雷電間接脈沖電磁場防護(hù)及試驗方法

康國耀，胡偉文，陳正舉

（深圳市中航比特通訊技術(shù)股份有限公司，廣東深圳 518057）

0 引言

雷電是自然界最壯觀的和重要的大氣現(xiàn)象之一，雷電產(chǎn)生的災(zāi)害自人類的起源以來，伴隨著整個人類的歷史，是人類所面臨的十大自然災(zāi)害之一［1］，人類的歷史也是與雷電不斷斗爭的歷史。

現(xiàn)代軍事建設(shè)進(jìn)程中，武器裝備均朝智能化、小型化及高度機(jī)動化的方向發(fā)展。由于機(jī)動裝備在不同環(huán)境條件下開展地面行動的主要裝備，肩負(fù)作戰(zhàn)指揮、物資運輸及臨時開辟陣地等重任［2］，在野外執(zhí)行軍事任務(wù)，雷電侵襲是野外環(huán)境下裝備和人員所面臨的最大威脅［3］。為滿足機(jī)動裝備全天候和全地域作戰(zhàn)訓(xùn)練的需求，充分保障人員、設(shè)備的安全和正常運行，雷電防護(hù)已成為機(jī)動裝備安全性設(shè)計的重要組成部分。目前機(jī)動設(shè)備除直擊雷防護(hù)裝備外，因車輛內(nèi)部電子設(shè)備越來越復(fù)雜，由于信號來源路徑增多，車內(nèi)設(shè)備［4－6］對雷電的耐受能力下降，系統(tǒng)較以前更容易遭受雷電波入侵［7］，這就需要完備的間接雷擊電磁場防護(hù)措施及設(shè)備，阻斷雷擊遠(yuǎn)端后通過電磁場的方式進(jìn)入到機(jī)動裝備內(nèi)，造成車內(nèi)人員和設(shè)備損傷。

以某車脈沖電磁場防護(hù)要求為例，間接電磁場指標(biāo)：電場峰值30 kV／m，上升沿1.4 μs，半高寬25.6 μs；磁場峰值50 A／m，上升沿6.4 μs，半高寬16 μs。對整車進(jìn)行可靠的雷電防護(hù)，了解該整車（建筑物）的防雷區(qū)［8］劃分，在被保護(hù)裝置的雷電防護(hù)界面處安裝合適的電涌保護(hù)器（SPD）進(jìn)行過電壓防護(hù)外，另外還要做好整車外部防雷和內(nèi)部防雷等［9］等防護(hù)手段，特別設(shè)計了整車電磁屏蔽設(shè)計［10］，保證脈沖電磁場的整體防護(hù)效果。

而目前的現(xiàn)狀是電涌保護(hù)器（SPD）沒有標(biāo)注間接雷擊指標(biāo)，需將該參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，使其能同時滿足《GB／T 18802—2020 低壓電涌保護(hù)器（SPD）第11 部分：低壓電源系統(tǒng)的電涌保護(hù)器—性能要求和試驗方法》和《GJB 7581—2012 機(jī)動通信系統(tǒng)雷電防護(hù)要求》的電涌保護(hù)器（SPD）參數(shù)優(yōu)選的相關(guān)要求，并為后期同類脈沖電磁場的防護(hù)提供設(shè)計參考。

1 指標(biāo)分析及SPD選型

以某車（設(shè)備最大升起高度約70 m）間接雷擊電磁場防護(hù)要求為設(shè)計要求，如何選擇合適參數(shù)的電涌保護(hù)器（SPD）來進(jìn)行裝車，使其對某通信車電源設(shè)備起到很好的雷電防護(hù)作用。下面對脈沖電磁場指標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行詳細(xì)分析說明。

雷電電磁脈沖場對車輛使用的各類輸入／輸出電纜進(jìn)行感應(yīng)耦合，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB50057—2010 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》“第6 章節(jié)—防雷擊電磁脈沖6.3.2 條款”［11］中相關(guān)規(guī)定的耦合參數(shù)對照表，進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換對照，條款規(guī)定如下。

當(dāng)閃電擊于建（構(gòu)）筑物以外附近時，磁場強(qiáng)度應(yīng)按下列方法計算。

（1）當(dāng)建筑物和房間無屏蔽時所產(chǎn)生的無衰減磁場強(qiáng)度，相當(dāng)于處于LPZ0A和LPZ0B區(qū)內(nèi)的磁場強(qiáng)度，應(yīng)按下式計算：

式中：H0為無屏蔽時產(chǎn)生的無衰減磁場強(qiáng)度，A／m；i0為最大雷電流，A，按GB 50057 規(guī)范中表F.0.1－1、表F.0.1－2 和表F.0.1－3 的規(guī)定取值；sa為雷擊點與屏蔽空間之間的平均距離，m，按GB 50057 規(guī)范中式（6.3.2－6）或式（6.3.2－7）計算［11］。

建筑物防雷分區(qū)如圖1 所示。

圖1 附近雷擊時的環(huán)境情況

（2）當(dāng)建筑物或房間有屏蔽時，即在格柵大空間屏蔽內(nèi)，即在LPZ1 區(qū)內(nèi)的磁場強(qiáng)度，應(yīng)按下式計算：

式中：H1為格柵形大空間屏蔽內(nèi)的磁場強(qiáng)度，A／m；SF為屏蔽系數(shù)，dB，按表1 的公式計算。

表1 格柵形大空間屏蔽的屏蔽系數(shù)

（3）根據(jù)已知某車條件進(jìn)行場值轉(zhuǎn)換如下：變化的電磁場強(qiáng)度及變化率：電場強(qiáng)度30 kV／m，上升沿1.4 μs，半寬高25.6 μs；磁場強(qiáng)度50 A／ms，上升沿6.4 μs，半寬高16 μs。線路長度：最長輸出導(dǎo)線距離大于70 m，使用100 m計算。

理論近似磁場強(qiáng)度計算如下：

第1 步，磁場強(qiáng)度取值為50 A／ms；

第2 步，取磁場強(qiáng)度上升沿進(jìn)行推導(dǎo)，不考慮屏蔽效應(yīng)對磁場上升沿變化速度的改變，線路屏蔽內(nèi)磁場強(qiáng)度上升沿為6.4 μs；

第3 步，磁場強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為磁感應(yīng)強(qiáng)度，以真空介質(zhì)計算B ＝Hμ0＝2π×10－5T；

第4 步，近似計算電源線路圍成的區(qū)域面積（理想條件下）S線－地＝100 m2，線－地之間的感應(yīng)電動勢（線圈匝數(shù)取30，100 m 制作線盤）ε線－地＝NΔΦ／Δt ＝ΔBS／Δt ＝30 000 V，根據(jù)脈沖電壓折算成雷電沖擊電流I沖擊電流＝ε線－地／2 ＝15 000 A。

通過本文計算結(jié)果和分析可以看出：電場強(qiáng)度30 kV／m和磁場強(qiáng)度50 A／ms 在線纜上可以感應(yīng)出幾百伏到數(shù)十千伏的脈沖電壓［12］。根據(jù)《GB／T 18802.11—2020 低壓電涌保護(hù)器（SPD）第11 部分：低壓電源系統(tǒng)的電涌保護(hù)器—性能要求和試驗方法》“6 SPD 優(yōu)選值”章節(jié)選SPD通流容量：標(biāo)稱通流In：20 kA（8／20 μs）；最大通流Imax：40 kA（8／20 μs）［13］。

根據(jù)《GJB7581—2012 機(jī)動通信系統(tǒng)雷電防護(hù)要求》第“7.2.2.8 電源線路SPD”章節(jié)來對SPD 的限制電壓和保護(hù)水平進(jìn)行選型：限制電壓小于或等于1.5 kV，電壓保護(hù)水平等級優(yōu)選小于或等于1.8 kV［14］。

2 試驗驗證

脈沖電磁場防護(hù)產(chǎn)品的測試依據(jù)參數(shù)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，整車系統(tǒng)的功能驗證依據(jù)《GJB8848—2016 系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)試驗方法》中13.5.2 條的試驗方法進(jìn)行脈沖電磁場效應(yīng)試驗。

2.1 脈沖電場效應(yīng)試驗

試驗條件：電場場強(qiáng)為30 kV／m；上升沿為1.4 μs±20%（T：10%～T90%）；半寬高為25.6 μs ± 20%（T：50%～T50%）；電場均勻性為±3 dB。

試驗前準(zhǔn)備：電場探頭采用光纖傳輸系統(tǒng)引出，標(biāo)定時以獲得實際產(chǎn)生場強(qiáng)與施加電壓的關(guān)系；以《GJB 8848—2016 系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)試驗方法》的“13.5.2.2.試驗配置［15］”章節(jié)中圖20 完成脈沖電場試驗均勻域標(biāo)定配置；在未放置被試品的情況下，將云極板高度調(diào)至被試品停放高度加上4 m 的高度，按照圖2進(jìn)行標(biāo)定，先將1 個電場場強(qiáng)探頭布置在位置11，然后將3 個電場場強(qiáng)探頭分別布置在位置1～3，開啟沖擊發(fā)生器，設(shè)置沖擊發(fā)生器電壓，讀取4 個場強(qiáng)探頭的電場測量值，確認(rèn)位置1～3探頭點的測量值，符合要求值±3 dB范圍內(nèi)則認(rèn)為滿足要求；位置1～3 的場強(qiáng)標(biāo)定完成后，保持位置11 的探頭位置不變，將3 個電場場強(qiáng)探頭再分步依次移至4～6 位置、7～9 位置、10 位置，保持沖擊發(fā)生器輸出設(shè)置電壓不變，進(jìn)行位置4～10 的場強(qiáng)測量值標(biāo)定，以測得電場場強(qiáng)均勻域，并記錄標(biāo)定數(shù)據(jù)（注：現(xiàn)場數(shù)據(jù)標(biāo)定時可根據(jù)實際操作方便性，分步完成對所有標(biāo)定位置點的數(shù)據(jù)標(biāo)定）。

圖2 脈沖電場場強(qiáng)均勻域探頭標(biāo)定位置

將場強(qiáng)測量探頭移除，僅保留位置11 的場強(qiáng)測量探頭。

試驗方法與步驟如下：按圖3 進(jìn)行鄰近雷擊脈沖電場試驗配置。被試品試前狀態(tài)檢查完成后，根據(jù)標(biāo)定時標(biāo)記的被試品擺放位置，將被試品駛?cè)朊}沖電磁場試驗室。被試品處于底盤怠速運行，車控和燃油加熱處于上電狀態(tài)，在車上布置耦合電流監(jiān)測探頭，在車內(nèi)架設(shè)數(shù)碼相機(jī)用于監(jiān)控顯示屏，檢查設(shè)備和各數(shù)據(jù)采集通道狀態(tài)應(yīng)正常。開啟沖擊電壓發(fā)生器，給被試品施加場強(qiáng)為30 kV／m的50%脈沖，記錄測量數(shù)據(jù)，檢測車輛是否產(chǎn)生干擾、重啟或損壞，記錄干擾、重啟或損壞現(xiàn)象及相應(yīng)的試驗條件，若無干擾、重啟或損壞，施加次數(shù)為正負(fù)極性各一次，直至完成所有測點相應(yīng)的測量。將脈沖幅值增加至30 kV／m，記錄測量數(shù)據(jù)，檢測車輛是否產(chǎn)生干擾、重啟或損壞，記錄干擾、重啟或損壞現(xiàn)象及相應(yīng)的試驗條件，若無干擾、重啟或損壞，重復(fù)試驗（施加總次數(shù)為正負(fù)極性各3 次），直至完成所有測點相應(yīng)的測量。每發(fā)次試驗中監(jiān)測被試品狀態(tài)，并記錄測量數(shù)據(jù)。每次脈沖試驗后，進(jìn)行被試品狀態(tài)檢查。

圖3 脈沖電場試驗配置示意圖

2.2 脈沖磁場效應(yīng)試驗

試驗條件：磁場場強(qiáng)為50 A／ms；上升沿為6.4（1 ±20%）μs（T：10%～T90%）；半寬高為16（1 ±20%）μs（T：50%～T50%）；磁場均勻性為0～6 dB。

試驗前準(zhǔn)備：采用光纖傳輸系統(tǒng)引出，對試驗裝置進(jìn)行標(biāo)定，以獲得實際產(chǎn)生場強(qiáng)與施加電流的關(guān)系；以《GJB 8848—2016 系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)試驗方法》的“13.5.2.2.試驗配置［15］”章節(jié)中圖19 完成脈沖磁場試驗均勻域標(biāo)定配置；在未放置被試品的情況下，按照圖4 進(jìn)行被試品位于電流環(huán)中間試驗狀態(tài)時磁場強(qiáng)度的標(biāo)定，先將1 個磁場場強(qiáng)探頭布置在位置11，然后將3 個磁場場強(qiáng)探頭分別布置在位置1～3，開啟浪涌發(fā)生器，設(shè)置浪涌發(fā)生器輸出電壓，讀取4 個場強(qiáng)探頭的磁場測量值，確認(rèn)位置1～3 探頭點的測量值，符合要求值0～6 dB范圍內(nèi)則認(rèn)為滿足要求；標(biāo)定完成后，保持位置11的探頭位置不變，將3個磁場場強(qiáng)探頭再分3步依次移至4～6位置、7～9位置、10位置，保持電涌保護(hù)器輸出電壓不變，進(jìn)行位置4～10 的場強(qiáng)測量值標(biāo)定，以測得磁場場強(qiáng)均勻域，并記錄標(biāo)定數(shù)據(jù)（注：現(xiàn)場數(shù)據(jù)標(biāo)定時可根據(jù)實際操作方便性，分步完成對所有標(biāo)定位置點的數(shù)據(jù)標(biāo)定）。被試品位于電流環(huán)中間試驗狀態(tài)時磁場強(qiáng)度的標(biāo)定完成后，在未放置被試品的情況下，按照步驟根據(jù)圖5進(jìn)行電流環(huán)位于被試品兩端試驗狀態(tài)時磁場強(qiáng)度的標(biāo)定。

圖4 脈沖磁場標(biāo)定探頭配置（被試品位于電流環(huán)中間）

圖5 脈沖磁場標(biāo)定探頭配置（電流環(huán)位于被試品兩端）

將場強(qiáng)測量傳感器移除，僅保留位置11 的場強(qiáng)測量傳感器，根據(jù)標(biāo)定時標(biāo)記的被試品擺放位置，將被試品駛?cè)朊}沖電磁場試驗室，進(jìn)行上電、調(diào)試，產(chǎn)品調(diào)試完成后進(jìn)行試前狀態(tài)檢查。

試驗方法與步驟：試驗配置分為電流環(huán)位于被試品兩端和被試品位于電流環(huán)中間兩種狀態(tài)。

（1）被試品位于電流環(huán)中間的脈沖磁場試驗

按圖6 進(jìn)行鄰近雷擊脈沖磁場試驗配置。被試品駛?cè)朊}沖磁場試驗場地，將車輛接地鏈連接導(dǎo)線后引至場地水泥地面。被試品處于底盤怠速運行，車控和燃油加熱處于上電狀態(tài)，在車上布置耦合電流監(jiān)測探頭，在車內(nèi)架設(shè)數(shù)碼相機(jī)用于監(jiān)控顯示屏，檢查設(shè)備和各數(shù)據(jù)采集通道狀態(tài)應(yīng)正常。開啟浪涌發(fā)生器，給被試品施加場強(qiáng)為50 A／ms的50%脈沖，記錄測量數(shù)據(jù)，檢測被試品是否產(chǎn)生干擾、重啟或損壞，記錄干擾、重啟或損壞現(xiàn)象及相應(yīng)的試驗條件，若無干擾、重啟或損壞，施加正負(fù)極性各一次，直至完成所有測點相應(yīng)的測量。將脈沖幅值增加至50 A／ms，記錄測量數(shù)據(jù)，檢測被試品是否產(chǎn)生干擾、重啟或損壞，記錄干擾、重啟或損壞現(xiàn)象及相應(yīng)的試驗條件，若無干擾、重啟或損壞，重復(fù)試驗（施加總次數(shù)為正負(fù)極性各3 次），直至完成所有測點相應(yīng)的測量。每次試驗中監(jiān)測被試品狀態(tài)，并記錄測量數(shù)據(jù)。每次脈沖試驗后，進(jìn)行被試品狀態(tài)檢查。

圖6 脈沖磁場試驗被試品放置示意圖（被試品位于電流環(huán)中間

（2）電流環(huán)位于被試品兩端的脈沖磁場試驗

按圖7 進(jìn)行鄰近雷擊脈沖磁場試驗放置。試驗方法與被試品位于電流環(huán)中間的脈沖磁場試驗方法相同。每發(fā)次試驗中監(jiān)測被試品狀態(tài)，并記錄測量數(shù)據(jù)。每次脈沖試驗后，進(jìn)行被試車輛狀態(tài)檢查。

圖7 脈沖磁場試驗被試品放置示意圖（電流環(huán)位于被試品兩端）

3 結(jié)束語

本文針對目前雷電間接脈沖電磁場防護(hù)要求，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過對間接電磁場防護(hù)的典型參數(shù)理論分析和換算，選擇合適的電涌保護(hù)器（SPD）實現(xiàn)脈沖電磁場防護(hù)；并設(shè)計相關(guān)的脈沖電磁場效應(yīng)試驗來驗證電涌保護(hù)器參數(shù)選擇是否合適，確定電涌保護(hù)器的設(shè)備參數(shù)選型與間接電磁場防護(hù)參數(shù)二者匹配，為后期同類脈沖電磁場防護(hù)提供試驗參考。同時在進(jìn)行建筑物（整車）雷電防護(hù)時，了解該建筑物（整車）的防雷區(qū)劃分，除了在被保護(hù)裝置的雷電防護(hù)界面處安裝合適的電涌保護(hù)器（SPD）外，根據(jù)雷電防護(hù)的整體要求，還要做好外部防雷（接閃針網(wǎng)帶、引下線和和接地裝置）和內(nèi)部防雷（空間屏蔽、等電位連接和防閃絡(luò)舉例）等防護(hù)手段，加強(qiáng)雷電防護(hù)能力，保證脈沖電磁場的整體防護(hù)效果。