行失效甚至損壞，成為威脅航空航天、國防軍事、鐵路運(yùn)輸、計(jì)算機(jī)與通信等領(lǐng)域的一大公害。本文以磁屏蔽內(nèi)容為主，介紹雷電電磁脈沖的防護(hù)。

1 雷電電磁脈沖（LEMP）的特性

雷電電磁脈沖（LEMP）是由雷電流的電磁效應(yīng)產(chǎn)生，它包括傳導(dǎo)浪涌和輻射脈沖電磁場輻射作用。傳導(dǎo)浪涌又會(huì)在附近回路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，輻射脈沖磁場干擾附近電氣電子設(shè)備正常工作。

1.1 傳導(dǎo)浪涌

雷電流是雷電造成各種損害的損害源，它表現(xiàn)為以下四種情況：S1：雷擊建筑物；S2：雷擊建筑物附近；S3：雷擊連接到建筑物的線路；S4：雷擊連接到建筑物的線路附近。雷電流通過這四種形式在線路中產(chǎn)生傳導(dǎo)浪涌。

表1 和表2 是雷擊低壓系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的浪涌過電流預(yù)期值，其中S3（直接雷擊）是雷電直接擊在了連接建筑物的線路上，在線路的兩個(gè)方向上均有分流。與此同時(shí)，強(qiáng)大的直接雷擊電流會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場，在線路上再次產(chǎn)生浪涌，造成疊加性的傷害。

1.2 輻射電磁場

1.2.1 附近雷擊時(shí)LPZ1 格柵形空間屏蔽

如圖1 所示為附近雷擊時(shí)的情況。LPZ1 屏蔽空間周圍的入射場可以近似地當(dāng)作平面波。

已知柵格型空間屏蔽對平面波的屏蔽系數(shù)SF 由下式計(jì)算：

式中wm為格柵型空間屏蔽的網(wǎng)格寬度（m）

表1 雷擊低壓系統(tǒng)浪涌過電流的預(yù)期值

表2 雷擊通信系統(tǒng)浪涌過電流的預(yù)期值

初始入射的磁場H0可用下式計(jì)算：

式中：

I0（A）——LPZ 0A的雷擊電流；

sa（m）——從雷擊點(diǎn)到屏蔽空間中心的距離。

圖1 在LPZ1 內(nèi)部的磁場從H0減小到H1可以用式（1）計(jì)算得到的屏蔽系數(shù)SF 來進(jìn)行推導(dǎo)：

式中：

SF(dB)——由（1）式計(jì)算的屏蔽系數(shù)；

H0/max(A/m)——LPZ0 內(nèi)的磁場。

示例：

給出一個(gè)L×W×H=10×10×10 的銅質(zhì)格柵屏蔽體，其平均網(wǎng)格寬度wm=2m，由（1）式計(jì)算屏蔽系數(shù)SF=12.6dB，當(dāng)I0/max=100kA 時(shí)，可得計(jì)算結(jié)果：

H0/max=236 A/m

H1/max=56 A/m

1.2.2 直擊雷情況時(shí)的 LPZ 1 格柵形空間屏蔽

如圖2，假設(shè)建筑物屋頂上的任意點(diǎn)受到雷擊。

圖1 附近雷擊時(shí)磁場值的估算

圖2 雷閃擊時(shí)磁場值估算

在LPZ 1 內(nèi)部任意點(diǎn)上的磁場強(qiáng)度H1為：

式中：

dr（m）——所確定的點(diǎn)與LPZ1 屏蔽中屋頂?shù)淖疃叹嚯x；

dw（m）——所確定的點(diǎn)與LPZ1屏蔽中墻的最短距離；

I0（A）——LPZ 0A的雷電流；

kh——結(jié)構(gòu)系數(shù)，典型值kh=0.01；

wm(m)——LPZ 1 屏蔽的網(wǎng)格寬度。

示例：

同樣給出一個(gè)L×W×H=10×10×10 的銅質(zhì)格柵屏蔽體，其平均網(wǎng)格寬度wm=2m，取I0/max=100kA，且取離屋頂距離為高度的一半：dr= H/2。離墻的距離為長度的一半：dw= L/2（安全空間的中心）或等于：dw= ds/1（安全距離2m），計(jì)算得：

H1/max（中心）=179 A/m

H1/max（dw= ds/1）=447 A/m

1.2.3 分析

當(dāng)磁場強(qiáng)度到達(dá)191A/m 時(shí)，其對于計(jì)算機(jī)等微電子設(shè)備的危害即是永久性的。由1.2.2 計(jì)算示例和下圖3 可知，屏蔽體內(nèi)越靠近中心位置磁場強(qiáng)度越弱，但僅一層網(wǎng)格寬度為2m 的屏蔽顯然不足以抵擋100kA 雷電流產(chǎn)生的磁場，所以重要機(jī)房或微電子設(shè)備還需另作屏蔽。由1.2.1 附近雷擊的屏蔽計(jì)算可看出，附近雷擊所在建筑物L(fēng)PZ1 內(nèi)產(chǎn)生的磁場小得多。由下圖3 還可知網(wǎng)格越密，即wm取值越小，屏蔽效果越好，實(shí)際情況時(shí)需綜合考慮來確定wm的取值。

圖3 屏蔽體內(nèi)不同位置磁場強(qiáng)度

1.3 感應(yīng)電壓

雷電電磁脈沖在閉合回路中能夠感應(yīng)出電壓值，這樣的感應(yīng)電壓對于抗干擾及耐壓能力低的電氣電子系統(tǒng)的威脅也不容忽視。

1.3.1 直擊雷情況時(shí)的 LPZ 1 的內(nèi)部情況

開路電壓Uoc為：

在波頭時(shí)間T1內(nèi)，上升到峰值UOC/MAX升到最大值

式中：

μ0——等于4π·10-7(Vs)/(Am)；

b(m)——回路寬度；

dl/w(m) ——屏蔽體的墻與回路間的距離，這里d1/w=ds/1;

dl/r(m)——屏蔽體的頂與回路間的平均距離；

Io(A)——LPZ0A的雷擊電流；

I0/MAX(A) ——LPZ0A的雷電流最大值；

kh(I/√m)——是與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)布置有關(guān)的系數(shù)，kh ＝0.01；

l(m)——回路長度；

T1(s)——雷擊LPZ0A時(shí)雷電流波頭時(shí)間；

wm(m)——格柵形屏蔽的網(wǎng)格寬度。

1.3.2 附近雷時(shí)LPZ1 內(nèi)部狀況

假設(shè)LPZ1 內(nèi)空間磁場H1是勻強(qiáng)磁場：

開路電壓Uoc為：

波頭時(shí)間T1內(nèi)，UOC/MAX出現(xiàn)：

式中：

μo——等于4π·10-7(Vs)/(Am)；

b(m)——回路寬度；

H1(A/m)——LPZ1 內(nèi)的時(shí)變磁場；

H1/MAX(A/m)——LPZ1 內(nèi)磁場的最大值；

L (m)——回路長度

T1(s)——磁場波頭時(shí)間，它與雷電流波頭時(shí)間完全一致。

2 雷電電磁脈沖（LEMP）的防護(hù)

對雷電電磁脈沖的防護(hù)措施，主要包括接地、等電位連接、屏蔽、合理布線、安裝協(xié)調(diào)配合的浪涌保護(hù)器（SPD）和采用隔離界面，下文主要介紹磁屏蔽。

2.1 雷電流特性

2.1.1 雷電流時(shí)域特性

由表3 可知雷電流的時(shí)域特性，峰值電流IF: IFN: IS的比值是4:2:1，而變化率的比值則為1:5:10。其綜合影響，首次負(fù)極性脈沖（IFN）、后續(xù)脈沖（IS）要比首次正極性脈沖（IF）大。

表3 雷電流參數(shù)

圖4 雷電流幅頻密度曲線

2.1.2 雷電流幅頻特性

由各種雷擊時(shí)間函數(shù)的分析曲線，可以推出雷電流的幅頻特性，見圖4。

由圖4 可看出雷電放電電流的頻譜特性，總結(jié)如下：

1）各幅頻特性曲線均在達(dá)到一定頻率后開始向下轉(zhuǎn)折，出現(xiàn)明顯的衰減。

2）就不同的雷電放電電流波形而言，相應(yīng)的轉(zhuǎn)折頻率及衰減速率是不同的，持續(xù)時(shí)間長的波形具有較低的轉(zhuǎn)折頻率和較慢的衰減速率。

3）雷電流在低頻范圍內(nèi)，幅度密度較大，即雷電流低頻區(qū)域?qū)υO(shè)備的威脅較大。

LEMP 與雷電流有相同的波形，相同的特性。

2.2 雷電電磁脈沖的磁屏蔽

圖5描述電磁輻射波阻抗與觀察點(diǎn)距離之間的關(guān)系，距離r 以λ/2π 為單位。由于雷電流是一個(gè)大電流的低阻抗形式，所以根據(jù)圖5 它在近場區(qū)主要表征的場為磁場，對于LEMP 的屏蔽防護(hù)，在近場區(qū)主要考慮磁屏蔽，在其他區(qū)域必須考慮電場和磁場的綜合屏蔽。

2.3 磁屏蔽的材料

圖6為幾種同軸屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗與頻率的關(guān)系，已知電纜的轉(zhuǎn)移阻抗越小對磁場的屏蔽效果越好。由圖4 可知雷電電磁脈沖效應(yīng)的頻率范圍在幾百～幾兆Hz 之間，由圖6 可知在此范圍內(nèi)屏蔽效果最好的是實(shí)壁剛性屏蔽套和實(shí)壁波紋管套。

圖7 是幾種不同材料的金屬板，在近場磁場中，它們的磁屏蔽能力與材料厚度及工作頻率的關(guān)系實(shí)驗(yàn)曲線。由圖可知，在1kHz 以下，Ni-Fe 高磁導(dǎo)率合金具有最好的磁屏蔽能力。在10kHz，鋼具有最好的磁屏蔽能力；而到了100kHz，高磁導(dǎo)率的鋼仍具有最好的磁屏蔽能力；在大于100MHz 的情況下，還需考慮導(dǎo)電性能好的材料，例如銅。電磁場的完善屏蔽需要綜合考慮電場屏蔽和磁場屏蔽。

圖5 波阻抗隨距離的變化

圖6 同軸屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗與頻率的關(guān)系

圖7 幾種金屬的磁屏蔽能力與金屬板厚度及頻率的關(guān)系

鐵磁材料是磁屏蔽效果較好的材料，高導(dǎo)電率的材料（銅）是電場屏蔽效果較好的材料，在工程實(shí)踐中選擇何種材料實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽，還需綜合考慮現(xiàn)場情況，包括投入成本等。

3 結(jié)論

綜上，雷電電磁脈沖對于空間、線路、設(shè)備的危害體現(xiàn)在傳導(dǎo)浪涌、輻射脈沖電磁場和感應(yīng)電壓上。通過對雷電流時(shí)域特性和幅頻特性曲線的觀察，LEMP 在近場區(qū)（λ/2π）的磁場分量對于設(shè)備或線路的影響更大，對于LEMP 的屏蔽防護(hù)主要從磁屏蔽著手。在遠(yuǎn)場區(qū)對于LEMP 的防護(hù)，磁場屏蔽和電場屏蔽都是非常重要的。電磁屏蔽材料的選擇應(yīng)該綜合考慮其導(dǎo)磁性能和導(dǎo)電性能。

[1]IEC 62305-1 Ed.2.0, Protection Against Lighting – Part1: General Principles[S].

[2]IEC 62305-2 Ed.2.0, Protection Against Lighting – Part4: Electrical and electronic systems within structures[S].

[3]FAA-STD-019D, Lightning and surge protection, grounding and shielding requirements for facilities and electronic equipment[S].

[4]錢照明, 程肇基.電磁兼容設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及干擾抑制技術(shù)[M].浙江: 浙江大學(xué)出版社. 2006.

[5]劉有菊, 張啟航.雷電放電電流的幅頻特性[J].中國科技信息,2011,13.