電子信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護研究

廣東省揭陽市氣象局 鄭卓驊 林 娜

隨著科技的發(fā)展，各行各業(yè)采用的電子信息設(shè)備和計算機系統(tǒng)越來越多，這類電子設(shè)備的耐壓水平很低，極易受到雷擊電磁脈沖的侵害，從而使雷擊災(zāi)害由傳統(tǒng)的直擊雷對建筑物的損害擴展到到幾乎所有行業(yè)，對各種微電子設(shè)備造成的危害極其嚴重。本文針對電子信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護存在的漏洞，分析了雷擊電磁脈沖入侵途徑及電子信息系統(tǒng)雷擊破壞的機理,給出了電子信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護措施。

1 雷擊電子設(shè)備的途徑及損壞機理

雷擊電磁脈沖( LEMP )是由雷云的靜電感應(yīng)或放電過程中產(chǎn)生的電磁感應(yīng)，以及作用在建筑物上的金屬物件，如信號傳輸線、天線、金屬管道、電線、等上的雷電輻射引起的，通過各種金屬線路引入室內(nèi)，導致耐壓水平極低的各類電子設(shè)備損壞。雷擊過電壓損壞電子設(shè)備，大體上可以分為以下兩種情況，一種是受直擊雷損壞，另一種受雷擊電磁脈沖影響所致。實際上，在一般情況下，電子信息系統(tǒng)內(nèi)的各種設(shè)備受雷電直擊而損壞的可能性非常小，因為通常該類設(shè)備均處于建筑物室內(nèi)，不會被直擊雷擊中。而絕大多數(shù)的電子信息系統(tǒng)設(shè)備損壞，都是因為雷擊電磁脈沖所造成的，雷擊過電壓行波通過各種金屬管線傳入電子設(shè)備使其超過本身的耐壓水平而導致?lián)p壞。

電子設(shè)備受到雷擊電磁脈沖損壞還有另外一種情況，就是因地電位反擊引起的電子設(shè)備損壞。當建筑物頂部的接閃桿、接閃帶受到直接雷擊，雷電流沿著防雷引下線散入大地時，電子設(shè)備的接地裝置或其他設(shè)備的接地體如果沒有進行等電位連接，會因為發(fā)散入地的雷電流引起地電位抬高，造成地電位反擊損壞電子設(shè)備。按實際經(jīng)驗來看，電子設(shè)備的地線與其他設(shè)備的地線進行等電位連接或者在滿足安全距離的條件下分開設(shè)置，是減少雷擊電磁脈沖侵入，降低地電位反擊可能性的有效方法之一。

縱向過電壓是指在電路中的某一點引起的對地過電壓。因此，由地電位的抬升所引起的地電位反擊也是一種從接地體引入的縱向過電壓。而橫向過電壓，則是一種出現(xiàn)在平衡電路線或不平衡電路線與大地之間的過電壓。當電子設(shè)備采用對稱傳輸線傳輸數(shù)據(jù)時，因金屬線路兩線之間存在不同的縱向過電壓，或因為縱向保護元件放電性能的分散性及差異性，將會造成橫向過電壓是。如果平衡線路上的兩個縱向保護器件，其中一路突然出現(xiàn)故障導致失去保護功能，將會造成橫向過電壓的極限情況。

當電子信息系統(tǒng)遭受雷擊電磁脈沖入侵時，遭受損壞的，往往是靠近設(shè)備的輸入端口。設(shè)備間起匹配作用的變壓器匝間、層間、或線對地絕緣處，通常都會被縱向過電壓擊穿。而另一方面，橫向過電壓會隨著信號線路，與數(shù)據(jù)信息一起傳至電子設(shè)備內(nèi)部，將電子設(shè)備內(nèi)的各種電子元件損壞。電子設(shè)備中的各種元器件遭受雷擊電磁脈沖損壞的程度，取決于電子元器件的耐壓程度，即耐受雷擊電磁脈沖沖擊的強度取決于電子元器件絕緣水平。對于那些本身具有自修復能力的絕緣體，雷擊電磁脈沖對其的擊穿只是暫時性的，一旦雷擊過電壓消失，即可恢復正常功能；而對于那些不具有自修復性的絕緣裝置，正常情況下，當受到雷擊電磁脈沖沖擊時，只有較小的過電壓過電流通過過。這些絕緣裝置如果只受到一次沖擊，不會立即中斷設(shè)備，但如果經(jīng)常性的受到雷擊電磁脈沖沖擊，則有可能會使電子元器件逐漸受損并最終毀壞。

2 雷擊電磁脈沖的防護

電子信息系統(tǒng)的雷擊電磁脈沖的防護，應(yīng)該作為一個系統(tǒng)工程來考慮，它主要包括了以下幾個重要部分：等電位連接、屏蔽、綜合布線、完善合理的接地。

2.1 接閃與分流

電子信息系統(tǒng)雷擊防護，首先要做好直擊雷防護，即盡量減少或避免直接雷擊，接閃應(yīng)多采用網(wǎng)(帶、籠)等屏蔽型直擊雷保護裝置，如果使用接閃桿，宜用短針、多針保護，以減小保護半徑，降低雷擊概率。

分流即適當多些引下線的根數(shù)，且其位置應(yīng)當均勻設(shè)置。這樣每根引下線所承受的電流就越小，使其反擊的機會和感應(yīng)范圍的影響越小。

2.2 屏蔽

屏蔽可以對建筑物內(nèi)的所有電子設(shè)備進行很好的防護。雷電流是通過建筑物四周柱子內(nèi)的鋼筋引下線或者外墻明敷引下線泄放入接地裝置的，所以建筑物主柱鋼筋或外敷引下線的電流密度極大，其周圍產(chǎn)生的磁場也非常強。在這種情況下。室內(nèi)電子設(shè)備的電源線、信號線、數(shù)據(jù)線等金屬線路不應(yīng)該靠近有引下線經(jīng)過的位置敷設(shè)，應(yīng)與其保持足夠的安全距離，最好敷設(shè)在室內(nèi)的中間位置，以盡量減小雷擊電磁脈沖對其的感應(yīng)范圍。依照這個理論，進出室內(nèi)的所有金屬線路均應(yīng)該穿金屬管保護或選用雙層屏蔽電纜及同軸電纜，并將金屬管和屏蔽層兩端可靠接地。對保密要求高的線路，還應(yīng)加裝隔離穩(wěn)頻、穩(wěn)壓裝置或設(shè)備本身加裝濾波裝置。

2.3 等電位連接與環(huán)形接地網(wǎng)

等電位連接是通過電氣連接方式將所有金屬管線、金屬物體和其他大型埋地金屬裝置、纜線金屬屏蔽層、防雷接地體等連接在一起，使其成為良好的等電位體。對于不能直接連接到公共接地系統(tǒng)上的電源線和信號線，則應(yīng)在電源、信號線路上安裝過電壓保護器( SPD )來加以保護。

環(huán)形接地網(wǎng)顧名思義是一個封閉的金屬等電位環(huán)，沿著建筑物的周邊環(huán)繞敷設(shè)。這樣可以使界面外的電場分布更加均勻，減少了雷電流入地時在接地裝置上產(chǎn)生的電位梯度對設(shè)備造成的地電位反擊危險，也減少了跨步電壓對人體的傷害。

2.4 浪涌保護器分級防護

電涌保護器( SPD )是一種限制瞬態(tài)過電壓和釋放電涌電流的裝置，必須能夠承受預期通過它的雷電電流及限制線路上雷擊電磁脈沖產(chǎn)生的峰值過電壓。合格的浪涌保護器應(yīng)該能夠在過電壓過電流經(jīng)過后熄滅工頻續(xù)流。

當線路上受到雷擊電磁脈沖侵入時，因為雷擊能量非常巨大，所以必須將雷擊能量通過分級釋放，逐步分解釋放入大地。第一級保護的主要目的是防止雷擊電磁脈沖從LPZ0區(qū)直接傳導進入LPZ1區(qū)，該級浪涌保護器可以將數(shù)萬伏至數(shù)十萬伏的浪涌電壓鉗制到2500～3000V。第二級浪涌保護器可以將通過第一級浪涌保護器的殘余過電壓進一步限制到1500～2000V。第三級浪涌保護器非常重要，它是保護終端設(shè)備的重要手段，殘余浪涌電壓經(jīng)過以上三級浪涌保護器的分級防護，其值可以降低到1000V以內(nèi)，這樣就最大可能地避免了雷擊電磁脈沖對電子設(shè)備的損壞。

3 結(jié)論

綜上所述，電子信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護是一項系統(tǒng)的工程。在對電子信息系統(tǒng)進行雷擊電磁脈沖防護設(shè)計時，必須遵循科學的、有效的、全面的方法，不光要考慮直接雷擊對電子設(shè)備的影響，更應(yīng)該考慮雷擊電磁脈沖及雷電輻射對其的影響。通過接閃、分流、屏蔽、等電位連接及安裝浪涌保護器等措施，可以有效地降低雷擊電磁脈沖對電子信息系統(tǒng)的危害，保護電子設(shè)備的安全。