電子系統雷電電磁干擾及防治

張殿江

(天津市靜海縣氣象局,天津 301600)

電子系統雷電電磁干擾及防治

張殿江

(天津市靜海縣氣象局,天津 301600)

隨著現代科學技術的發展,電子技術正在向高頻率、高速度、高可靠性、小型化、網絡化和智能化方向發展,而雷電電磁干擾造成的事故逐年增多,造成重大的經濟損失。為了有效地保護電子設備,防止雷電電磁干擾,分析了雷電的產生、雷電流時域模型及其頻譜特性,并對雷電電磁干擾及其傳播方式進行了分析,得出了雷電電磁干擾對電子系統干擾的傳播途徑,由此得到電子系統雷電電磁干擾的防治方法,結論對電子系統的防雷設計具有參考作用。

電子系統;雷電;電磁干擾;防治

0 引 言

隨著科學技術的進步,電子技術正在向高頻率、高速度、高可靠性、小型化、網絡化和智能化方向發展,在產品的體積、功耗及價格大幅下降的同時,對電源和信號中出現的各種電磁干擾也極為敏感,而抵抗能力卻非常脆弱。通常的電磁干擾有:雷電、靜電放電、操作過電壓和工頻過電壓,其中雷電電磁干擾的破壞性最大,通常會造成設備的介電常數下降,敏感設備中的電子器件損壞,保護裝置、監控系統誤動作,甚至停機停產。因此電子信息系統防雷電電磁脈沖干擾的問題已引起普遍關注。雷電電磁干擾危害主要是雷電傳播及雷電電磁感應。由雷電傳播及雷電電磁脈沖的耦合效應造成的危害,應根據雷電電磁脈沖的產生、傳播特性及電磁耦合途徑進行防治[1-3]。

1 雷電的產生

雷電是大氣間的自然放電現象。大氣運動時產生包括水汽、塵埃等空間的懸浮物在云體內形成電荷的積累,由于正、負電荷的積累使云體帶電,當電場強度不小于25～30 kV/cm時,會擊穿空間的空氣產生放電現象即雷電。雷電分為云—地、云—云及云內三種。在閃電過程中,將有強大的瞬時電流,釋放巨大能量,形成強烈的光亮和爆炸聲,閃擊通道急劇升溫,閃擊通道中強大的瞬間電流會在周圍形成非常大的瞬變電磁場。云—地雷電就是云與地的放電過程形成的,常規防雷就是預防云—地閃電。

自然界中云—地雷電產生的位置不僅與發生雷電處的電場強度有關,還與該處的電導率有關,因為高山、高大建筑物及平原突出物的電場強度大,會比相鄰的其他地方容易達到擊穿電場強度,產生擊穿而發生雷電,因此是雷電的多發地,同時濕地及野外輸電線電導率低,容易導電,也是雷電多發地。

2 雷電流模型及其傳播

根據IEC 62305-1規范,首次雷擊的電流參數幅值為 100～200 kA,如典型雷電壓的波形為10/350μs及雷電流波形8/20μs等[46]。

對于10/350μs的雷電壓脈沖波形采用雙指數函數形式描述為

式中 Im=100 kA;A=1.025;α=2.05× 10-3/μs;β=0.564/μs;t——時間,μs。

10/350μs的雷電壓脈沖波形如圖1所示(波形采用Matlab仿真)。

圖1 10/350μs的雷電壓脈沖波形

對于8/20μs雷電流脈沖波形采用冪級數形式描述為

式中 Ip=100 kA;A=0.012 43(μs)-3;τ= 3.911μs;t——時間,μs。

8/20μs電流脈沖波形如圖2所示。

圖2 8/20μs雷電流脈沖波形

從圖1～2可知雷電壓及雷電流是一種強大的脈沖放電過程,對電子系統影響最強的雷電是云—地放電的直擊雷;但電磁脈沖干擾的傳播途徑是多渠道的,云—云間的放電、云內放電都會向空間輻射電磁波,對電子系統產生影響;雷電電磁干擾還會通過與系統連接的各種傳輸線路傳播,即電力傳輸線、信號線、天饋線、地上和地下的電纜線與系統接觸的各種金屬管道傳播至接地系統。

3 雷電脈沖的頻譜分析

雷電壓及雷電流在時域是一個短時強脈沖過程,對雷電壓及雷電流進行頻譜分析,對式(1)進行傅立葉變換,得出

式(5)的頻譜結構如圖3所示。對于8/20μs雷電流脈沖波形的頻譜結構如圖4所示。

圖3 10/350μs的雷電壓脈沖的頻譜結構

圖4 8/20μs的雷電流脈沖的頻譜結構

從頻譜結構可知,脈沖信號上升時間越短,其頻譜越寬,譜線變化越緩慢,而雷電脈沖是在幾微秒到幾十微秒從幾千安上升到幾百千安的強大脈沖,具有很寬的頻譜,其頻譜可達幾十千赫茲,在這里注意對應頻率譜線值的大小,對應的頻率是雷電干擾信號對應頻率的幅值的大小,不能只關注頻譜寬度,要關注在這些頻率上的能量大小,在設計防雷強度時需要進行分析。

4 雷電電磁干擾的防治

從雷電流模型的波形及頻譜結構可知,雷電流非常大并且具有一定的頻譜寬度,通常認為集成電路裝置的受損能量級為100 mJ,雷電流會在很寬的頻率范圍內使電路工作混亂或損壞。雖然雷電流的高頻部分幅值很小,但仍能影響電子電路正常工作,電子電路還會受到空中電磁脈沖的影響。

電磁脈沖干擾的三要素:干擾源、傳播途徑及敏感設備。電子系統雷電干擾分析中,雷電脈沖作為干擾源,電子系統為敏感設備,為使電子系統能正常工作,雷電的防治就要從傳播途徑上考慮,為使電子系統在雷電條件下能正常工作,應從以下幾方面對電子系統進行保護。

4.1 防雷保護

信號線、天饋線連接電子系統的接口,是電磁脈沖過電壓進入系統的另一通道,入室前應有不小于30 m的地下水平鋪設,深度不小于0.5 m,如果不是纜線,可通過穿入鐵管后進行,但鐵管要良好接地;信號線、天饋線入室后用合適的浪涌保護器做過電壓保護,以免過電壓進入損壞接口,同時系統的接口要做好接地保護。信號線、天饋線一般不與電源線平行鋪設,使信號線、天饋線免受電源電磁干擾,如果信號線、天饋線與電源線在同一坑道鋪設,信號線、天饋線與電源線的距離應至少不小于0.5 m。

4.2 電磁屏蔽保護

電子系統隨著集成微電子技術的發展,芯片的尺寸越來越小,系統信號電壓越來越低,產品的電磁兼容能力下降,很容易遭受電磁脈沖過電壓的襲擊,使電子系統工作混亂或損毀。在模擬試驗中,當電磁脈沖產生的磁感應強度超過7×10-6T時,能使計算機發生誤動作,而磁感應強度超過2.4× 10-4T時,會使元件永久性損壞。而云—地閃電、云—云閃電及云內閃電電磁脈沖干擾的范圍可能使其數百米甚至上千米范圍內的電子信息系統遭受破壞或使系統誤動作,防御空間電磁脈沖干擾最有效的方法是在電子信息系統周圍做一個電磁屏蔽籠,使其免受空間各種電磁波的干擾。

如果系統需要嚴格屏蔽時,必須注意門、通風窗、電源進線及信號進出孔的屏蔽及墻體屏蔽材料連接處的連接,屏蔽門要比實際的大,縫隙處要用導電材料,使其不能漏磁,通風窗一般采用截止波導式結構,截止波導的孔徑、深度等幾何尺寸要根據屏蔽室的屏蔽效能來決定,電源進線及信號進出孔不能有縫隙,同時電源線及信號線應用屏蔽線,墻體屏蔽材料連接處用導電膠或用焊直接焊接,屏蔽室要良好接地,接地電阻一般為1～2Ω,這樣才能做好屏蔽室[7-11]。

4.3 電子系統的接地

接地是防雷保護中的重要環節,各種雷電電磁脈沖過電壓都將通過接地系統導入大地,沒有良好的接地裝置,就不能有效地保護系統。接地網設計時遵循:a)盡量采用建筑地基的鋼筋和自然金屬接地物作為接地網;b)盡量以自然接地物為基礎,輔以人工接地物作補充,外形盡可能采用閉合環形;c)應采用同一接地網,用一點接地的方式。

電子系統的接地一般采用一點接地,如果系統復雜可采用混合接地方式,接地端應在抗干擾能力差的一端,以免因接地對系統引入地電位反擊干擾。

5 結束語

通過對雷電流脈沖及其頻譜的分析,雷電脈沖在一個很寬的頻譜范圍內對電子系統產生干擾,甚至使電子系統損壞,因此必須對電子系統進行防雷保護,使系統免受雷電的襲擊,電子系統如果安裝在一棟大樓內,在雷電防護中,應將電子系統安裝在大樓的中央部位,這樣防雷引線中有浪涌流過時,對電子系統的影響會小些,同時系統不要緊靠墻壁安裝,因為建筑物中的金屬框架,是建筑防雷的一部分,安放位置須離墻體不小于1 m;對重要的電子系統,一定要做好屏蔽,防止強電磁脈沖的干擾。總之,雷電脈沖干擾防治要做到綜合防治,注意各個細節,這樣才能確保電子信息系統安全運行。

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The Lighting Electromagnetic Interference and Protection on Electronic System

Zhang Dianjiang
(The Jinghai Meteorological Bureau,Tianjin,301600,China)

With development of modern electronic technology,it is developing to the high frequency, high speed,high reliability,miniaturization,networking and intelligent direction.The accidents caused by lightning electromagnetic interference has increased year by year and caused huge economic losses.In order to protect electronic equipment against lightning electromagnetic interference effectively,it is analyzed that the generation of lightning,lightning current model and its spectral characteristics in time domain and characteristics of frequent channel.It is concluded that the transmission method and manual of the lightning electromagnetic interference to electronic system and,the control methods of electronic systems against the electromagnetic interference.It provides a reference for lightning protection design of electronic systems.

electronic system;lightning;electromagnetic interference;protection

TN011

B

10077324(2011)01006803

2010-12-03(修改稿)。

張殿江,天津市靜海縣氣象局副局長,工程師,自1989年以來長期從事防雷檢測以及防雷設計工作。