關于雷擊電磁脈沖的干擾分析

李志能

摘 要：有關雷擊所產生的電磁脈沖及其致使這一現象的干擾因素是當前研究電磁轉化的重要課題，而雷擊這一自然現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生的原理、入侵方式、耦合方式三方面進行深入探討。

關鍵詞：脈沖原理；入侵方式；耦合方式

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

1 雷擊電磁脈沖產生原理

云地閃電產生過程中，雷云的先導通道向地面發展，地面被擊物（異性感應電荷）向上發展迎面（或回閃）流注。當先導通道與迎面流注相遇，先導就通過回閃接地，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電荷中和，表現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，持續時間幾十至上百微秒。在云地閃形成的先導、主放電過程中，向外輻射高頻和甚高頻電磁能量，即發出雷擊電磁脈沖（LEMP）。當建筑物遭到雷擊，雷電流流入接閃器、引下線、均壓環和接地體時，在建筑物內部閉合回路也產生瞬變電磁場，產生雷擊電磁脈沖高電壓。

通過電磁感應的作用，高頻脈沖大電流產生的雷擊電磁脈沖在閉合導體回路的斷開處（或者非閉合導體回路）感應出過電壓，在閉合導體環路中感應生成過電流。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，云地放電電流達到11.5 kA，在距離50 m處產生垂直電場強度為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，當磁感應強度B=0.03 Gs時產生誤動作，當磁感應強度B=0.75 Gs時產生假性損壞，當磁感應強度B=2.4 Gs時會永久性損壞。

雷擊電磁脈沖是十分嚴重的電磁干擾源，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備擊穿損毀、空氣擊穿造成火花放電引發火災、爆炸等事故，成為建筑物內信息設備遭受破壞的主要原因。智能建筑內得電子設備繁多，系統布置復雜，較一般的建筑物更易產生雷擊電磁脈沖干擾事故。

2 雷擊電磁脈沖入侵方式

當建筑物遭受直接雷擊時，通過引下線的雷電流同時產生雷擊電磁脈沖。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，即通過建筑物內外鋼筋、金屬導體、金屬管道和構架傳輸；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，在建筑物內的導體回路中感應出過電壓和過電流，甚至通過相鄰建筑物之間的導線回路中感應出過電壓和過電流。而且，雷電流和電磁脈沖在一定條件下還可以互相轉換。雷擊電磁脈沖主要通過耦合途徑傳播，其侵入信息系統和電子設備的模型如圖1所示。

智能建筑內部信息系統可以是獨立設備控制室，例如計算機房、設備控制室、通信調度室、消防報警系統室等，也可能是一個或幾個樓層，甚至是整個建筑物（如通信大樓、網絡中樞、控制指揮中心等）。具體到單個電子設備，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耦合和輻射耦合。

3.1 傳導耦合

傳導耦合是指干擾信號通過干擾源于干擾設備之間的阻抗進行耦合傳播。

①共阻抗耦合。當干擾源于電子設備共用一個主回路，或者共用一根接地電流回路，它們的電流流經共同的路徑導致產生共阻抗耦合。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，當發生直接雷擊時，建筑物接地體上電荷瞬間重新分布導致電流流動，在設備上產生過電壓。

③電感性耦合，雷電放電通道由于電磁感應引起附近的電子設備、金屬構架等導體回路磁通變化，產生感應電壓和感應電流。感應電壓極易超過電子設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射電磁波，在空間以電磁場的形式對導體接收器進行輻射耦合。建筑物的信息系統的輸入信號線、外部電纜、設備機殼等都相當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工程關鍵問題的研究[D].天津：天津大學電氣與自動化工程學院，2006.