雷电电磁脉冲及其防护

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1、雷电电磁脉冲及其防护1、雷电电磁脉冲的物理特性(1)物理特性从积雨云的密布到发生闪电，会出现三种物理现象。①云中静止电荷产生的静电场，产生静电感应现象，地面及各种导体会产生感应电荷，呈观静电场的作用。这种作用随着距离的增大而迅速减小，与距离的三次方成反比。②积雨云中电荷的移动（包括闪电）会产生磁场，若磁场强度发生变化就会出现电磁感应现象，这就是感应场产生的作用。这种作用随着距离的增大而减小较快，与距离的平方成反比。③闪电发生时，会出现电磁波辐射。这种辐射场也随距离增大而减小，但比较缓慢，它与距离的一次方成反比。除了注意上述三种物理现象，更应密切注意雷电流的变化特性，因为雷电的破

2、坏作用与雷电流的峰值和波形密切相关。现代防雷装置正是根据雷电流的物理特性设计的，其主要的物理特性是：①峰值电流决定闪电的机械力和电力的作用大小以及雷灾的危害程度；②到达峰值的时间，数值愈小，冲击力愈大，在选用防雷元器件时应考虑响应速度；③最大电流变化率决定了闪电的电磁感应强弱，是电子设备防雷技术中应特别重视的参量，因为电子设备防雷技术中主要是对感应雷的防护；④半峰值时间或到达波尾中间的时间，是指回击电流减小到峰值一半时的时间，这个时间越长，热效应越大，容易造成元器件的损坏，也容易引起火灾。超过lOO}上s就属于热闪电了。(2)雷电电磁脉冲的频谱分析雷电电磁脉冲的频谱是研究避雷的

3、重要依据，从频谱结构可以获得雷电电磁脉冲电压、电流的能量在各频段的分布。根据这些资料可以估算通信设备或系统在其频率范围内可能遭受到的雷电冲击的幅度和能量大小，并以此作为确定避雷措施的参数。①雷电流峰值比率的频率分析雷电流峰值比率的频率分布是指在雷电流的频谱范围内，每一个频率的电流峰值与雷电流峰值之比的频率分布。雷电流主要贫布在低频部分，随频率升高迅速递减。电波的波头越陡，高次谐波越丰富，波尾越长，低频部分越丰富。②电流峰值比率积累的频率分布雷电流的破坏作用主要表现在对设备的过电压击穿和冲击能量过大的热击穿。研究雷电过电压比率集中的频段，一旦设备对大地的阻抗测知后，便可转变为通过

4、研究雷电流峰值比率集中的频段来获得。通过研究可见，波头越陡，受雷电影响的频率范围越宽。(3)雷电电磁脉冲能量比率积累的频率分布若负载为纯电阻，那么在同一负载上，功率只与通过它的电流平方成正比。雷电电磁脉冲能量比率积累的频率分布表明，低频部分增值快，频率越高增值越慢。90%以上的雷电能量都分布在十几千赫兹以内，因此对于通信网路，只要防止十几千赫兹以内的雷电电磁脉冲侵入，就可以把雷电电磁脉冲的90%能量抑制，即可以采用高通滤波器来实现。2、雷电电磁脉冲的传播途径雷电电磁脉冲传播的途径主要为传导和辐射两大类。(1)传导耦合①阻抗耦合当雷电流流经接地引下体时，因为引下体和接地线的装置都

5、具有电阻和电感，所以高幅值和快速变化的雷电流将在引下体上产生很高的电位降。雷电流引起的对地电位很高，尽管高压持续时间很短（小于21us），但足以引起引下体与附近导体间的击穿放电。②静电感应耦合在雷电开始瞬间，由于静电场作用，在输电线和各类信号线上感应带电，感应电荷迅速聚集到先导通道附近。在先导放电通道附近的各类金属物体上也因静电场作用而感应带电。主放电开始后，由于主放电发展速度很快，在主放电通道中正负电荷剧烈中和，附近金属物上的感应电荷不能以相应的速度流散，于是也将产生很高的静电感应电压。导线上的感应电荷向两端流散，形成感应过电压波，沿着输电线、信号线窜人配电设备，窜人信号线终

6、端设备，造成设备和系统的损坏。为防止静电感应电压的危害，应将建筑物的金属屋顶、高层建筑物上的各类金属物体以及房屋内的大型金属物品、金属管道等全部良好接地。③电磁感应耦合闪电放电时，由于闪电电流有很大的峰值和变化率，即陡度很大，在放电通道周围将激发强磁场和感应电场，使回路中产生感应电压和感应电流。如果导体有开口或间隙，此处产生的感应电压足以使空气击穿放电，金属物体上产生的感应电流会使物体局部发热。为了消除或减小感应电压，应该将建筑物内相互靠近的金属物体进行良好的等电位连接。由电磁感应引超的电压极易超过电子设备内的集成电路等元器件所允许的极限值。④电容耦合产生的电压闪电放电之前，积

7、雨云附近的地面物体所感应的电荷增加速度较慢，接地导体上的电位变化不明显。当闪电击中地面物时，接地物体上的电荷将重新分布，这将导致电流的流动，在接地物体的电阻两端产生电压降。这样在接地良好的物体上由电容感应产生的电压就会很小，否则就应考虑它造成的影响。因此，在易燃物储存场所内，不允许长时间放置不接地的金属物和导线。(2)辐射耦合辐射耦合是指雷电电磁脉冲干扰能量以电磁场的形式，通过空间耦合到接收器上。辐射的耦合方式主要包括空间电磁波至接收天线的耦合；空间电磁波对电缆的耦合；电缆对电缆的耦合等。闪