張殿江

(天津市靜?？h氣象局,天津 301600)

電子系統(tǒng)雷電電磁干擾及防治

張殿江

(天津市靜?？h氣象局,天津 301600)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電子技術(shù)正在向高頻率、高速度、高可靠性、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展,而雷電電磁干擾造成的事故逐年增多,造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。為了有效地保護(hù)電子設(shè)備,防止雷電電磁干擾,分析了雷電的產(chǎn)生、雷電流時域模型及其頻譜特性,并對雷電電磁干擾及其傳播方式進(jìn)行了分析,得出了雷電電磁干擾對電子系統(tǒng)干擾的傳播途徑,由此得到電子系統(tǒng)雷電電磁干擾的防治方法,結(jié)論對電子系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)具有參考作用。

電子系統(tǒng);雷電;電磁干擾;防治

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,電子技術(shù)正在向高頻率、高速度、高可靠性、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展,在產(chǎn)品的體積、功耗及價(jià)格大幅下降的同時,對電源和信號中出現(xiàn)的各種電磁干擾也極為敏感,而抵抗能力卻非常脆弱。通常的電磁干擾有:雷電、靜電放電、操作過電壓和工頻過電壓,其中雷電電磁干擾的破壞性最大,通常會造成設(shè)備的介電常數(shù)下降,敏感設(shè)備中的電子器件損壞,保護(hù)裝置、監(jiān)控系統(tǒng)誤動作,甚至停機(jī)停產(chǎn)。因此電子信息系統(tǒng)防雷電電磁脈沖干擾的問題已引起普遍關(guān)注。雷電電磁干擾危害主要是雷電傳播及雷電電磁感應(yīng)。由雷電傳播及雷電電磁脈沖的耦合效應(yīng)造成的危害,應(yīng)根據(jù)雷電電磁脈沖的產(chǎn)生、傳播特性及電磁耦合途徑進(jìn)行防治[1-3]。

1 雷電的產(chǎn)生

雷電是大氣間的自然放電現(xiàn)象。大氣運(yùn)動時產(chǎn)生包括水汽、塵埃等空間的懸浮物在云體內(nèi)形成電荷的積累,由于正、負(fù)電荷的積累使云體帶電,當(dāng)電場強(qiáng)度不小于25～30 kV/cm時,會擊穿空間的空氣產(chǎn)生放電現(xiàn)象即雷電。雷電分為云—地、云—云及云內(nèi)三種。在閃電過程中,將有強(qiáng)大的瞬時電流,釋放巨大能量,形成強(qiáng)烈的光亮和爆炸聲,閃擊通道急劇升溫,閃擊通道中強(qiáng)大的瞬間電流會在周圍形成非常大的瞬變電磁場。云—地雷電就是云與地的放電過程形成的,常規(guī)防雷就是預(yù)防云—地閃電。

自然界中云—地雷電產(chǎn)生的位置不僅與發(fā)生雷電處的電場強(qiáng)度有關(guān),還與該處的電導(dǎo)率有關(guān),因?yàn)楦呱?、高大建筑物及平原突出物的電場?qiáng)度大,會比相鄰的其他地方容易達(dá)到擊穿電場強(qiáng)度,產(chǎn)生擊穿而發(fā)生雷電,因此是雷電的多發(fā)地,同時濕地及野外輸電線電導(dǎo)率低,容易導(dǎo)電,也是雷電多發(fā)地。

2 雷電流模型及其傳播

根據(jù)IEC 62305-1規(guī)范,首次雷擊的電流參數(shù)幅值為 100～200 kA,如典型雷電壓的波形為10/350μs及雷電流波形8/20μs等[46]。

對于10/350μs的雷電壓脈沖波形采用雙指數(shù)函數(shù)形式描述為

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

10/350μs的雷電壓脈沖波形如圖1所示(波形采用Matlab仿真)。

圖1 10/350μs的雷電壓脈沖波形

對于8/20μs雷電流脈沖波形采用冪級數(shù)形式描述為

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

8/20μs電流脈沖波形如圖2所示。

圖2 8/20μs雷電流脈沖波形

從圖1～2可知雷電壓及雷電流是一種強(qiáng)大的脈沖放電過程,對電子系統(tǒng)影響最強(qiáng)的雷電是云—地放電的直擊雷;但電磁脈沖干擾的傳播途徑是多渠道的,云—云間的放電、云內(nèi)放電都會向空間輻射電磁波,對電子系統(tǒng)產(chǎn)生影響;雷電電磁干擾還會通過與系統(tǒng)連接的各種傳輸線路傳播,即電力傳輸線、信號線、天饋線、地上和地下的電纜線與系統(tǒng)接觸的各種金屬管道傳播至接地系統(tǒng)。

3 雷電脈沖的頻譜分析

雷電壓及雷電流在時域是一個短時強(qiáng)脈沖過程,對雷電壓及雷電流進(jìn)行頻譜分析,對式(1)進(jìn)行傅立葉變換,得出

式(5)的頻譜結(jié)構(gòu)如圖3所示。對于8/20μs雷電流脈沖波形的頻譜結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 10/350μs的雷電壓脈沖的頻譜結(jié)構(gòu)

圖4 8/20μs的雷電流脈沖的頻譜結(jié)構(gòu)

從頻譜結(jié)構(gòu)可知,脈沖信號上升時間越短,其頻譜越寬,譜線變化越緩慢,而雷電脈沖是在幾微秒到幾十微秒從幾千安上升到幾百千安的強(qiáng)大脈沖,具有很寬的頻譜,其頻譜可達(dá)幾十千赫茲,在這里注意對應(yīng)頻率譜線值的大小,對應(yīng)的頻率是雷電干擾信號對應(yīng)頻率的幅值的大小,不能只關(guān)注頻譜寬度,要關(guān)注在這些頻率上的能量大小,在設(shè)計(jì)防雷強(qiáng)度時需要進(jìn)行分析。

4 雷電電磁干擾的防治

從雷電流模型的波形及頻譜結(jié)構(gòu)可知,雷電流非常大并且具有一定的頻譜寬度,通常認(rèn)為集成電路裝置的受損能量級為100 mJ,雷電流會在很寬的頻率范圍內(nèi)使電路工作混亂或損壞。雖然雷電流的高頻部分幅值很小,但仍能影響電子電路正常工作,電子電路還會受到空中電磁脈沖的影響。

電磁脈沖干擾的三要素:干擾源、傳播途徑及敏感設(shè)備。電子系統(tǒng)雷電干擾分析中,雷電脈沖作為干擾源,電子系統(tǒng)為敏感設(shè)備,為使電子系統(tǒng)能正常工作,雷電的防治就要從傳播途徑上考慮,為使電子系統(tǒng)在雷電條件下能正常工作,應(yīng)從以下幾方面對電子系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

4.1 防雷保護(hù)

信號線、天饋線連接電子系統(tǒng)的接口,是電磁脈沖過電壓進(jìn)入系統(tǒng)的另一通道,入室前應(yīng)有不小于30 m的地下水平鋪設(shè),深度不小于0.5 m,如果不是纜線,可通過穿入鐵管后進(jìn)行,但鐵管要良好接地;信號線、天饋線入室后用合適的浪涌保護(hù)器做過電壓保護(hù),以免過電壓進(jìn)入損壞接口,同時系統(tǒng)的接口要做好接地保護(hù)。信號線、天饋線一般不與電源線平行鋪設(shè),使信號線、天饋線免受電源電磁干擾,如果信號線、天饋線與電源線在同一坑道鋪設(shè),信號線、天饋線與電源線的距離應(yīng)至少不小于0.5 m。

4.2 電磁屏蔽保護(hù)

電子系統(tǒng)隨著集成微電子技術(shù)的發(fā)展,芯片的尺寸越來越小,系統(tǒng)信號電壓越來越低,產(chǎn)品的電磁兼容能力下降,很容易遭受電磁脈沖過電壓的襲擊,使電子系統(tǒng)工作混亂或損毀。在模擬試驗(yàn)中,當(dāng)電磁脈沖產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過7×10-6T時,能使計(jì)算機(jī)發(fā)生誤動作,而磁感應(yīng)強(qiáng)度超過2.4× 10-4T時,會使元件永久性損壞。而云—地閃電、云—云閃電及云內(nèi)閃電電磁脈沖干擾的范圍可能使其數(shù)百米甚至上千米范圍內(nèi)的電子信息系統(tǒng)遭受破壞或使系統(tǒng)誤動作,防御空間電磁脈沖干擾最有效的方法是在電子信息系統(tǒng)周圍做一個電磁屏蔽籠,使其免受空間各種電磁波的干擾。

如果系統(tǒng)需要嚴(yán)格屏蔽時,必須注意門、通風(fēng)窗、電源進(jìn)線及信號進(jìn)出孔的屏蔽及墻體屏蔽材料連接處的連接,屏蔽門要比實(shí)際的大,縫隙處要用導(dǎo)電材料,使其不能漏磁,通風(fēng)窗一般采用截止波導(dǎo)式結(jié)構(gòu),截止波導(dǎo)的孔徑、深度等幾何尺寸要根據(jù)屏蔽室的屏蔽效能來決定,電源進(jìn)線及信號進(jìn)出孔不能有縫隙,同時電源線及信號線應(yīng)用屏蔽線,墻體屏蔽材料連接處用導(dǎo)電膠或用焊直接焊接,屏蔽室要良好接地,接地電阻一般為1～2Ω,這樣才能做好屏蔽室[7-11]。

4.3 電子系統(tǒng)的接地

接地是防雷保護(hù)中的重要環(huán)節(jié),各種雷電電磁脈沖過電壓都將通過接地系統(tǒng)導(dǎo)入大地,沒有良好的接地裝置,就不能有效地保護(hù)系統(tǒng)。接地網(wǎng)設(shè)計(jì)時遵循:a)盡量采用建筑地基的鋼筋和自然金屬接地物作為接地網(wǎng);b)盡量以自然接地物為基礎(chǔ),輔以人工接地物作補(bǔ)充,外形盡可能采用閉合環(huán)形;c)應(yīng)采用同一接地網(wǎng),用一點(diǎn)接地的方式。

電子系統(tǒng)的接地一般采用一點(diǎn)接地,如果系統(tǒng)復(fù)雜可采用混合接地方式,接地端應(yīng)在抗干擾能力差的一端,以免因接地對系統(tǒng)引入地電位反擊干擾。

5 結(jié)束語

通過對雷電流脈沖及其頻譜的分析,雷電脈沖在一個很寬的頻譜范圍內(nèi)對電子系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,甚至使電子系統(tǒng)損壞,因此必須對電子系統(tǒng)進(jìn)行防雷保護(hù),使系統(tǒng)免受雷電的襲擊,電子系統(tǒng)如果安裝在一棟大樓內(nèi),在雷電防護(hù)中,應(yīng)將電子系統(tǒng)安裝在大樓的中央部位,這樣防雷引線中有浪涌流過時,對電子系統(tǒng)的影響會小些,同時系統(tǒng)不要緊靠墻壁安裝,因?yàn)榻ㄖ镏械慕饘倏蚣?是建筑防雷的一部分,安放位置須離墻體不小于1 m;對重要的電子系統(tǒng),一定要做好屏蔽,防止強(qiáng)電磁脈沖的干擾?？傊?雷電脈沖干擾防治要做到綜合防治,注意各個細(xì)節(jié),這樣才能確保電子信息系統(tǒng)安全運(yùn)行。

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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)。

張殿江,天津市靜?？h氣象局副局長,工程師,自1989年以來長期從事防雷檢測以及防雷設(shè)計(jì)工作。