雷电电磁脉冲（LEMP）的特性分析及屏蔽

王庆祥，姚 烨，崔 喆，孙冬迪，薛文安

（1．天津市中力防雷技术有限公司，天津 300384； 2．中国民航大学，天津 300384)

引言

雷电是由带电的云在空中对地放电导致的一种特殊的自然现象，其具有选择性、随机性、不可预测性以及破坏性。雷电存在的形式除了可以直观感受到的发光、发热、发声的雷电流以外，在雷电流形成的同时由于电磁效应还会产生雷电电磁脉冲。在当今信息化的时代，强大的雷电电磁脉冲是造成电子设备损坏的重要原因，可导致各种微电子设备的运行失效甚至损坏，成为威胁航空航天、国防军事、铁路运输、计算机与通信等领域的一大公害。本文以磁屏蔽内容为主，介绍雷电电磁脉冲的防护。

1 雷电电磁脉冲（LEMP）的特性

雷电电磁脉冲（LEMP）是由雷电流的电磁效应产生，它包括传导浪涌和辐射脉冲电磁场辐射作用。传导浪涌又会在附近回路中产生感应电压，辐射脉冲磁场干扰附近电气电子设备正常工作。

1.1 传导浪涌

雷电流是雷电造成各种损害的损害源，它表现为以下四种情况：S1：雷击建筑物；S2：雷击建筑物附近；S3：雷击连接到建筑物的线路；S4：雷击连接到建筑物的线路附近。雷电流通过这四种形式在线路中产生传导浪涌。

表1 和表2 是雷击低压系统、通信系统的浪涌过电流预期值，其中S3（直接雷击）是雷电直接击在了连接建筑物的线路上，在线路的两个方向上均有分流。与此同时，强大的直接雷击电流会产生强大的电磁场，在线路上再次产生浪涌，造成叠加性的伤害。

1.2 辐射电磁场

1.2.1 附近雷击时LPZ1 格栅形空间屏蔽

如图1 所示为附近雷击时的情况。LPZ1 屏蔽空间周围的入射场可以近似地当作平面波。

已知栅格型空间屏蔽对平面波的屏蔽系数SF 由下式计算：

式中wm为格栅型空间屏蔽的网格宽度（m）

表1 雷击低压系统浪涌过电流的预期值

表2 雷击通信系统浪涌过电流的预期值

初始入射的磁场H0可用下式计算：

式中：

I0（A）——LPZ 0A的雷击电流；

sa（m）——从雷击点到屏蔽空间中心的距离。

图1 在LPZ1 内部的磁场从H0减小到H1可以用式（1）计算得到的屏蔽系数SF 来进行推导：

式中：

SF(dB)——由（1）式计算的屏蔽系数；

H0/max(A/m)——LPZ0 内的磁场。

示例：

给出一个L×W×H=10×10×10 的铜质格栅屏蔽体，其平均网格宽度wm=2m，由（1）式计算屏蔽系数SF=12.6dB，当I0/max=100kA 时，可得计算结果：

H0/max=236 A/m

H1/max=56 A/m

1.2.2 直击雷情况时的 LPZ 1 格栅形空间屏蔽

如图2，假设建筑物屋顶上的任意点受到雷击。

图1 附近雷击时磁场值的估算

图2 雷闪击时磁场值估算

在LPZ 1 内部任意点上的磁场强度H1为：

式中：

dr（m）——所确定的点与LPZ1 屏蔽中屋顶的最短距离；

dw（m）——所确定的点与LPZ1屏蔽中墙的最短距离；

I0（A）——LPZ 0A的雷电流；

kh——结构系数，典型值kh=0.01；

wm(m)——LPZ 1 屏蔽的网格宽度。

示例：

同样给出一个L×W×H=10×10×10 的铜质格栅屏蔽体，其平均网格宽度wm=2m，取I0/max=100kA，且取离屋顶距离为高度的一半：dr= H/2。离墙的距离为长度的一半：dw= L/2（安全空间的中心）或等于：dw= ds/1（安全距离2m），计算得：

H1/max（中心）=179 A/m

H1/max（dw= ds/1）=447 A/m

1.2.3 分析

当磁场强度到达191A/m 时，其对于计算机等微电子设备的危害即是永久性的。由1.2.2 计算示例和下图3 可知，屏蔽体内越靠近中心位置磁场强度越弱，但仅一层网格宽度为2m 的屏蔽显然不足以抵挡100kA 雷电流产生的磁场，所以重要机房或微电子设备还需另作屏蔽。由1.2.1 附近雷击的屏蔽计算可看出，附近雷击所在建筑物LPZ1 内产生的磁场小得多。由下图3 还可知网格越密，即wm取值越小，屏蔽效果越好，实际情况时需综合考虑来确定wm的取值。

图3 屏蔽体内不同位置磁场强度

1.3 感应电压

雷电电磁脉冲在闭合回路中能够感应出电压值，这样的感应电压对于抗干扰及耐压能力低的电气电子系统的威胁也不容忽视。

1.3.1 直击雷情况时的 LPZ 1 的内部情况

开路电压Uoc为：

在波头时间T1内，上升到峰值UOC/MAX升到最大值

式中：

μ0——等于4π·10-7(Vs)/(Am)；

b(m)——回路宽度；

dl/w(m) ——屏蔽体的墙与回路间的距离，这里d1/w=ds/1;

dl/r(m)——屏蔽体的顶与回路间的平均距离；

Io(A)——LPZ0A的雷击电流；

I0/MAX(A) ——LPZ0A的雷电流最大值；

kh(I/√m)——是与实验结构布置有关的系数，kh ＝0.01；

l(m)——回路长度；

T1(s)——雷击LPZ0A时雷电流波头时间；

wm(m)——格栅形屏蔽的网格宽度。

1.3.2 附近雷时LPZ1 内部状况

假设LPZ1 内空间磁场H1是匀强磁场：

开路电压Uoc为：

波头时间T1内，UOC/MAX出现：

式中：

μo——等于4π·10-7(Vs)/(Am)；

b(m)——回路宽度；

H1(A/m)——LPZ1 内的时变磁场；

H1/MAX(A/m)——LPZ1 内磁场的最大值；

L (m)——回路长度

T1(s)——磁场波头时间，它与雷电流波头时间完全一致。

2 雷电电磁脉冲（LEMP）的防护

对雷电电磁脉冲的防护措施，主要包括接地、等电位连接、屏蔽、合理布线、安装协调配合的浪涌保护器（SPD）和采用隔离界面，下文主要介绍磁屏蔽。

2.1 雷电流特性

2.1.1 雷电流时域特性

由表3 可知雷电流的时域特性，峰值电流IF: IFN: IS的比值是4:2:1，而变化率的比值则为1:5:10。其综合影响，首次负极性脉冲（IFN）、后续脉冲（IS）要比首次正极性脉冲（IF）大。

表3 雷电流参数

图4 雷电流幅频密度曲线

2.1.2 雷电流幅频特性

由各种雷击时间函数的分析曲线，可以推出雷电流的幅频特性，见图4。

由图4 可看出雷电放电电流的频谱特性，总结如下：

1）各幅频特性曲线均在达到一定频率后开始向下转折，出现明显的衰减。

2）就不同的雷电放电电流波形而言，相应的转折频率及衰减速率是不同的，持续时间长的波形具有较低的转折频率和较慢的衰减速率。

3）雷电流在低频范围内，幅度密度较大，即雷电流低频区域对设备的威胁较大。

LEMP 与雷电流有相同的波形，相同的特性。

2.2 雷电电磁脉冲的磁屏蔽

图5描述电磁辐射波阻抗与观察点距离之间的关系，距离r 以λ/2π 为单位。由于雷电流是一个大电流的低阻抗形式，所以根据图5 它在近场区主要表征的场为磁场，对于LEMP 的屏蔽防护，在近场区主要考虑磁屏蔽，在其他区域必须考虑电场和磁场的综合屏蔽。

2.3 磁屏蔽的材料

图6为几种同轴屏蔽电缆的转移阻抗与频率的关系，已知电缆的转移阻抗越小对磁场的屏蔽效果越好。由图4 可知雷电电磁脉冲效应的频率范围在几百～几兆Hz 之间，由图6 可知在此范围内屏蔽效果最好的是实壁刚性屏蔽套和实壁波纹管套。

图7 是几种不同材料的金属板，在近场磁场中，它们的磁屏蔽能力与材料厚度及工作频率的关系实验曲线。由图可知，在1kHz 以下，Ni-Fe 高磁导率合金具有最好的磁屏蔽能力。在10kHz，钢具有最好的磁屏蔽能力；而到了100kHz，高磁导率的钢仍具有最好的磁屏蔽能力；在大于100MHz 的情况下，还需考虑导电性能好的材料，例如铜。电磁场的完善屏蔽需要综合考虑电场屏蔽和磁场屏蔽。

图5 波阻抗随距离的变化

图6 同轴屏蔽电缆的转移阻抗与频率的关系

图7 几种金属的磁屏蔽能力与金属板厚度及频率的关系

铁磁材料是磁屏蔽效果较好的材料，高导电率的材料（铜）是电场屏蔽效果较好的材料，在工程实践中选择何种材料实现电磁屏蔽，还需综合考虑现场情况，包括投入成本等。

3 结论

综上，雷电电磁脉冲对于空间、线路、设备的危害体现在传导浪涌、辐射脉冲电磁场和感应电压上。通过对雷电流时域特性和幅频特性曲线的观察，LEMP 在近场区（λ/2π）的磁场分量对于设备或线路的影响更大，对于LEMP 的屏蔽防护主要从磁屏蔽着手。在远场区对于LEMP 的防护，磁场屏蔽和电场屏蔽都是非常重要的。电磁屏蔽材料的选择应该综合考虑其导磁性能和导电性能。

[1]IEC 62305-1 Ed.2.0, Protection Against Lighting – Part1: General Principles[S].

[2]IEC 62305-2 Ed.2.0, Protection Against Lighting – Part4: Electrical and electronic systems within structures[S].

[3]FAA-STD-019D, Lightning and surge protection, grounding and shielding requirements for facilities and electronic equipment[S].

[4]钱照明, 程肇基.电磁兼容设计基础及干扰抑制技术[M].浙江: 浙江大学出版社. 2006.

[5]刘有菊, 张启航.雷电放电电流的幅频特性[J].中国科技信息,2011,13.