雷電電磁感應講義

引言

電磁兼容（EMC）是近年來發展很快并受到廣泛重視的學科領域。IEC（國際電工委員會）對EMC的定義是：“設備或系統在其電磁環境中能正常工作，且不對該環境中任何事物產生不允許的電磁騷擾的能力”。電磁騷擾（EMD）定義是：任何可能引起設備或系統性能降低或對有生命及無生命物質產生損害作用的電磁現象。電磁騷擾可能是電磁噪聲，無用信號或傳播媒介自身的變化。電磁噪聲與EMD術語有相似的含義，指“一種明顯不傳送信息的時變電磁現象，它可能與有用信號疊加或組合。”電磁騷擾源分為自然騷擾源和人為騷擾源。

典型的自然騷擾源有：

1、  雷擊電磁脈沖LEMP，又稱大氣噪聲；

2、  太陽噪聲，太陽黑子活動時產生的磁暴；

3、  宇宙噪聲，來自銀河系；

4、  靜電放電ESD；

人為騷擾源較多，典型的有：

1、  電力網絡中操作過電壓SEMP；

2、  核致電磁脈沖NEMP；

3、  高壓配電系統對地短路造成過電壓；

其它家電、高頻設備、電力設備、內燃機、無線電發射和接收設備、高速數字電路設備等，通過放電噪聲、接觸噪聲、過渡現象、反射現象、非功能性噪聲和無用信號等電磁騷擾的發生機理均會造成電磁干擾。

在IEC61312-1中對LEMP定義為：“作為干擾源的閃電電流和閃電電磁場。”GB50057-94局部修改條文定義為：“作為干擾源的直接雷擊和附近雷擊所引起的效應。絕大多數是通過連接導體的干擾，如雷電流或部分雷電流，被雷電擊中的裝置的電位升高以及磁輻射干擾。”LEMP屬由于放電而產生的噪聲，由于雷云之間或雷云與大地之間產生火花放電，往往伴隨著急劇的電流、電壓的瞬時變化，即di/dt或du/dt很大。與NEMP相比LEMP的電磁場強度、陡度和破壞范圍都弱得多，但雷電這一大氣物理現象，每次釋放的數百兆焦爾（MJ）能量與足可影響敏感設備的毫焦爾（mJ）能量相比相差懸殊。1971年美國通用研究公司R·D希爾用仿真試驗建立模式證明：由于雷電干擾，對無屏蔽的計算機當磁感應強度Bm=0.07GS時，計算機會誤動作；當Bd=2.4GS時，計算機設備會永久性損壞。隨著人類在1973年將1萬個元件安置在1cm2面積上標志著進入信息時代，這個數值在逐漸變小。

特別是電子技術從本世紀六十年代的電子管元器件發展到八十年代大型集成電路以來，元件的耐受能量已由0.1~10J降至10―8~10―6J，因而設備損壞率驟然升高。各種設備、元件摧毀能量參見圖1。

一位奧地利人對其所在地區自1960年~1992年間雷擊損失保險理賠件數進行過統計，發現在這33年中，該地區因直接雷擊造成的事故（火災、建筑物破壞等）每年都約為100起左右，而電子設備的損壞卻由1960年的931起上升到1992年的23768起！[圖2]

圖3是慕尼黑TELA保險公司的損害分析，說明雷害損失從1978年到1994年的17年中上升了400%。而德國法蘭克福ELELTRA保險公司的統計說明在1994年的災害賠償中雷擊過電壓損失占33.8%，為第一位（圖4）。這種雷擊災害的損失與我國近年來的情況基本相同。我國城市中的雷擊電子設備損害可占雷電災害總損失的80%以上。鑒于上述原因，IEC61312-1

標準中“引言”稱“鑒于各種類型的電子系統，包括計算機、電信設備、控制系統等（在本標準中稱之為信息系統）的應用在不斷增加，使本國際標準的制定成為必需。這樣的信息系統用于商業及工業的許多部門，包括高資金投入、大規模及高度復雜的工業控制系統，對這樣的系統從代價和安全方面考慮非常不希望由雷電導致系統運轉的停頓。”

現代防雷技術是一系統工程

現代防雷技術涉及到許多行業，其中有使用維護系統、設計施工系統、設備生產制造系統、防雷裝置生產、檢測系統等。從技術角度上看也是一系統工程。系統結構愈合理，系統的各個組成部分（或要素）之間的有機結合就越合理，相互之間的作用就越協調，才能使整個系統在總體上達到最佳的運行狀態。

比如防雷設計首先要從被保護物所在地理、氣象環境出發，要從被保護物的重要性和復雜性以及雷擊的后果嚴重程度出發。在設計中要考慮現有的保護裝置的有效利用，要與供電系統的型式、暴露程度，所有線纜的架設，設備自身的耐壓水平，選用防雷裝置的特性及其有機配合，以及裝設后對設備的正常工作是否產生不允許的影響，雷擊發生后的反應和自復能力等等復雜的因素進行綜合考慮，當然，還應考慮投資與效益的關系。

由于現代電子設備除受雷電干擾外，尚有大量的自然干擾源和人為干擾源，整個防護系統應從EMC這一主題開始進行。EMC有三項主要因素必須認真考慮：干擾源、耦合機制和設備的EMC水平或稱抗擾性（抗擾性水平）。EMC干擾源、耦合機制和抗干擾措施綜合示意圖可參見圖5。

圖5 EMC干擾、耦合和抗干擾措施綜合示意圖

前面我們曾提到中國電力科學研究院許穎副院長的“三條防線”原則：（1）將絕大部分雷電流直接引入地中泄散；（2）阻塞侵入波沿引入線進入設備的過電壓；（3）限制被保護物上雷電過電壓的幅值。三條防線，互相配合，各行其責，缺一不可。鑒于有人一再片面宣傳“傳統防雷系統有缺陷”，“避雷針起到引火燒身的作用，”并由此推理推薦使用“消雷器”因而有必要介紹IEC61312-1。對外部防雷裝置的功能評價。（見圖6）

圖6

在IEC標準中對進入建筑物的各種設施之間的雷電流分配進行了估算，認為全部雷電流有50%經外部防雷裝置而安全導入大地，剩余的50%雷電流將平均分配到進入建筑物的各種設施上。這也為估算電源線、信號線上的過電壓、過電流水平提供了理論依據。

在GB50057-94局部條文修訂條文（征求意見稿）中特別指出：“一個信息系統可能設于這樣的建筑物內，該建筑物按本規范第二章的規定不屬于任何一類防雷建筑物，即不需要防直擊雷，在這種情況下，當信息系統按本節第6.1.1條的規定（注：是否需要防LEMP，應從經濟合理考慮，對投資與間接損失分析）需要防LEMP時，該建筑物宜按第三類防雷建筑物采取防雷措施。”

電磁耦合過程

IEC61312-1附錄D關于雷電電磁耦合過程的全文如下：

D．1耦合機理：

為了實用目的同時為了使用帶有集總參數的等效電路來進行研究，將耦合過程分為電阻性耦合、磁場耦合、電場耦合是有好處的。由于直接雷擊而對信息系統的瞬態耦合可起因于下列不同的機理：

·         電阻性耦合(例如：由于接地電阻或電纜屏蔽層電阻引起的耦合)。

·         磁場耦合(例如：由于裝置構成的環路或連接線的電感引起的耦合)。

·         電場耦合(例如：由于桿狀天線引起的耦合)。

由建筑物內設備引起的電場耦合通常比磁場耦合小。耦合受以下因素影響：

·         接地

·         等電位連接

·         屏蔽

·         金屬導體的走向與布局

D．2電阻性耦合：

當建筑物遭到雷擊時，入地的雷電流通常在防雷裝置與遠處大地之間產生幾百 KV量級的電壓，此電壓值取決于接地電阻值。這是與建筑物有等電位連接并接至遠處大地的外來導體(如電線)，有局部雷電流流過的原因。電纜屏蔽層流過的局部雷電流導致在內部芯線與屏蔽層間產生電壓。

D．3磁場耦合：

雷電流不論其在導體中流過或在雷電通道中流過，都產生磁場，該磁場在遠至100米的范圍內，其強度正比于電流隨時間的變化速率。磁場強度H(t)是與傳導雷電流i單一長直通路中心間的距離r成反比。

H(t)=i(t)／2πr

某些情況下可應用這一公式作簡單的估算，但在大多數情況下應對磁場作詳細的分析。在磁場與導體有關聯的地方，它就在環路(由這些導體構成)中產生與dH/dt成正比的電壓。這就稱之為磁感應。

D．4電場耦合：

在形成主放電之前的瞬間必須考慮在整個雷擊區(由雷擊點起最遠大約100米范圍)內達到空氣擊穿放電場強(在500KV／m的范圍內)的各個場強。主放電形成后，就必須考慮電場的衰減消失以及電場變化率，其值在500（KVm）/μs范圍內。

雷電流電磁耦合過程分析

做為干擾源的雷電電流和雷擊電磁場主要是通過路和場二種形式耦合干擾信息系統的電子設備的。

其一、通過導線傳導，即通過設備的信號線、控制線、電源線等侵入設備，統稱傳導干擾。

其二、雷擊周圍空間存在的電場和磁場，會對鄰近設備產生干擾，叫近場耦合干擾。當雷擊能量以電磁波的形式向遠處傳輸，從而干擾遠處的設備時，稱為遠場輻射干擾。這兩種形式可稱為輻射干擾，即通過場的干擾。

1．電流耦合：

當雷閃擊在接閃器（或建筑物的金屬構件）上，雖然接閃器、引下線和接地裝置的阻值很小，但由于雷電流幅值大，陡度（di/dt）大，會在瞬間使引下線和接地裝置的電位驟升上百千伏（對遠處大地一零電位而言）。如圖7所示，當di/dt=100KA/μs時，在圖中所示的回路上產生的感應電壓Ust=200KV。同理，當有屏蔽層的電纜流過雷電流時，di/dt和屏蔽金屬層的電阻也會使芯線與屏蔽層間產生感應電壓。

在有相當高的電位差的引下線與建筑物內金屬線纜之間、在屏蔽電纜的外皮與芯線之間、在不同的接地裝置之間均有可能發生放電現象，這種現象稱為閃絡，跳擊或反擊。

2．磁場耦合和電場耦合：

雷電通道中（或接閃器、引下線的導體中）的雷電流產生的電場和磁場會在閉合環路中產生感應電壓，從而對環路（及環路中的設備產生干擾。在場的干擾中可分為近場（感應場）和遠場（輻射場）當干擾源與設備的間距r相對于干擾信號的波長λ很大（r＞λ/2π）時，干擾源的性質表現為輻射干擾源，其場的性質是輻射電磁場，其特點是電場和磁場同時存在，它們的比值（電磁波的波阻抗）Z=E/H=377Ω。當r＜λ/2π時為傳導干擾源，其場的性質表現為傳導干擾源，其場的性質主要表現為電場或主要表現為磁場，視干擾源的性質而定。高電壓，電流小的源，其場主要為電場、Z＞377Ω；電壓低，電流大的源，其場主要表現為磁場，磁場的Z＜377Ω。電場或磁場都屬于近場（感應場、似穩態場、準穩態場），其干擾頻率一般都比較低。

當空氣擊穿放電的電場強度值在500KV/m范圍時，在從雷擊點至100m的范圍內，可能受電場影響耦合產生過電壓，雖然此時雷擊主放電尚未發生。在雷擊發生之后，雷電電場衰減消失，這時電場的變化率在500（kV/m）/μs范圍內仍起耦合作用。

3．電容耦合：（電場耦合）

任何兩塊金屬之間都存在著電容，其間距越大，電容越小；金屬塊的尺寸越大，電容越大。雷電電場可通過場的形式（如上一節所述）耦合干擾設備。也可以通過流經的導體構成騷擾源電路干擾接收線路。由電容耦合在接收電路上產生的電壓U2與雷電流流過的電路上電壓U1關系式如下：

U2= Z2/(Xcm+Z2)*U1，說明電場耦合量隨頻率升高而增加。

4．橫向干擾（線間）

騷擾電流在導線上傳輸時有共模方式和差模方式兩種方式。IEC把在一組有效導體中任意兩導體之間的電壓稱為差模電壓或對稱電壓，也叫為橫向電壓，如圖10所示的VL或VQ。差模電壓是由差模電流流過而產生的，而差模電流則可能因雷擊造成在不同導體（如相線、中性線）流過大小相同，方向相反的電流。此外，當一次雷擊過程中有多次閃擊時它們有大小和發生先后的區別，因此在不同的導體上也可能產生電位差而侵入設備，這種橫向干擾又稱錯相位雷擊。相對于橫向干擾的另一種形式為縱向干擾，又稱共模干擾或不對稱電壓，是指某一導體和所規定的參比點之間（往往是大地或與大地連接的機架）出現的相量電壓的平均值，也可以說共模干擾是出現于導線與地之間的干擾，常是因地電位升高引起的。

綜上分析，雷電可能閃擊到建筑物上，除部分雷電流沿接地裝置泄散外，尚有部分雷電流可沿進入建筑物的各種金屬管線侵入。在高壓輸電線路上發生雷擊時，線路上產生的過電壓也會沿線路傳送，直到變壓器的低壓側，造成設備的損壞。此外，可能通過各種耦合機制使設備誤動作或損壞。

雷電防護區

按EMC原理將建筑物按需要防護的空間由表及里劃分為不同的雷電防護區（LPZ），有如下實際意義：

·         可以計算出各LPZ內空間雷擊電磁脈沖的強度，以確認是否需采取進一步的屏蔽措施。

·         可以確定等電位連接的位置（一般是各LPZ區交界處）。

·         可以確定在不同LPZ交界處選用電涌保護器的具體指標。

·         可以選定敏感電子設備的安全放置位置。

·         可以確定在不同LPZ交界處等電位連接導體的最小芯線截面。

IEC61312-1將LPZ分為以下各區：

LPZ 0A：直擊雷非防護區：本區內的各物體都可能遭到直接雷擊和導走全部雷電流，本區內的電磁場沒有衰減，屬完全暴露的未設防區。

LPZ 0B：直擊雷防護區：本區內的各物體很少遭到直接雷擊，但本區內電磁場沒有衰減，屬充分暴露的直擊雷防護區。（本區一般在外部防雷裝置接閃器保護范圍之內，從理論上本區不可能遭受直擊雷，而事實上有這種可能）

LPZ 1：第一屏蔽防護區：本區內的各物體不可能遭到直接雷擊，在本區內所有導電部件上的雷電流比LPZ 0區內的電流進一步減小。本區內的電磁場因屏蔽措施而有所衰減。（本區一般指在鋼筋結構的建筑物內）

LPZ 2：第二屏蔽防護區：為了進一步減小導電部件上的雷電流和電磁場而引入的后續雷電保護區。

LPZ n：第n屏蔽防護區：需要進一步減小雷擊電磁脈沖以保護敏感度水平高的設備的后續雷電保護區。

對一座建筑物，可以分為若干個雷電防護區，見圖11，此圖分析了LPZ的劃分并指出了做等電位連接的位置。