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雷电电磁感应讲义
引言
电磁兼容(EMC)是近年来发展很快并受到广泛重视的学科领域。IEC(国际电工委员会)对EMC的定义是:“设备或系统在其电磁环境中能正常工作,且不对该环境中任何事物产生不允许的电磁骚扰的能力”。电磁骚扰(EMD)定义是:任何可能引起设备或系统性能降低或对有生命及无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪声,无用信号或传播媒介自身的变化。电磁噪声与EMD术语有相似的含义,指“一种明显不传送信息的时变电磁现象,它可能与有用信号叠加或组合。”电磁骚扰源分为自然骚扰源和人为骚扰源。
典型的自然骚扰源有:
雷击电磁脉冲LEMP,又称大气噪声;
太阳噪声,太阳黑子活动时产生的磁暴;
宇宙噪声,来自银河系;
静电放电ESD;
人为骚扰源较多,典型的有:
电力网络中操作过电压SEMP;
核致电磁脉冲NEMP;
高压配电系统对地短路造成过电压;
其它家电、高频设备、电力设备、内燃机、无线电发射和接收设备、高速数字电路设备等,通过放电噪声、接触噪声、过渡现象、反射现象、非功能性噪声和无用信号等电磁骚扰的发生机理均会造成电磁干扰。
在IEC61312-1中对LEMP定义为:“作为干扰源的闪电电流和闪电电磁场。”GB50057-94局部修改条文定义为:“作为干扰源的直接雷击和附近雷击所引起的效应。绝大多数是通过连接导体的干扰,如雷电流或部分雷电流,被雷电击中的装置的电位升高以及磁辐射干扰。”LEMP属由于放电而产生的噪声,由于雷云之间或雷云与大地之间产生火花放电,往往伴随着急剧的电流、电压的瞬时变化,即di/dt或du/dt很大。与NEMP相比LEMP的电磁场强度、陡度和破坏范围都弱得多,但雷电这一大气物理现象,每次释放的数百兆焦尔(MJ)能量与足可影响敏感设备的毫焦尔(mJ)能量相比相差悬殊。1971年美国通用研究公司R·D希尔用仿真试验建立模式证明:由于雷电干扰,对无屏蔽的计算机当磁感应强度Bm=,计算机会误动作;当Bd=,计算机设备会永久性损坏。随着人类在1973年将1万个元件安置在
1cm2面积上标志着进入信息时代,这个数值在逐渐变小。
特别是电子技术从本世纪六十年代的电子管元器件发展到八十年代大型集成电路以来,~10J降至10―8~10―6J,因而设备损坏率骤然升高。各种设备、元件摧毁能量参见图1。
一位奥地利人对其所在地区自1960年~1992年间雷击损失保险理赔件数进行过统计,发现在这33年中,该地区因直接雷击造成的事故(火灾、建筑物破坏等)每年都约为100起左右,而电子设备的损坏却由1960年的931起上升到1992年的23768起![图2]
图3是慕尼黑TELA保险公司的损害分析,说明雷害损失从1978年到1994年的17年中上升了400%。%,为第一位(图4)。这种雷击灾害的损失与我国近年来的情况基本相同。我国城市中的雷击电子设备损害可占雷电灾害总损失的80%以上。鉴于上述原因,IEC61312-1
标准中“引言”称“鉴于各种类型的电子系统,包括计算机、电信设备、控制系统等(在本标准中称之为信息系统)的应用在不断增加,使本国际标准的制定成为必需