电子系统雷电电磁干扰及防治

张殿江

(天津市静海县气象局,天津 301600)

电子系统雷电电磁干扰及防治

张殿江

(天津市静海县气象局,天津 301600)

随着现代科学技术的发展,电子技术正在向高频率、高速度、高可靠性、小型化、网络化和智能化方向发展,而雷电电磁干扰造成的事故逐年增多,造成重大的经济损失。为了有效地保护电子设备,防止雷电电磁干扰,分析了雷电的产生、雷电流时域模型及其频谱特性,并对雷电电磁干扰及其传播方式进行了分析,得出了雷电电磁干扰对电子系统干扰的传播途径,由此得到电子系统雷电电磁干扰的防治方法,结论对电子系统的防雷设计具有参考作用。

电子系统;雷电;电磁干扰;防治

0 引 言

随着科学技术的进步,电子技术正在向高频率、高速度、高可靠性、小型化、网络化和智能化方向发展,在产品的体积、功耗及价格大幅下降的同时,对电源和信号中出现的各种电磁干扰也极为敏感,而抵抗能力却非常脆弱。通常的电磁干扰有:雷电、静电放电、操作过电压和工频过电压,其中雷电电磁干扰的破坏性最大,通常会造成设备的介电常数下降,敏感设备中的电子器件损坏,保护装置、监控系统误动作,甚至停机停产。因此电子信息系统防雷电电磁脉冲干扰的问题已引起普遍关注。雷电电磁干扰危害主要是雷电传播及雷电电磁感应。由雷电传播及雷电电磁脉冲的耦合效应造成的危害,应根据雷电电磁脉冲的产生、传播特性及电磁耦合途径进行防治[1-3]。

1 雷电的产生

雷电是大气间的自然放电现象。大气运动时产生包括水汽、尘埃等空间的悬浮物在云体内形成电荷的积累,由于正、负电荷的积累使云体带电,当电场强度不小于25～30 kV/cm时,会击穿空间的空气产生放电现象即雷电。雷电分为云—地、云—云及云内三种。在闪电过程中,将有强大的瞬时电流,释放巨大能量,形成强烈的光亮和爆炸声,闪击通道急剧升温,闪击通道中强大的瞬间电流会在周围形成非常大的瞬变电磁场。云—地雷电就是云与地的放电过程形成的,常规防雷就是预防云—地闪电。

自然界中云—地雷电产生的位置不仅与发生雷电处的电场强度有关,还与该处的电导率有关,因为高山、高大建筑物及平原突出物的电场强度大,会比相邻的其他地方容易达到击穿电场强度,产生击穿而发生雷电,因此是雷电的多发地,同时湿地及野外输电线电导率低,容易导电,也是雷电多发地。

2 雷电流模型及其传播

根据IEC 62305-1规范,首次雷击的电流参数幅值为 100～200 kA,如典型雷电压的波形为10/350μs及雷电流波形8/20μs等[46]。

对于10/350μs的雷电压脉冲波形采用双指数函数形式描述为

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

10/350μs的雷电压脉冲波形如图1所示(波形采用Matlab仿真)。

图1 10/350μs的雷电压脉冲波形

对于8/20μs雷电流脉冲波形采用幂级数形式描述为

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

8/20μs电流脉冲波形如图2所示。

图2 8/20μs雷电流脉冲波形

从图1～2可知雷电压及雷电流是一种强大的脉冲放电过程,对电子系统影响最强的雷电是云—地放电的直击雷;但电磁脉冲干扰的传播途径是多渠道的,云—云间的放电、云内放电都会向空间辐射电磁波,对电子系统产生影响;雷电电磁干扰还会通过与系统连接的各种传输线路传播,即电力传输线、信号线、天馈线、地上和地下的电缆线与系统接触的各种金属管道传播至接地系统。

3 雷电脉冲的频谱分析

雷电压及雷电流在时域是一个短时强脉冲过程,对雷电压及雷电流进行频谱分析,对式(1)进行傅立叶变换,得出

式(5)的频谱结构如图3所示。对于8/20μs雷电流脉冲波形的频谱结构如图4所示。

图3 10/350μs的雷电压脉冲的频谱结构

图4 8/20μs的雷电流脉冲的频谱结构

从频谱结构可知,脉冲信号上升时间越短,其频谱越宽,谱线变化越缓慢,而雷电脉冲是在几微秒到几十微秒从几千安上升到几百千安的强大脉冲,具有很宽的频谱,其频谱可达几十千赫兹,在这里注意对应频率谱线值的大小,对应的频率是雷电干扰信号对应频率的幅值的大小,不能只关注频谱宽度,要关注在这些频率上的能量大小,在设计防雷强度时需要进行分析。

4 雷电电磁干扰的防治

从雷电流模型的波形及频谱结构可知,雷电流非常大并且具有一定的频谱宽度,通常认为集成电路装置的受损能量级为100 mJ,雷电流会在很宽的频率范围内使电路工作混乱或损坏。虽然雷电流的高频部分幅值很小,但仍能影响电子电路正常工作,电子电路还会受到空中电磁脉冲的影响。

电磁脉冲干扰的三要素:干扰源、传播途径及敏感设备。电子系统雷电干扰分析中,雷电脉冲作为干扰源,电子系统为敏感设备,为使电子系统能正常工作,雷电的防治就要从传播途径上考虑,为使电子系统在雷电条件下能正常工作,应从以下几方面对电子系统进行保护。

4.1 防雷保护

信号线、天馈线连接电子系统的接口,是电磁脉冲过电压进入系统的另一通道,入室前应有不小于30 m的地下水平铺设,深度不小于0.5 m,如果不是缆线,可通过穿入铁管后进行,但铁管要良好接地;信号线、天馈线入室后用合适的浪涌保护器做过电压保护,以免过电压进入损坏接口,同时系统的接口要做好接地保护。信号线、天馈线一般不与电源线平行铺设,使信号线、天馈线免受电源电磁干扰,如果信号线、天馈线与电源线在同一坑道铺设,信号线、天馈线与电源线的距离应至少不小于0.5 m。

4.2 电磁屏蔽保护

电子系统随着集成微电子技术的发展,芯片的尺寸越来越小,系统信号电压越来越低,产品的电磁兼容能力下降,很容易遭受电磁脉冲过电压的袭击,使电子系统工作混乱或损毁。在模拟试验中,当电磁脉冲产生的磁感应强度超过7×10-6T时,能使计算机发生误动作,而磁感应强度超过2.4× 10-4T时,会使元件永久性损坏。而云—地闪电、云—云闪电及云内闪电电磁脉冲干扰的范围可能使其数百米甚至上千米范围内的电子信息系统遭受破坏或使系统误动作,防御空间电磁脉冲干扰最有效的方法是在电子信息系统周围做一个电磁屏蔽笼,使其免受空间各种电磁波的干扰。

如果系统需要严格屏蔽时,必须注意门、通风窗、电源进线及信号进出孔的屏蔽及墙体屏蔽材料连接处的连接,屏蔽门要比实际的大,缝隙处要用导电材料,使其不能漏磁,通风窗一般采用截止波导式结构,截止波导的孔径、深度等几何尺寸要根据屏蔽室的屏蔽效能来决定,电源进线及信号进出孔不能有缝隙,同时电源线及信号线应用屏蔽线,墙体屏蔽材料连接处用导电胶或用焊直接焊接,屏蔽室要良好接地,接地电阻一般为1～2Ω,这样才能做好屏蔽室[7-11]。

4.3 电子系统的接地

接地是防雷保护中的重要环节,各种雷电电磁脉冲过电压都将通过接地系统导入大地,没有良好的接地装置,就不能有效地保护系统。接地网设计时遵循:a)尽量采用建筑地基的钢筋和自然金属接地物作为接地网;b)尽量以自然接地物为基础,辅以人工接地物作补充,外形尽可能采用闭合环形;c)应采用同一接地网,用一点接地的方式。

电子系统的接地一般采用一点接地,如果系统复杂可采用混合接地方式,接地端应在抗干扰能力差的一端,以免因接地对系统引入地电位反击干扰。

5 结束语

通过对雷电流脉冲及其频谱的分析,雷电脉冲在一个很宽的频谱范围内对电子系统产生干扰,甚至使电子系统损坏,因此必须对电子系统进行防雷保护,使系统免受雷电的袭击,电子系统如果安装在一栋大楼内,在雷电防护中,应将电子系统安装在大楼的中央部位,这样防雷引线中有浪涌流过时,对电子系统的影响会小些,同时系统不要紧靠墙壁安装,因为建筑物中的金属框架,是建筑防雷的一部分,安放位置须离墙体不小于1 m;对重要的电子系统,一定要做好屏蔽,防止强电磁脉冲的干扰。总之,雷电脉冲干扰防治要做到综合防治,注意各个细节,这样才能确保电子信息系统安全运行。

[1] 周 鹏.变电站内弱电设备的浪涌抑制[J].高电压技术, 2004,(3):43-45.

[2] 莫付江,阮江军,陈允平.浪涌抑制与电磁兼容[J].电网技术,2004,(3):69-72.

[3] 何 山,武尚德.信息设备及系统的供电、接地和防雷[J].电力自动化设备,2001,(8):5761.

[4] 李清泉,袁鹏,李彦明.雷击建筑物时的雷电流分布研究[J].中国电力,2002,(7):52-55.

[5] IEC.IEC 61312-1 Protection Against Lightning Electromagnetic Impulse Part 1:General Principles[S].北京:中国标准出版社,1995.

[6] 周佩白,鲁君伟,傅正财,等.电磁兼容问题的计算机模拟与仿真技术[M].北京:中国电力出版社,2006.

[7] 高攸纲.屏蔽与接地[M].北京:北京邮电大学出版社,2004.

[8] 周开基,赵 刚.电磁兼容性原理[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2003.

[9] 路洪敏,赵永久,朱满座.电磁场与电磁波基础[M].北京:科学出版社,2006.

[10] 张小青.建筑物内电子设备的防雷保护[M].北京:电子工业出版社,2000.

[11] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T21431—2008建筑物防雷装置检测技术规范[S].北京:中国标准出版社,2008.

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)。

张殿江,天津市静海县气象局副局长,工程师,自1989年以来长期从事防雷检测以及防雷设计工作。