电子信息系统雷电电磁脉冲防护研究
作者：周艳岳杜宇峰梁浩
来源：《电子世界》2011年第24期
【摘要】随着社会的发展，越来越多的电子设备开始大量应用于人们的生活中，雷电电磁脉冲对电子信息系统的危害明显增加，损失愈来愈大。这时，单单靠建筑物上的避雷针带防雷已远远不能满足各种弱电设备防雷的确切需要。为了保证各种电子信息系统、弱电设备的正常工作，人们经过不断的深入研究，逐渐形成了由单防直击雷到综合防雷的新阶段。
【关键词】雷电电磁脉冲；浪涌保护器；等电位连接；屏蔽；接地
1.雷电灾害
雷电的本质是带电云层之间或者带电云层对地之间发生的猛烈放电现象。当雷雨云之间整体或部分区域累积的正（负）电荷达到一定强度时，就会使得某一位置的电场强度达到大气绝缘的极限值，云中电荷就会击穿大气与云体内部，与大气层或地面的异性电荷发生中和放电，即产生雷电。雷电往往同时伴随强烈的发光、高温、电磁辐射、冲击波和隆隆的雷声。全球一年平均发生30多亿次的雷电现象，每年因雷电灾害而死亡的人数高达上万人，损坏的设备更是不可计数。
美国国家海洋和大气总署在一份气象灾害影响评估报告中指出“lightning is the most dangerous and frequently en-
countered weather hazard that most people experience each year.”意指“雷电是大多数人每年都会经历的最危险和最频繁发生的天气危害”。从气象学方面讲，雷电是伴随着强对流天气过程发生的一种灾害性天气现象，伴随一个典型雷暴的发生、发展及消退过程，雷电的生命史约为1个小时；从大气电学角度看，雷电是地球大气层中发生的电磁现象，闪电电磁场的主要特征表现为时变场，电压、电流随时间变化的速率极快，功率极高。电压可高达数百兆伏，电流达400kA，中心温度达30000℃，其电流的宽束能量是太阳表面的6倍，50%的雷电流平均约为30kA。
自然界的雷击灾害主要分为直接雷击灾害和雷电电磁脉冲（Lightning Electro
-magnetic Pulse，LEMP）造成的危害。
直击雷是带电云层对大地、建（构）筑物、防雷装置、其他物体间的放电现象。雷电具有非常巨大的破坏力，其强大的电流、极高的温度、强烈的电磁脉冲辐射以及剧烈的冲击波等效应，能够在瞬间对建（构）物、电子信息系统、各种线路乃至人身安全，产生巨大的破坏作用，造成财产损失和人员伤亡。
当带电云层之间或者带电云层对大地、建筑物、避雷装置等放电时，在放电通道四周将会产生强烈的雷电电磁脉冲辐射、电磁感应、静电感应，使区域内的管道、铝合金窗、各种线路等金属物体感应出强烈的高压电磁脉冲，当感应高电压产生时，会沿着各种线路、管道进入室内，造成室内的各种微电子设备被雷击损坏。如图1所示。
从EMC(电磁兼容)的观点来看，防雷保护由外到内应划分多级保护区。最外层为直接雷击区域，危险性最高，主要是由外部(建筑)防雷系统保护，越往内危险程度越低。
2.雷电电磁脉冲的防护
2.1 配电系统的防护
鉴于电子信息系统对雷电、浪涌等过电压非常敏感，电源线路的雷电电磁脉冲防护是防护的重点。因为电源线路容易受到外部雷电电磁脉冲的感应而携带和传导大量的雷电浪涌高压。输电线路如果由架空引入，处于直击雷的威胁之下，当遭受雷击时，线路回路上出现的浪涌可能会高达100kA以上。因此，现代的供电线路，一般都是采用铠装电缆埋地的方式引入（如图2所示）。这种线路引入方式，大大降低了直击雷所形成的浪涌对线路的威胁。
对供电系统采用多级保护，可以提高系统的可靠性。电子信息系统宜安装多级浪涌保护器防雷电过电压。第一级安装在配电系统总出线处（配电盘）；第二级安装在各系统供配电柜（箱）内；第三级安装在微电子设备前端（计算机终端电源稳压器或UPS电源前）。各级浪涌保护器通流量分别为：第一级不小于60kA（8/20μs），第二级不小于40kA（8/20μs）（限压型），第三级不小于20kA（8/20μs）（限压型），
对于采用直流供电的设备，应根据线路的长度和工作电压，选用标称放电电流不小于
10kA适配的浪涌保护器。
浪涌保护器(浪涌保护器)的连接导线最小截面积应符合表1的规定。
电源上逐级加装电源浪涌保护器，实现多级防护。即在变压器的高压端加装高压浪涌保护器，低压侧加装低压浪涌保护器，在交流配电屏和直流配电屏分别加装交、直流浪涌保护器。加装直流浪涌保护器是最近发布的防雷标准中提出的，因为直流浪涌保护器的残压大大低于交流浪涌保护器，因此能有效地提高敏感设备抵御雷电电磁脉冲的能力。浪涌保护器的防雷能力与安装方式有密切关系，主要是引线电感会产生额外的残压，应尽可能地缩短电力线与浪涌保护器的连线和浪涌保护器与接地汇接板连线的长度。多级布置浪涌保护器可减小引线电感带来的额外残压，因为前级浪涌保护器已将大部分雷电流泄放入地，后级的浪涌保护器只泄放少部分雷电流，雷电流的减小必然导致引线上的附加残压减小。为保证浪涌保护器由前到后顺序泄放，浪涌保护器的动作电压应是后级不低于前级。浪涌保护器之间的电力电缆长度不小于
15m。
2.2 信息系统的防护