雷电间接脉冲电磁场防护及试验方法

康国耀，胡伟文，陈正举

（深圳市中航比特通讯技术股份有限公司，广东深圳 518057）

0 引言

雷电是自然界最壮观的和重要的大气现象之一，雷电产生的灾害自人类的起源以来，伴随着整个人类的历史，是人类所面临的十大自然灾害之一［1］，人类的历史也是与雷电不断斗争的历史。

现代军事建设进程中，武器装备均朝智能化、小型化及高度机动化的方向发展。由于机动装备在不同环境条件下开展地面行动的主要装备，肩负作战指挥、物资运输及临时开辟阵地等重任［2］，在野外执行军事任务，雷电侵袭是野外环境下装备和人员所面临的最大威胁［3］。为满足机动装备全天候和全地域作战训练的需求，充分保障人员、设备的安全和正常运行，雷电防护已成为机动装备安全性设计的重要组成部分。目前机动设备除直击雷防护装备外，因车辆内部电子设备越来越复杂，由于信号来源路径增多，车内设备［4－6］对雷电的耐受能力下降，系统较以前更容易遭受雷电波入侵［7］，这就需要完备的间接雷击电磁场防护措施及设备，阻断雷击远端后通过电磁场的方式进入到机动装备内，造成车内人员和设备损伤。

以某车脉冲电磁场防护要求为例，间接电磁场指标：电场峰值30 kV／m，上升沿1.4 μs，半高宽25.6 μs；磁场峰值50 A／m，上升沿6.4 μs，半高宽16 μs。对整车进行可靠的雷电防护，了解该整车（建筑物）的防雷区［8］划分，在被保护装置的雷电防护界面处安装合适的电涌保护器（SPD）进行过电压防护外，另外还要做好整车外部防雷和内部防雷等［9］等防护手段，特别设计了整车电磁屏蔽设计［10］，保证脉冲电磁场的整体防护效果。

而目前的现状是电涌保护器（SPD）没有标注间接雷击指标，需将该参数进行数据转换，使其能同时满足《GB／T 18802—2020 低压电涌保护器（SPD）第11 部分：低压电源系统的电涌保护器—性能要求和试验方法》和《GJB 7581—2012 机动通信系统雷电防护要求》的电涌保护器（SPD）参数优选的相关要求，并为后期同类脉冲电磁场的防护提供设计参考。

1 指标分析及SPD选型

以某车（设备最大升起高度约70 m）间接雷击电磁场防护要求为设计要求，如何选择合适参数的电涌保护器（SPD）来进行装车，使其对某通信车电源设备起到很好的雷电防护作用。下面对脉冲电磁场指标转换进行详细分析说明。

雷电电磁脉冲场对车辆使用的各类输入／输出电缆进行感应耦合，根据标准《GB50057—2010 建筑物防雷设计规范》“第6 章节—防雷击电磁脉冲6.3.2 条款”［11］中相关规定的耦合参数对照表，进行参数转换对照，条款规定如下。

当闪电击于建（构）筑物以外附近时，磁场强度应按下列方法计算。

（1）当建筑物和房间无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度，相当于处于LPZ0A和LPZ0B区内的磁场强度，应按下式计算：

式中：H0为无屏蔽时产生的无衰减磁场强度，A／m；i0为最大雷电流，A，按GB 50057 规范中表F.0.1－1、表F.0.1－2 和表F.0.1－3 的规定取值；sa为雷击点与屏蔽空间之间的平均距离，m，按GB 50057 规范中式（6.3.2－6）或式（6.3.2－7）计算［11］。

建筑物防雷分区如图1 所示。

图1 附近雷击时的环境情况

（2）当建筑物或房间有屏蔽时，即在格栅大空间屏蔽内，即在LPZ1 区内的磁场强度，应按下式计算：

式中：H1为格栅形大空间屏蔽内的磁场强度，A／m；SF为屏蔽系数，dB，按表1 的公式计算。

表1 格栅形大空间屏蔽的屏蔽系数

（3）根据已知某车条件进行场值转换如下：变化的电磁场强度及变化率：电场强度30 kV／m，上升沿1.4 μs，半宽高25.6 μs；磁场强度50 A／ms，上升沿6.4 μs，半宽高16 μs。线路长度：最长输出导线距离大于70 m，使用100 m计算。

理论近似磁场强度计算如下：

第1 步，磁场强度取值为50 A／ms；

第2 步，取磁场强度上升沿进行推导，不考虑屏蔽效应对磁场上升沿变化速度的改变，线路屏蔽内磁场强度上升沿为6.4 μs；

第3 步，磁场强度转化为磁感应强度，以真空介质计算B ＝Hμ0＝2π×10－5T；

第4 步，近似计算电源线路围成的区域面积（理想条件下）S线－地＝100 m2，线－地之间的感应电动势（线圈匝数取30，100 m 制作线盘）ε线－地＝NΔΦ／Δt ＝ΔBS／Δt ＝30 000 V，根据脉冲电压折算成雷电冲击电流I冲击电流＝ε线－地／2 ＝15 000 A。

通过本文计算结果和分析可以看出：电场强度30 kV／m和磁场强度50 A／ms 在线缆上可以感应出几百伏到数十千伏的脉冲电压［12］。根据《GB／T 18802.11—2020 低压电涌保护器（SPD）第11 部分：低压电源系统的电涌保护器—性能要求和试验方法》“6 SPD 优选值”章节选SPD通流容量：标称通流In：20 kA（8／20 μs）；最大通流Imax：40 kA（8／20 μs）［13］。

根据《GJB7581—2012 机动通信系统雷电防护要求》第“7.2.2.8 电源线路SPD”章节来对SPD 的限制电压和保护水平进行选型：限制电压小于或等于1.5 kV，电压保护水平等级优选小于或等于1.8 kV［14］。

2 试验验证

脉冲电磁场防护产品的测试依据参数优选标准执行，整车系统的功能验证依据《GJB8848—2016 系统电磁环境效应试验方法》中13.5.2 条的试验方法进行脉冲电磁场效应试验。

2.1 脉冲电场效应试验

试验条件：电场场强为30 kV／m；上升沿为1.4 μs±20%（T：10%～T90%）；半宽高为25.6 μs ± 20%（T：50%～T50%）；电场均匀性为±3 dB。

试验前准备：电场探头采用光纤传输系统引出，标定时以获得实际产生场强与施加电压的关系；以《GJB 8848—2016 系统电磁环境效应试验方法》的“13.5.2.2.试验配置［15］”章节中图20 完成脉冲电场试验均匀域标定配置；在未放置被试品的情况下，将云极板高度调至被试品停放高度加上4 m 的高度，按照图2进行标定，先将1 个电场场强探头布置在位置11，然后将3 个电场场强探头分别布置在位置1～3，开启冲击发生器，设置冲击发生器电压，读取4 个场强探头的电场测量值，确认位置1～3探头点的测量值，符合要求值±3 dB范围内则认为满足要求；位置1～3 的场强标定完成后，保持位置11 的探头位置不变，将3 个电场场强探头再分步依次移至4～6 位置、7～9 位置、10 位置，保持冲击发生器输出设置电压不变，进行位置4～10 的场强测量值标定，以测得电场场强均匀域，并记录标定数据（注：现场数据标定时可根据实际操作方便性，分步完成对所有标定位置点的数据标定）。

图2 脉冲电场场强均匀域探头标定位置

将场强测量探头移除，仅保留位置11 的场强测量探头。

试验方法与步骤如下：按图3 进行邻近雷击脉冲电场试验配置。被试品试前状态检查完成后，根据标定时标记的被试品摆放位置，将被试品驶入脉冲电磁场试验室。被试品处于底盘怠速运行，车控和燃油加热处于上电状态，在车上布置耦合电流监测探头，在车内架设数码相机用于监控显示屏，检查设备和各数据采集通道状态应正常。开启冲击电压发生器，给被试品施加场强为30 kV／m的50%脉冲，记录测量数据，检测车辆是否产生干扰、重启或损坏，记录干扰、重启或损坏现象及相应的试验条件，若无干扰、重启或损坏，施加次数为正负极性各一次，直至完成所有测点相应的测量。将脉冲幅值增加至30 kV／m，记录测量数据，检测车辆是否产生干扰、重启或损坏，记录干扰、重启或损坏现象及相应的试验条件，若无干扰、重启或损坏，重复试验（施加总次数为正负极性各3 次），直至完成所有测点相应的测量。每发次试验中监测被试品状态，并记录测量数据。每次脉冲试验后，进行被试品状态检查。

图3 脉冲电场试验配置示意图

2.2 脉冲磁场效应试验

试验条件：磁场场强为50 A／ms；上升沿为6.4（1 ±20%）μs（T：10%～T90%）；半宽高为16（1 ±20%）μs（T：50%～T50%）；磁场均匀性为0～6 dB。

试验前准备：采用光纤传输系统引出，对试验装置进行标定，以获得实际产生场强与施加电流的关系；以《GJB 8848—2016 系统电磁环境效应试验方法》的“13.5.2.2.试验配置［15］”章节中图19 完成脉冲磁场试验均匀域标定配置；在未放置被试品的情况下，按照图4 进行被试品位于电流环中间试验状态时磁场强度的标定，先将1 个磁场场强探头布置在位置11，然后将3 个磁场场强探头分别布置在位置1～3，开启浪涌发生器，设置浪涌发生器输出电压，读取4 个场强探头的磁场测量值，确认位置1～3 探头点的测量值，符合要求值0～6 dB范围内则认为满足要求；标定完成后，保持位置11的探头位置不变，将3个磁场场强探头再分3步依次移至4～6位置、7～9位置、10位置，保持电涌保护器输出电压不变，进行位置4～10 的场强测量值标定，以测得磁场场强均匀域，并记录标定数据（注：现场数据标定时可根据实际操作方便性，分步完成对所有标定位置点的数据标定）。被试品位于电流环中间试验状态时磁场强度的标定完成后，在未放置被试品的情况下，按照步骤根据图5进行电流环位于被试品两端试验状态时磁场强度的标定。

图4 脉冲磁场标定探头配置（被试品位于电流环中间）

图5 脉冲磁场标定探头配置（电流环位于被试品两端）

将场强测量传感器移除，仅保留位置11 的场强测量传感器，根据标定时标记的被试品摆放位置，将被试品驶入脉冲电磁场试验室，进行上电、调试，产品调试完成后进行试前状态检查。

试验方法与步骤：试验配置分为电流环位于被试品两端和被试品位于电流环中间两种状态。

（1）被试品位于电流环中间的脉冲磁场试验

按图6 进行邻近雷击脉冲磁场试验配置。被试品驶入脉冲磁场试验场地，将车辆接地链连接导线后引至场地水泥地面。被试品处于底盘怠速运行，车控和燃油加热处于上电状态，在车上布置耦合电流监测探头，在车内架设数码相机用于监控显示屏，检查设备和各数据采集通道状态应正常。开启浪涌发生器，给被试品施加场强为50 A／ms的50%脉冲，记录测量数据，检测被试品是否产生干扰、重启或损坏，记录干扰、重启或损坏现象及相应的试验条件，若无干扰、重启或损坏，施加正负极性各一次，直至完成所有测点相应的测量。将脉冲幅值增加至50 A／ms，记录测量数据，检测被试品是否产生干扰、重启或损坏，记录干扰、重启或损坏现象及相应的试验条件，若无干扰、重启或损坏，重复试验（施加总次数为正负极性各3 次），直至完成所有测点相应的测量。每次试验中监测被试品状态，并记录测量数据。每次脉冲试验后，进行被试品状态检查。

图6 脉冲磁场试验被试品放置示意图（被试品位于电流环中间

（2）电流环位于被试品两端的脉冲磁场试验

按图7 进行邻近雷击脉冲磁场试验放置。试验方法与被试品位于电流环中间的脉冲磁场试验方法相同。每发次试验中监测被试品状态，并记录测量数据。每次脉冲试验后，进行被试车辆状态检查。

图7 脉冲磁场试验被试品放置示意图（电流环位于被试品两端）

3 结束语

本文针对目前雷电间接脉冲电磁场防护要求，依据相关标准经过对间接电磁场防护的典型参数理论分析和换算，选择合适的电涌保护器（SPD）实现脉冲电磁场防护；并设计相关的脉冲电磁场效应试验来验证电涌保护器参数选择是否合适，确定电涌保护器的设备参数选型与间接电磁场防护参数二者匹配，为后期同类脉冲电磁场防护提供试验参考。同时在进行建筑物（整车）雷电防护时，了解该建筑物（整车）的防雷区划分，除了在被保护装置的雷电防护界面处安装合适的电涌保护器（SPD）外，根据雷电防护的整体要求，还要做好外部防雷（接闪针网带、引下线和和接地装置）和内部防雷（空间屏蔽、等电位连接和防闪络举例）等防护手段，加强雷电防护能力，保证脉冲电磁场的整体防护效果。