电子设备抗雷电电磁脉冲的干扰与接地

陈 逊

（温州广播电视传媒集团，浙江 温州 325000）

电子设备抗雷电电磁脉冲的干扰与接地

陈 逊

（温州广播电视传媒集团，浙江 温州 325000）

雷电电磁脉冲是一种携带巨大雷电能量的电磁脉冲干扰信号，对现代电子设备造成的危害极大。通过比较，电子设备对雷电电磁脉冲的防护虽然有别于直击雷，但将电磁脉冲的雷电能量泄放入地的做法与直击雷的处理方法相同，因而电子设备抗雷电电磁脉冲的局部设计不能只停留在电磁兼容层面上，在屏蔽、接入浪涌保护器、滤波等措施的同时也必须接地。

电子设备；雷电电磁脉冲；电磁感应；接地

0 引 言

电子设备包括信息电子设备和电力电子设备两大类，信息电子设备基本采用微电子控制技术，电力电子设备相对于信息电子设备无信号传输线路外，其控制单元也大多采用微电子控制技术。近20年来新发现的电子设备雷灾的起因是闪电的电磁脉冲（L E M P）辐射造成的，电子设备越先进、耐压等级越低、能耗越小，灵敏度越高、体积越小，则雷电电磁脉冲的危害范围越大。电子设备抗雷电电磁脉冲的干扰危害已是一个不可回避的问题。

雷电电磁脉冲既是雷电，又是电磁脉冲，但它既有别于直击雷，又有别于普通意义上的电磁脉冲干扰信号。现在对直击雷的防护技术已相当成熟，由于直击雷包含着巨大的能量，通常采用避雷针、避雷网等引雷入地，其实这就是将所接收到的雷电能量直接引向大地而起到分流雷电流的作用，但避雷针引下线由于电感的作用，最多也只能将50%的雷电流入地，余下的雷电流将通过其他途径或四处扩散后入地。扩散后入地的雷电流就以雷电电磁脉冲的形式出现，对雷电电磁脉冲的防护，要从干扰和所具有的巨大能量两个方面来综合考虑。直击雷的强大能量需要入地释放，同理，雷电电磁脉冲的能量也必须旁路泄放入地，在入侵通道上将雷电电磁脉冲引起的过电压、电流加以阻挡，且直接或间接泄放入地，从而达到保护电子设备的目的。

1 雷电电磁脉冲的电磁感应

雷电电磁脉冲可以通过阻抗耦合、静电感应、电磁感应等方式入侵电子设备[1]。不管是哪种方式，都将对电子设备造成严重损害，这里仅对雷电电磁脉冲的电磁感应进行分析。雷电电磁脉冲的电磁感应如图1所示。

图1 雷电电磁脉冲的电磁感应

当强大的雷电流沿着导体（如引下线）泄放入地时，由于雷电流具有很大的幅值和陡度，因而在它周围产生强大的电磁场，如果附近有一开口的电子系统回路，则将在该电子系统回路的开口处感应相当大的电磁感应电压u，其值为：

可见，雷电电磁脉冲的威力之大。其主要通道是通过电源线路、各类信号传输线路、天馈线路和进入建筑物的管、缆、桥架等导体入侵电子设备系统，造成电子设备失灵或永久性损坏。因此，为了抵抗雷电电磁脉冲的干扰，需要从电源线路、信号传输线路以及空间辐射等全方位来考虑电子设备的防护问题。

2 低压配电系统与等电位连接

从广义上说，雷电电磁脉冲是一种干扰信号，为了有效避免雷电电磁脉冲引起的传导干扰，由用户变电站引出的电子设备交流低压配电系统的接地方式，应采用T N-S或T N-C-S系统供电，如图2～3所示。

在进户后，这两种配电系统的N线和P E线是独立分开的，即使有雷电电磁脉冲入侵，只要接地系统良好和配合其他保护措施，也可以大大减少电子设备之间的互相干扰。

为了减少电子设备与建筑物金属构件之间因雷电电磁脉冲干扰而产生的电位差，防止入地雷电流的雷电反击干扰，电子设备的金属外壳应与建筑物金属构件作等电位连接。

3 浪涌保护器与接地

常用的限制雷电波通过电源线、信号线入侵电子设备的装置是浪涌保护器（SPD），它可以限制及旁路雷电电磁脉冲引起的电磁感应过电压。SPD分为电压开关型（如放电间隙、气体放电管、晶闸管、三端双向可控硅等元件构成的器件）和电压限制型浪涌保护器（如金属氧化物压敏电阻和瞬变电压抑制二极管等元件构成的器件）。SPD通常与被保护设备并联，其作用是释放过电压能量，将过电压限制到被保护设施能承受的水平[2]。其实，SPD的任务不仅仅只是旁路进入电子设备的过电压，而且要将能量加以释放，所以必须接地。单相电源SPD的三种安装方案[3]如图4～6所示。

阻挡普通意义上的电磁干扰传导信号可以采用EMI滤波器，将干扰信号旁路即可，但针对雷电电磁脉冲干扰，必须在旁路后接地。

4 高通滤波器与低通滤波器

天线的发射频率通常为数十兆赫，微波通信的频率则可以达数千兆赫。破坏天馈系统的雷电电磁脉冲主要频谱分布在20～100 kHz的低频部分，因而天馈系统采取1 kHz以上导通的高通滤波器就可以抑制90%的雷电电磁脉冲能量[4]。实际上，仅仅采用高通滤波器进行雷电电磁脉冲避雷还是不够的，也就是说，依靠隔离或抵挡雷电电磁脉冲的措施还不能使其能量加以耗散，此时，可以利用由高通滤波器与低通滤波器组合的电路将雷电波通道和通信电磁波通道分开，对天馈线进行保护，如图7所示。对高频发射信号来说，低通滤波器相当于开路，而对雷电波来说相当于短接，于是，雷电波就通过低通滤波器泄放入地。这样就较好地解决了防雷和高频电路输入不受影响的矛盾。

图4 单相电源SPD的安装方案1

图5 单相电源SPD的安装方案2

图6 单相电源SPD的安装方案3

图7 天馈线保护

设计高通滤波器与低通滤波器需要对雷电电流波进行频谱分析。为了对雷电电流波进行频谱分析，运用Bruce和Golde于1941年提出的雷电通道底部双指数函数电流曲线模型[5]：

其中，I0是通道底部雷电流峰值，α为雷电流波头衰减时间常数，β为雷电流波尾衰减时间常数。

对（1）式进行傅立叶变换（Fourier Transformation），可得：

则雷电电流波频谱分布可以表达为：

选取10/350 μs、幅值I0=20 kA，绘制出双指数雷电电流波模型的幅值频谱分布[6]，如图8所示。

图8 双指数雷电电流波模型的幅值频谱分布

在雷电电流波频谱分析的基础上，对天馈线通道上的高通滤波器与低通滤波器进行一体化综合设计，其设计步骤如下：

（1）确定滤波电路频率特性，满足信息传输要求；

（2）根据不同频率点的插损指标，拟定滤波截止频率；

（3）对滤波电路进行归一化标定，得出归一化设计指标；

（4）根据归一化设计指标设计滤波器。

此外，元器件的选择，需充分考虑滤波器的耐过电压和耐雷电流冲击能力。

5 结束语

现代电子设备防雷是一个系统工程，从工程实施的角度看，雷电电磁脉冲的防护措施有“躲雷”和分流入地。雷电电磁脉冲的能量可以通过SPD或低通滤波器分流入地；即使是采用“法拉第笼”屏蔽雷电电磁脉冲，屏蔽后也要入地。

[1] 虞昊.现代防雷技术基础[M].北京: 清华大学出版社，2005:169-175.

[2] 中国建筑学会建筑电气分会. 电磁兼容与防雷接地[ M ] . 北京: 中国建筑工业出版社，2010 :284 .

[3] 刘兴顺，熊江，余亚桐. 建筑物电子信息系统防雷技术设计手册[ M ] .北京: 中国建筑工业出版社，2004:89 .

[4] 梁保家，余爱民. 通信基站雷电电磁脉冲的防护[J].五邑大学学报: 自然科学版，2008，22(1):73-75.

[5] Bruce CER，Golde R H.The Lighthing Discharge[M].IEE，London，1941:487-520.

[6] 王晓春. 高校计算机网络防雷电系统设计与实施[ D ] .合肥: 合肥工业大学，2009 .

Anti-lighting Electromagnetic Pulse Interference and Ground of Electronic Equipment

CHEN Xun
(Wenzhou Radio and Television Media Group, Wenzhou,325000, China)

Lighting electromagnetic pulse is a kind of electromagnetic pulse interference signal carrying the huge lighting energy, and does great harm to modern electronic devices. By comparison, although the protection of electronic equipment against lighting electromagnetic pulse is different from the lighting, the way of releasing the lighting energy of electromagnetic pulse into the ground is the same as that of handling the lighting. Thus, the local design of the anti-lighting electromagnetic pulse of electronic devices can not just stop at the level of electromagnetic compatibility, after taking the measures of shielding, accessing to surge protection and filtering, it should also be grounded.

Electronic equipment; Lighting electromagnetic pulse; Electromagnetic induction; Ground

TM 862

A

1671-4326(2011)02-0060-03

2011-03-21

陈 逊（1974—），男，浙江瑞安人，温州广播电视传媒集团助理工程师.

曲延昌]