雷電電磁脈沖（LEMP）的特性分析及屏蔽

王慶祥，姚 燁，崔 喆，孫冬迪，薛文安

（1．天津市中力防雷技術有限公司，天津 300384； 2．中國民航大學，天津 300384)

引言

雷電是由帶電的云在空中對地放電導致的一種特殊的自然現象，其具有選擇性、隨機性、不可預測性以及破壞性。雷電存在的形式除了可以直觀感受到的發光、發熱、發聲的雷電流以外，在雷電流形成的同時由于電磁效應還會產生雷電電磁脈沖。在當今信息化的時代，強大的雷電電磁脈沖是造成電子設備損壞的重要原因，可導致各種微電子設備的運行失效甚至損壞，成為威脅航空航天、國防軍事、鐵路運輸、計算機與通信等領域的一大公害。本文以磁屏蔽內容為主，介紹雷電電磁脈沖的防護。

1 雷電電磁脈沖（LEMP）的特性

雷電電磁脈沖（LEMP）是由雷電流的電磁效應產生，它包括傳導浪涌和輻射脈沖電磁場輻射作用。傳導浪涌又會在附近回路中產生感應電壓，輻射脈沖磁場干擾附近電氣電子設備正常工作。

1.1 傳導浪涌

雷電流是雷電造成各種損害的損害源，它表現為以下四種情況：S1：雷擊建筑物；S2：雷擊建筑物附近；S3：雷擊連接到建筑物的線路；S4：雷擊連接到建筑物的線路附近。雷電流通過這四種形式在線路中產生傳導浪涌。

表1 和表2 是雷擊低壓系統、通信系統的浪涌過電流預期值，其中S3（直接雷擊）是雷電直接擊在了連接建筑物的線路上，在線路的兩個方向上均有分流。與此同時，強大的直接雷擊電流會產生強大的電磁場，在線路上再次產生浪涌，造成疊加性的傷害。

1.2 輻射電磁場

1.2.1 附近雷擊時LPZ1 格柵形空間屏蔽

如圖1 所示為附近雷擊時的情況。LPZ1 屏蔽空間周圍的入射場可以近似地當作平面波。

已知柵格型空間屏蔽對平面波的屏蔽系數SF 由下式計算：

式中wm為格柵型空間屏蔽的網格寬度（m）

表1 雷擊低壓系統浪涌過電流的預期值

表2 雷擊通信系統浪涌過電流的預期值

初始入射的磁場H0可用下式計算：

式中：

I0（A）——LPZ 0A的雷擊電流；

sa（m）——從雷擊點到屏蔽空間中心的距離。

圖1 在LPZ1 內部的磁場從H0減小到H1可以用式（1）計算得到的屏蔽系數SF 來進行推導：

式中：

SF(dB)——由（1）式計算的屏蔽系數；

H0/max(A/m)——LPZ0 內的磁場。

示例：

給出一個L×W×H=10×10×10 的銅質格柵屏蔽體，其平均網格寬度wm=2m，由（1）式計算屏蔽系數SF=12.6dB，當I0/max=100kA 時，可得計算結果：

H0/max=236 A/m

H1/max=56 A/m

1.2.2 直擊雷情況時的 LPZ 1 格柵形空間屏蔽

如圖2，假設建筑物屋頂上的任意點受到雷擊。

圖1 附近雷擊時磁場值的估算

圖2 雷閃擊時磁場值估算

在LPZ 1 內部任意點上的磁場強度H1為：

式中：

dr（m）——所確定的點與LPZ1 屏蔽中屋頂的最短距離；

dw（m）——所確定的點與LPZ1屏蔽中墻的最短距離；

I0（A）——LPZ 0A的雷電流；

kh——結構系數，典型值kh=0.01；

wm(m)——LPZ 1 屏蔽的網格寬度。

示例：

同樣給出一個L×W×H=10×10×10 的銅質格柵屏蔽體，其平均網格寬度wm=2m，取I0/max=100kA，且取離屋頂距離為高度的一半：dr= H/2。離墻的距離為長度的一半：dw= L/2（安全空間的中心）或等于：dw= ds/1（安全距離2m），計算得：

H1/max（中心）=179 A/m

H1/max（dw= ds/1）=447 A/m

1.2.3 分析

當磁場強度到達191A/m 時，其對于計算機等微電子設備的危害即是永久性的。由1.2.2 計算示例和下圖3 可知，屏蔽體內越靠近中心位置磁場強度越弱，但僅一層網格寬度為2m 的屏蔽顯然不足以抵擋100kA 雷電流產生的磁場，所以重要機房或微電子設備還需另作屏蔽。由1.2.1 附近雷擊的屏蔽計算可看出，附近雷擊所在建筑物LPZ1 內產生的磁場小得多。由下圖3 還可知網格越密，即wm取值越小，屏蔽效果越好，實際情況時需綜合考慮來確定wm的取值。

圖3 屏蔽體內不同位置磁場強度

1.3 感應電壓

雷電電磁脈沖在閉合回路中能夠感應出電壓值，這樣的感應電壓對于抗干擾及耐壓能力低的電氣電子系統的威脅也不容忽視。

1.3.1 直擊雷情況時的 LPZ 1 的內部情況

開路電壓Uoc為：

在波頭時間T1內，上升到峰值UOC/MAX升到最大值

式中：

μ0——等于4π·10-7(Vs)/(Am)；

b(m)——回路寬度；

dl/w(m) ——屏蔽體的墻與回路間的距離，這里d1/w=ds/1;

dl/r(m)——屏蔽體的頂與回路間的平均距離；

Io(A)——LPZ0A的雷擊電流；

I0/MAX(A) ——LPZ0A的雷電流最大值；

kh(I/√m)——是與實驗結構布置有關的系數，kh ＝0.01；

l(m)——回路長度；

T1(s)——雷擊LPZ0A時雷電流波頭時間；

wm(m)——格柵形屏蔽的網格寬度。

1.3.2 附近雷時LPZ1 內部狀況

假設LPZ1 內空間磁場H1是勻強磁場：

開路電壓Uoc為：

波頭時間T1內，UOC/MAX出現：

式中：

μo——等于4π·10-7(Vs)/(Am)；

b(m)——回路寬度；

H1(A/m)——LPZ1 內的時變磁場；

H1/MAX(A/m)——LPZ1 內磁場的最大值；

L (m)——回路長度

T1(s)——磁場波頭時間，它與雷電流波頭時間完全一致。

2 雷電電磁脈沖（LEMP）的防護

對雷電電磁脈沖的防護措施，主要包括接地、等電位連接、屏蔽、合理布線、安裝協調配合的浪涌保護器（SPD）和采用隔離界面，下文主要介紹磁屏蔽。

2.1 雷電流特性

2.1.1 雷電流時域特性

由表3 可知雷電流的時域特性，峰值電流IF: IFN: IS的比值是4:2:1，而變化率的比值則為1:5:10。其綜合影響，首次負極性脈沖（IFN）、后續脈沖（IS）要比首次正極性脈沖（IF）大。

表3 雷電流參數

圖4 雷電流幅頻密度曲線

2.1.2 雷電流幅頻特性

由各種雷擊時間函數的分析曲線，可以推出雷電流的幅頻特性，見圖4。

由圖4 可看出雷電放電電流的頻譜特性，總結如下：

1）各幅頻特性曲線均在達到一定頻率后開始向下轉折，出現明顯的衰減。

2）就不同的雷電放電電流波形而言，相應的轉折頻率及衰減速率是不同的，持續時間長的波形具有較低的轉折頻率和較慢的衰減速率。

3）雷電流在低頻范圍內，幅度密度較大，即雷電流低頻區域對設備的威脅較大。

LEMP 與雷電流有相同的波形，相同的特性。

2.2 雷電電磁脈沖的磁屏蔽

圖5描述電磁輻射波阻抗與觀察點距離之間的關系，距離r 以λ/2π 為單位。由于雷電流是一個大電流的低阻抗形式，所以根據圖5 它在近場區主要表征的場為磁場，對于LEMP 的屏蔽防護，在近場區主要考慮磁屏蔽，在其他區域必須考慮電場和磁場的綜合屏蔽。

2.3 磁屏蔽的材料

圖6為幾種同軸屏蔽電纜的轉移阻抗與頻率的關系，已知電纜的轉移阻抗越小對磁場的屏蔽效果越好。由圖4 可知雷電電磁脈沖效應的頻率范圍在幾百～幾兆Hz 之間，由圖6 可知在此范圍內屏蔽效果最好的是實壁剛性屏蔽套和實壁波紋管套。

圖7 是幾種不同材料的金屬板，在近場磁場中，它們的磁屏蔽能力與材料厚度及工作頻率的關系實驗曲線。由圖可知，在1kHz 以下，Ni-Fe 高磁導率合金具有最好的磁屏蔽能力。在10kHz，鋼具有最好的磁屏蔽能力；而到了100kHz，高磁導率的鋼仍具有最好的磁屏蔽能力；在大于100MHz 的情況下，還需考慮導電性能好的材料，例如銅。電磁場的完善屏蔽需要綜合考慮電場屏蔽和磁場屏蔽。

圖5 波阻抗隨距離的變化

圖6 同軸屏蔽電纜的轉移阻抗與頻率的關系

圖7 幾種金屬的磁屏蔽能力與金屬板厚度及頻率的關系

鐵磁材料是磁屏蔽效果較好的材料，高導電率的材料（銅）是電場屏蔽效果較好的材料，在工程實踐中選擇何種材料實現電磁屏蔽，還需綜合考慮現場情況，包括投入成本等。

3 結論

綜上，雷電電磁脈沖對于空間、線路、設備的危害體現在傳導浪涌、輻射脈沖電磁場和感應電壓上。通過對雷電流時域特性和幅頻特性曲線的觀察，LEMP 在近場區（λ/2π）的磁場分量對于設備或線路的影響更大，對于LEMP 的屏蔽防護主要從磁屏蔽著手。在遠場區對于LEMP 的防護，磁場屏蔽和電場屏蔽都是非常重要的。電磁屏蔽材料的選擇應該綜合考慮其導磁性能和導電性能。

[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]錢照明, 程肇基.電磁兼容設計基礎及干擾抑制技術[M].浙江: 浙江大學出版社. 2006.

[5]劉有菊, 張啟航.雷電放電電流的幅頻特性[J].中國科技信息,2011,13.