关于雷击电磁脉冲的干扰分析

李志能

摘 要：有关雷击所产生的电磁脉冲及其致使这一现象的干扰因素是当前研究电磁转化的重要课题，而雷击这一自然现象带来了巨大的电子能量，但其能量也被某些因素所干扰。文章旨在从雷击电磁脉冲所产生的原理、入侵方式、耦合方式三方面进行深入探讨。

关键词：脉冲原理；入侵方式；耦合方式

中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）18-0073-02

1 雷击电磁脉冲产生原理

云地闪电产生过程中，雷云的先导通道向地面发展，地面被击物（异性感应电荷）向上发展迎面（或回闪）流注。当先导通道与迎面流注相遇，先导就通过回闪接地，闪电的主放电过程开始。主放电形成后，云层电荷迅速与地面异性感应电荷中和，表现为回击电流迅速上升，其速率可以达到500 kA/us，闪电通道有上公里长。此时，主放电通道中的放电电流是以脉冲形式。平均一次闪电包含了上万个脉冲放电电流过程，平均幅值为几十千伏，持续时间几十至上百微秒。在云地闪形成的先导、主放电过程中，向外辐射高频和甚高频电磁能量，即发出雷击电磁脉冲（LEMP）。当建筑物遭到雷击，雷电流流入接闪器、引下线、均压环和接地体时，在建筑物内部闭合回路也产生瞬变电磁场，产生雷击电磁脉冲高电压。

通过电磁感应的作用，高频脉冲大电流产生的雷击电磁脉冲在闭合导体回路的断开处（或者非闭合导体回路）感应出过电压，在闭合导体环路中感应生成过电流。某实验曾用阶跃电流偶极子天线模型计算雷击电磁脉冲效应，云地放电电流达到11.5 kA，在距离50 m处产生垂直电场强度为40 kV/m，此时在距离地面10 m的架空电线上感应出82 kV的过电压。

总所周知，电子元件耐受能量很低，特别是集成电路。二十世纪七十年代美国一家公司曾做过一个有名的“希尔试验”验证电子设备的抗雷击电磁脉冲能力。试验表明，无屏蔽条件的计算机遭受雷击电磁脉冲干扰时，当磁感应强度B=0.03 Gs时产生误动作，当磁感应强度B=0.75 Gs时产生假性损坏，当磁感应强度B=2.4 Gs时会永久性损坏。

雷击电磁脉冲是十分严重的电磁干扰源，电磁脉冲峰值电流大、电流陡度大、电场强度大，干扰频谱宽（从100～100 MHz）。雷击电磁脉冲干扰可能造成电子设备击穿损毁、空气击穿造成火花放电引发火灾、爆炸等事故，成为建筑物内信息设备遭受破坏的主要原因。智能建筑内得电子设备繁多，系统布置复杂，较一般的建筑物更易产生雷击电磁脉冲干扰事故。

2 雷击电磁脉冲入侵方式

当建筑物遭受直接雷击时，通过引下线的雷电流同时产生雷击电磁脉冲。直接雷击和雷击电磁脉冲干扰造成破坏形式不同，简单地说，雷电流是以“路”的形式，即通过建筑物内外钢筋、金属导体、金属管道和构架传输；而雷击电磁脉冲是以“场”的形式，即通过空间范围的电磁感应，在建筑物内的导体回路中感应出过电压和过电流，甚至通过相邻建筑物之间的导线回路中感应出过电压和过电流。而且，雷电流和电磁脉冲在一定条件下还可以互相转换。雷击电磁脉冲主要通过耦合途径传播，其侵入信息系统和电子设备的模型如图1所示。

智能建筑内部信息系统可以是独立设备控制室，例如计算机房、设备控制室、通信调度室、消防报警系统室等，也可能是一个或几个楼层，甚至是整个建筑物（如通信大楼、网络中枢、控制指挥中心等）。具体到单个电子设备，雷击电磁脉冲入侵途径有以下端口：电源、控制线、信号线、接地、外壳和其它端口，见图2。

3 雷击电磁脉冲耦合方式

雷击电磁脉冲干扰耦合途径有两种传导耦合和辐射耦合。

3.1 传导耦合

传导耦合是指干扰信号通过干扰源于干扰设备之间的阻抗进行耦合传播。

①共阻抗耦合。当干扰源于电子设备共用一个主回路，或者共用一根接地电流回路，它们的电流流经共同的路径导致产生共阻抗耦合。共阻抗路径可能由电阻、电容和电感组成。共地阻抗耦合原理如图3所示。图中a的电路1为设备电路，电路2为干扰源电路。电路2的干扰电流通过共地阻抗耦合到电路1的输入端，干扰破坏电路1设备。

②电容性耦合。又称静电耦合。雷云由于静电作用在建筑物上缓慢地积累电荷，当发生直接雷击时，建筑物接地体上电荷瞬间重新分布导致电流流动，在设备上产生过电压。

③电感性耦合，雷电放电通道由于电磁感应引起附近的电子设备、金属构架等导体回路磁通变化，产生感应电压和感应电流。感应电压极易超过电子设备元件所允许的极限值造成击穿损坏。

3.2 辐射耦合

高频的雷击电磁脉冲电流通过空间通道时发射电磁波，在空间以电磁场的形式对导体接收器进行辐射耦合。建筑物的信息系统的输入信号线、外部电缆、设备机壳等都相当于接收电磁波的天线。

参考文献：

[1] 郭福雁.智能建筑的雷击影响分析与防雷系统工程关键问题的研究[D].天津：天津大学电气与自动化工程学院，2006.