雷電間接脈沖電磁場防護及試驗方法

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象之一，雷電產生的災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害之一［1］，人類的歷史也是與雷電不斷斗爭的歷史。

現代軍事建設進程中，武器裝備均朝智能化、小型化及高度機動化的方向發展。由于機動裝備在不同環境條件下開展地面行動的主要裝備，肩負作戰指揮、物資運輸及臨時開辟陣地等重任［2］，在野外執行軍事任務，雷電侵襲是野外環境下裝備和人員所面臨的最大威脅［3］。為滿足機動裝備全天候和全地域作戰訓練的需求，充分保障人員、設備的安全和正常運行，雷電防護已成為機動裝備安全性設計的重要組成部分。目前機動設備除直擊雷防護裝備外，因車輛內部電子設備越來越復雜，由于信號來源路徑增多，車內設備［4－6］對雷電的耐受能力下降，系統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措施及設備，阻斷雷擊遠端后通過電磁場的方式進入到機動裝備內，造成車內人員和設備損傷。

以某車脈沖電磁場防護要求為例，間接電磁場指標：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。對整車進行可靠的雷電防護，了解該整車（建筑物）的防雷區［8］劃分，在被保護裝置的雷電防護界面處安裝合適的電涌保護器（SPD）進行過電壓防護外，另外還要做好整車外部防雷和內部防雷等［9］等防護手段，特別設計了整車電磁屏蔽設計［10］，保證脈沖電磁場的整體防護效果。

而目前的現狀是電涌保護器（SPD）沒有標注間接雷擊指標，需將該參數進行數據轉換，使其能同時滿足《GB／T 18802—2020 低壓電涌保護器（SPD）第11 部分：低壓電源系統的電涌保護器—性能要求和試驗方法》和《GJB 7581—2012 機動通信系統雷電防護要求》的電涌保護器（SPD）參數優選的相關要求，并為后期同類脈沖電磁場的防護提供設計參考。

1 指標分析及SPD選型

以某車（設備最大升起高度約70 m）間接雷擊電磁場防護要求為設計要求，如何選擇合適參數的電涌保護器（SPD）來進行裝車，使其對某通信車電源設備起到很好的雷電防護作用。下面對脈沖電磁場指標轉換進行詳細分析說明。

雷電電磁脈沖場對車輛使用的各類輸入／輸出電纜進行感應耦合，根據標準《GB50057—2010 建筑物防雷設計規范》“第6 章節—防雷擊電磁脈沖6.3.2 條款”［11］中相關規定的耦合參數對照表，進行參數轉換對照，條款規定如下。

當閃電擊于建（構）筑物以外附近時，磁場強度應按下列方法計算。

（1）當建筑物和房間無屏蔽時所產生的無衰減磁場強度，相當于處于LPZ0A和LPZ0B區內的磁場強度，應按下式計算：

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

建筑物防雷分區如圖1 所示。

圖1 附近雷擊時的環境情況

（2）當建筑物或房間有屏蔽時，即在格柵大空間屏蔽內，即在LPZ1 區內的磁場強度，應按下式計算：

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

表1 格柵形大空間屏蔽的屏蔽系數

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

理論近似磁場強度計算如下：

第1 步，磁場強度取值為50 A／ms；

第2 步，取磁場強度上升沿進行推導，不考慮屏蔽效應對磁場上升沿變化速度的改變，線路屏蔽內磁場強度上升沿為6.4 μs；

第3 步，磁場強度轉化為磁感應強度，以真空介質計算B ＝Hμ0＝2π×10－5T；

第4 步，近似計算電源線路圍成的區域面積（理想條件下）S線－地＝100 m2，線－地之間的感應電動勢（線圈匝數取30，100 m 制作線盤）ε線－地＝NΔΦ／Δt ＝ΔBS／Δt ＝30 000 V，根據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。

通過本文計算結果和分析可以看出：電場強度30 kV／m和磁場強度50 A／ms 在線纜上可以感應出幾百伏到數十千伏的脈沖電壓［12］。根據《GB／T 18802.11—2020 低壓電涌保護器（SPD）第11 部分：低壓電源系統的電涌保護器—性能要求和試驗方法》“6 SPD 優選值”章節選SPD通流容量：標稱通流In：20 kA（8／20 μs）；最大通流Imax：40 kA（8／20 μs）［13］。

根據《GJB7581—2012 機動通信系統雷電防護要求》第“7.2.2.8 電源線路SPD”章節來對SPD 的限制電壓和保護水平進行選型：限制電壓小于或等于1.5 kV，電壓保護水平等級優選小于或等于1.8 kV［14］。

2 試驗驗證

脈沖電磁場防護產品的測試依據參數優選標準執行，整車系統的功能驗證依據《GJB8848—2016 系統電磁環境效應試驗方法》中13.5.2 條的試驗方法進行脈沖電磁場效應試驗。

2.1 脈沖電場效應試驗

試驗條件：電場場強為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。

試驗前準備：電場探頭采用光纖傳輸系統引出，標定時以獲得實際產生場強與施加電壓的關系；以《GJB 8848—2016 系統電磁環境效應試驗方法》的“13.5.2.2.試驗配置［15］”章節中圖20 完成脈沖電場試驗均勻域標定配置；在未放置被試品的情況下，將云極板高度調至被試品停放高度加上4 m 的高度，按照圖2進行標定，先將1 個電場場強探頭布置在位置11，然后將3 個電場場強探頭分別布置在位置1～3，開啟沖擊發生器，設置沖擊發生器電壓，讀取4 個場強探頭的電場測量值，確認位置1～3探頭點的測量值，符合要求值±3 dB范圍內則認為滿足要求；位置1～3 的場強標定完成后，保持位置11 的探頭位置不變，將3 個電場場強探頭再分步依次移至4～6 位置、7～9 位置、10 位置，保持沖擊發生器輸出設置電壓不變，進行位置4～10 的場強測量值標定，以測得電場場強均勻域，并記錄標定數據（注：現場數據標定時可根據實際操作方便性，分步完成對所有標定位置點的數據標定）。

圖2 脈沖電場場強均勻域探頭標定位置

將場強測量探頭移除，僅保留位置11 的場強測量探頭。

試驗方法與步驟如下：按圖3 進行鄰近雷擊脈沖電場試驗配置。被試品試前狀態檢查完成后，根據標定時標記的被試品擺放位置，將被試品駛入脈沖電磁場試驗室。被試品處于底盤怠速運行，車控和燃油加熱處于上電狀態，在車上布置耦合電流監測探頭，在車內架設數碼相機用于監控顯示屏，檢查設備和各數據采集通道狀態應正常。開啟沖擊電壓發生器，給被試品施加場強為30 kV／m的50%脈沖，記錄測量數據，檢測車輛是否產生干擾、重啟或損壞，記錄干擾、重啟或損壞現象及相應的試驗條件，若無干擾、重啟或損壞，施加次數為正負極性各一次，直至完成所有測點相應的測量。將脈沖幅值增加至30 kV／m，記錄測量數據，檢測車輛是否產生干擾、重啟或損壞，記錄干擾、重啟或損壞現象及相應的試驗條件，若無干擾、重啟或損壞，重復試驗（施加總次數為正負極性各3 次），直至完成所有測點相應的測量。每發次試驗中監測被試品狀態，并記錄測量數據。每次脈沖試驗后，進行被試品狀態檢查。

圖3 脈沖電場試驗配置示意圖

2.2 脈沖磁場效應試驗

試驗條件：磁場場強為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。

試驗前準備：采用光纖傳輸系統引出，對試驗裝置進行標定，以獲得實際產生場強與施加電流的關系；以《GJB 8848—2016 系統電磁環境效應試驗方法》的“13.5.2.2.試驗配置［15］”章節中圖19 完成脈沖磁場試驗均勻域標定配置；在未放置被試品的情況下，按照圖4 進行被試品位于電流環中間試驗狀態時磁場強度的標定，先將1 個磁場場強探頭布置在位置11，然后將3 個磁場場強探頭分別布置在位置1～3，開啟浪涌發生器，設置浪涌發生器輸出電壓，讀取4 個場強探頭的磁場測量值，確認位置1～3 探頭點的測量值，符合要求值0～6 dB范圍內則認為滿足要求；標定完成后，保持位置11的探頭位置不變，將3個磁場場強探頭再分3步依次移至4～6位置、7～9位置、10位置，保持電涌保護器輸出電壓不變，進行位置4～10 的場強測量值標定，以測得磁場場強均勻域，并記錄標定數據（注：現場數據標定時可根據實際操作方便性，分步完成對所有標定位置點的數據標定）。被試品位于電流環中間試驗狀態時磁場強度的標定完成后，在未放置被試品的情況下，按照步驟根據圖5進行電流環位于被試品兩端試驗狀態時磁場強度的標定。

圖4 脈沖磁場標定探頭配置（被試品位于電流環中間）

圖5 脈沖磁場標定探頭配置（電流環位于被試品兩端）

將場強測量傳感器移除，僅保留位置11 的場強測量傳感器，根據標定時標記的被試品擺放位置，將被試品駛入脈沖電磁場試驗室，進行上電、調試，產品調試完成后進行試前狀態檢查。

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

（1）被試品位于電流環中間的脈沖磁場試驗

按圖6 進行鄰近雷擊脈沖磁場試驗配置。被試品駛入脈沖磁場試驗場地，將車輛接地鏈連接導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，在車上布置耦合電流監測探頭，在車內架設數碼相機用于監控顯示屏，檢查設備和各數據采集通道狀態應正常。開啟浪涌發生器，給被試品施加場強為50 A／ms的50%脈沖，記錄測量數據，檢測被試品是否產生干擾、重啟或損壞，記錄干擾、重啟或損壞現象及相應的試驗條件，若無干擾、重啟或損壞，施加正負極性各一次，直至完成所有測點相應的測量。將脈沖幅值增加至50 A／ms，記錄測量數據，檢測被試品是否產生干擾、重啟或損壞，記錄干擾、重啟或損壞現象及相應的試驗條件，若無干擾、重啟或損壞，重復試驗（施加總次數為正負極性各3 次），直至完成所有測點相應的測量。每次試驗中監測被試品狀態，并記錄測量數據。每次脈沖試驗后，進行被試品狀態檢查。

圖6 脈沖磁場試驗被試品放置示意圖（被試品位于電流環中間

（2）電流環位于被試品兩端的脈沖磁場試驗

按圖7 進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中間的脈沖磁場試驗方法相同。每發次試驗中監測被試品狀態，并記錄測量數據。每次脈沖試驗后，進行被試車輛狀態檢查。

圖7 脈沖磁場試驗被試品放置示意圖（電流環位于被試品兩端）

3 結束語

本文針對目前雷電間接脈沖電磁場防護要求，依據相關標準經過對間接電磁場防護的典型參數理論分析和換算，選擇合適的電涌保護器（SPD）實現脈沖電磁場防護；并設計相關的脈沖電磁場效應試驗來驗證電涌保護器參數選擇是否合適，確定電涌保護器的設備參數選型與間接電磁場防護參數二者匹配，為后期同類脈沖電磁場防護提供試驗參考。同時在進行建筑物（整車）雷電防護時，了解該建筑物（整車）的防雷區劃分，除了在被保護裝置的雷電防護界面處安裝合適的電涌保護器（SPD）外，根據雷電防護的整體要求，還要做好外部防雷（接閃針網帶、引下線和和接地裝置）和內部防雷（空間屏蔽、等電位連接和防閃絡舉例）等防護手段，加強雷電防護能力，保證脈沖電磁場的整體防護效果。