淺談電子信息系統(tǒng)對雷電電磁脈沖影響的規(guī)避

摘 要：隨著科學技術(shù)的進步和現(xiàn)代電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電子技術(shù)正在向高頻率、高速度、可靠性、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展，電磁干擾對這些設(shè)備和系統(tǒng)的影響也越來越突出，特別是雷電電磁脈沖的干擾造成的事故逐漸增多，許多電子信息系統(tǒng)遭受雷擊使整個系統(tǒng)癱瘓，造成重大的經(jīng)濟損失。

關(guān)鍵詞：電子信息系統(tǒng)；電磁脈沖；影響

1引言

隨著科學技術(shù)的進步和現(xiàn)代電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，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，電磁干擾對這些設(shè)備和系統(tǒng)的影響也越來越突出，特別是雷電電磁脈沖的干擾造成的事故逐漸增多，許多電子信息系統(tǒng)遭受雷擊使整個系統(tǒng)癱瘓，造成重大的經(jīng)濟損失。因此，電子信息系統(tǒng)防雷電電磁脈沖的干擾問題在現(xiàn)代高科技、現(xiàn)代軍事技術(shù)引起普遍關(guān)注。而電子信息系統(tǒng)的雷電危害主要是雷電的電磁感應(yīng)，雷電的電磁感應(yīng)是由于雷電電磁脈沖的耦合效應(yīng)造成的。雷電防護應(yīng)根據(jù)雷電電磁脈沖的防護標準和要求進行防雷設(shè)計，不能盲目的套用常規(guī)的防雷方法去保護電子信息系統(tǒng)。

2 相關(guān)概念

電子信息系統(tǒng)——由計算機、有/線通信設(shè)備、處理設(shè)備、控制設(shè)備及其相差的配套設(shè)備、設(shè)施(含網(wǎng)絡(luò))等的電子設(shè)備構(gòu)成的，按照一定應(yīng)用目的和規(guī)則對信息進行采集、加工、存儲、傳輸、檢索等處理的人機系統(tǒng)。

等電位連接(EB)——設(shè)備和裝置外露可導電部分的電位基本相等的電氣連接。

局部等電位接地端子板(LEB)——電子信息系統(tǒng)設(shè)備機房內(nèi)，作局部等電位連接的接地端子板。

浪涌保護器(SPD)——至少應(yīng)包含一個非線性電壓限制元件，用于限制暫態(tài)過電壓和分流浪涌電流的裝置。按照浪涌保護器在電子信息系統(tǒng)的功能，可分為電源浪涌保護器、天饋浪涌保護器和信號浪涌保護器。

雷電防護區(qū)(LPZ)——需要規(guī)定和控制雷電電磁環(huán)境的區(qū)域。

雷電電磁脈沖(LEMP)——作為干擾源的雷電流及雷電電磁場產(chǎn)生的電磁場效應(yīng)。

2 雷電的危害

直擊雷：直擊雷產(chǎn)生的熱效應(yīng)、電效應(yīng)和機械效應(yīng)會損壞放電通道上的建筑物、輸電線路、室外電氣電子設(shè)備，擊死擊傷人員。

雷電感應(yīng)：雷電感應(yīng)又叫“二次雷”。雖然沒有直擊雷那么猛烈，但它發(fā)生的幾率要高很多，這種感應(yīng)過電壓可以通過電力線路、信號系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)線路、通信線路、各類信號線等）、天饋線、地線反擊等，使建筑物承受相當高的危險電壓，勢必會危及設(shè)備和人身安全。

雷電流熱效應(yīng)的破壞作用強大的雷電流通過遭雷擊的物體時會發(fā)熱。由于雷電電流大通過時間短，如果雷電擊在樹木或建筑物上，遭雷擊的物體瞬間產(chǎn)生大量熱能，來不及散開，致使物體內(nèi)部的水分變成蒸汽并迅速膨脹，產(chǎn)生巨大的爆破力，造成破壞；當雷電流通過金屬體時，使其溫度升高，雷電通道的溫度高達5 0 0 0 K以上，若金屬體的截面積不夠大時可使其熔化。

雷電靜電感應(yīng)的破壞作用當雷電發(fā)生后，雷云上所帶的電荷與異種電荷迅速中和，而地面上某些局部的物體，例如，沒有接地或接地不良的室外架空管線、建筑物內(nèi)的金屬物和管線，由于它們與大地之間電阻比較大，電荷不能在同樣短的時間內(nèi)消散入地，就會在局部物體、管線上形成靜電感應(yīng)過電壓。室外金屬物、管線的這種感應(yīng)過電壓將進入室內(nèi)，并對接地的金屬物放電產(chǎn)生火花或擊穿設(shè)備的絕緣，室內(nèi)金屬物管線的放電產(chǎn)生火花。這種火花遇爆炸火災(zāi)危險環(huán)境有可能引發(fā)爆炸或火災(zāi)。

隨著經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展，電子設(shè)備的應(yīng)用，已深入人民生活的各個領(lǐng)域，各種電子、微電子裝備已在各行各業(yè)大量使用。由于這些系統(tǒng)和設(shè)備耐過壓能力低，特別是雷電高電壓侵入所產(chǎn)生的電效應(yīng)、熱效應(yīng)以及雷電電磁脈沖的侵入，都會對信息系統(tǒng)和設(shè)備造成干擾和永久性損壞?？赡茉斐晒╇娭袛?，數(shù)據(jù)消失，生產(chǎn)和商業(yè)停頓。

我國平均每年因雷擊災(zāi)害所造成的損失為幾十億元，每年我國電子設(shè)備因雷擊造成的經(jīng)濟損失也相當驚人。

3 雷電的常規(guī)保護方法

本杰明·富蘭克林發(fā)明的避雷針是預(yù)防云地閃電的。它是利用避雷針尖端曲率大，所以在尖端處電場強度大、位置高，在其尖端首先擊穿其周圍空氣，形成向上的先導，使云一地閃電引向自身，通過避雷針下的導引線引向大地，而使周圍保護區(qū)物體免遭強大電流的沖擊，即免遭直接雷擊。云一地、云一云及云內(nèi)三種雷電發(fā)生時，在其周圍都會產(chǎn)生強烈的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并且在周圍傳播，可能使周圍相當大范圍內(nèi)的電子信息系統(tǒng)遭受破壞。

用避雷針式的保護雖然能使物體免遭直接雷擊，但也會帶來很大的負面效應(yīng)，即會產(chǎn)生雷電電磁感應(yīng)、增加雷擊概率和地電位反擊。如避雷針引雷后，在強大的雷擊電流入地的過程中，由于雷擊電流陡度di/dt的作用，在其周圍金屬體內(nèi)產(chǎn)生再生電壓，即感應(yīng)脈沖過電壓，它可以來自云中放電，也可以來自對地雷擊，其產(chǎn)生的概率相應(yīng)增大，而且作用范圍也大。

4 電子信息系統(tǒng)的防雷保護

雷電影響電子信息系統(tǒng)的途徑雷電放電是一種強大的脈沖放電過程，對電子系統(tǒng)影響最強的是云一地放電的直擊雷;但電磁脈沖干擾的傳播途徑是多渠道的，云一云間的放電、云內(nèi)放電都會向空間輻射電磁波，對系統(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。

對電子信息系統(tǒng)電磁影響途徑保護方法對電子信息系統(tǒng)的影響途徑很多，用單一的方法是不能達到防范電磁脈沖干擾的，須綜合考慮，綜合防治才能達到保護系統(tǒng)，使系統(tǒng)正常運行。

①避雷針防雷保護。用避雷針式的保護，防止云一地閃電直擊雷直接擊打在系統(tǒng)本身，使系統(tǒng)損壞。但不能太高以降低受雷概率，當防雷面積較大時，須采用多針防治，盡量減小接地電阻，接地電阻一般不大于4Ω。

②電磁屏蔽保護。電子信息系統(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)品的電磁兼容能力低，很容易感受電磁脈沖過電壓的襲擊。在模擬試驗中觀察到，當電磁脈沖超過0.07高斯時，能使計算機發(fā)生誤動作，而超過2.4高斯時，會使元件永久性損壞。而云一地閃電、云一云閃電及云內(nèi)閃電電磁脈沖過電壓的范圍可能使其數(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，防御空間電磁脈沖最有效的方法是在電子信息系統(tǒng)周圍作一個電磁屏蔽籠，使其免受空間各種電磁波的干擾。

③電源防雷保護。電力傳輸線傳輸距離長，受雷擊的概率大，同時在雷電發(fā)生時線路上產(chǎn)生電磁感應(yīng)，產(chǎn)生很強的電磁脈沖過電壓，電磁脈沖過電壓會在線路中進行傳播，電源防雷應(yīng)有三級防護，電力部門有前兩級的保護，用戶主要作人室前及人室后的防雷保護，電源人室前應(yīng)有不少于50m的地下水平鋪設(shè)，深度不小于0.5m，電纜外皮良好接地;電源在使用前安裝電源保護器，消除過電壓，并做好接地。

④信號線、天饋線防雷保護。信號線、天饋線連接電子信息系統(tǒng)的接口，電磁脈沖過電壓進人系統(tǒng)的另一通道，人室前應(yīng)有不少于15m的地下水平鋪設(shè)，深度不小于0.5m，如果不是纜線可通過穿人鐵管后進行，但鐵管要做好良好接地;信號線、天饋線人室后用合適的浪涌保護器作過電壓保護，同時接口儀器要做好接地保護。

⑤地上和地下的電纜線與系統(tǒng)接觸的各種金屬。管道的防雷保護地上電纜在人室前埋人地下，應(yīng)有不少于15m的地下水平鋪設(shè)，深度不小于0.5m，電纜外皮良好接地;地下的電纜線與系統(tǒng)接觸的各種金屬管道在地下作到良好接地。

⑥綜合接地系統(tǒng)。接地是防雷保護中最重要環(huán)節(jié)，各種雷電電磁脈沖過電壓都將通過接地系統(tǒng)導人大地，沒有良好的接地裝置，就不能有效的防雷保護。接地網(wǎng)設(shè)計時遵循以下原則: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)，用一點接地的方式。須注意避雷針接地與其它接地系統(tǒng)間隔距離應(yīng)不小于20m，直流與交流應(yīng)分別接地。

結(jié)束語

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，電子信息系統(tǒng)防雷保護是保證系統(tǒng)正常運行的基本措施，應(yīng)得到高度的重視。在電子信息系統(tǒng)防雷時，必須堅持綜合性及安全可靠性的原則，注意理解各個細節(jié)，才能確保電子信息系統(tǒng)安全運行。

參考文獻

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