第1章 概述
1.1 典型电磁脉冲环境分析
电磁脉冲(electromagnetic pulse， EMP)是一种短暂的瞬变电磁现象，包括静电放电电磁脉冲(electrostatic discharge electromagnetic pulse， ESDEMP)、雷电电磁脉冲(lightning electromagnetic pulse， LEMP)、核电磁脉冲(nuclear electromagnetic pulse， NEMP)、高功率微波(high power microwave， HPM)、超宽带电磁脉冲(ultra- wide band electromagnetic pulse， UWBEMP)等。其共同特点是：在时域上具有陡峭的上升沿或下降沿[纳秒(ns)级甚至皮秒(ps)级]，峰值场强极高(可达104～105V/m)，且持续时间较短[微妙(μs)级甚至纳秒级]；在频域则覆盖较宽的频带。
1.1.1 静电放电电磁脉冲
静电是自然环境中*普遍的电磁辐射源。静电放电(electrostatic discharge， ESD)有时可以形成高电位、强电场和瞬时大电流，并产生强烈的电磁辐射而形成电磁干扰。静电放电作为一种看不见、甩不掉的危害源，具有频带宽、脉冲电流峰值大、发生频率高等特点。
早期人们对静电放电的研究主要集中在注入静电放电电流对电火工品、电子器件、电子设备及其他一些静电敏感系统的危害和静电放电产生的火花能对易燃易爆气体、粉尘等的引燃、引爆问题，而忽视了静电放电的电磁干扰效应。近年来，随着静电测试技术、测量仪器及测量手段的迅速发展，人们对静电放电这一瞬态过程的认识越来越清楚。在静电放电过程中会产生上升时间和持续时间极短的初始大电流脉冲，经过放电火花通道和金属导体的这种电流脉冲会产生强烈的电磁辐射形成静电放电电磁干扰。该电磁干扰会直接通过天线或传感器进入一些电子设备的内部，也可以通过机箱上的孔、缝，设备间的连接电缆、电源线等进入电子设备，在电路引线和器件管脚产生瞬态感应电压或电流，干扰电路和器件的正常工作。
静电放电产生的辐射电磁场在空间上可以分为由电荷激发的以静电场为主的近场和由电流微分项产生的远场。在近场或感应场中，电场和磁场与静电放电电流成正比，磁场可以近似地使用安培环路定律表示；在远场或辐射场中，电场和磁场与放电电流的时间变化率有关。研究表明，近场场强非常强，远场以辐射为主，波为球面波，其大小随距离的增大而减小。静电放电辐射电磁场的频带较宽，从几赫兹到上吉赫兹，频谱分布复杂。
1995年，国际电工委员会颁布了《电磁兼容 试验和测量技术：静电放电抗扰度试验》(IEC61000-4-2)，并在1998年和2000年进行两次修正。其在2002年3月颁布了第二版标准《电磁兼容 试验和测量技术：静电放电抗扰度试验》(IEC61000-4-2)，标准中将人体-金属模型的电流波形作为典型的静电放电电流波形，其标准波形如图1-1所示。
图1-1 人体-金属模型静电放电电流波形
对于静电放电辐射电磁场，有很多学者进行了计算分析。目前，在对静电放电辐射电磁场的解析计算中，先后出现了著名的长导体模型[1]、球电极模型[2]和偶极子模型[3]等数学解析模型。
偶极子模型是1991年Wilson等提出的[3]。他们认为静电放电辐射电磁场主要由静电放电电弧产生，并且将静电放电电弧简化为位于无限大、导电的接地平板上电性小的时变线性偶极子，这样平板上半空间的电磁场就可很容易地通过偶极子及镜像偶极子所产生的电磁场计算得到。图1-2为Wilson偶极子模型示意图。
图1-2中为放电间隙的长度，为任意观察点到偶极子的距离，为任意观察点到镜像偶极子的距离，为任意观察点到偶极子与镜像偶极子中心的距离，为偶极子到接地平板之间的距离。在柱坐标系下计算得到空间任意观察点处的电磁场为
(1-1)
(1-2)
式中，为真空的电容率；为光速；为偶极子上的时变电流；为径向坐标；er、ez、e分别为圆柱坐标系中r、z三个变量的单位矢量。
图1-2 Wilson偶极子模型示意图
可以看到，只要已知放电电流就可以求出静电放电辐射电磁场的时空分布，但是该模型具有局限性，只能计算放电电流产生的场，没有考虑放电前静电荷对场的贡献，实际上放电前的静电场非常强。针对放电前静电荷对场的贡献，盛松林对偶极子模型进行了改进[4]，得到能够计算从近场到远场的整个时空电磁场的数学模型如下：
(1-3)
(1-4)
式中，为放电前的静电荷量。该模型考虑实际静电放电的放电电弧无限接近导电地面，认为，即。
由式(1-3)和式(1-4)很容易看到，静电放电辐射电磁场存在以电流为主的近场区和以电流导数为主的远场区，在实际应用时可以根据具体对象所遭遇电磁场的影响程度对近场和远场项进行取舍而获得近似的电磁场时空分布。在使用这种模型进行计算时，由于涉及初始静电荷和电流的积分计算，计算过程比较复杂。
当放电电流为《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》规定的人体-金属模型电流波形时，用式(1-5)所示的脉冲函数对其进行表示，利用改进的偶极子模型对静电放电火花产生的电磁场进行计算并分析其分布特征。
(1-5)
式中，分别为与快、慢放电幅度相关的参数；分别为与快、慢放电上升时间和持续时间相关的参数；p、q为无量纲参数。
图1-3是计算的-8kV放电(对应的放电火花长度l约为1.5mm)时空间中距放电点0.33m处的近区场点和3.2m处的远区场点的电磁场，并把解析方法计算结果和时域有限差分数值解结果进行了比较(因y方向的电磁场波形与x方向的一致，故图1-3中只给出了x方向电磁场)。
图1-3 静电放电电磁场计算结果
1.1.2 雷电电磁脉冲
雷电也可以看成大规模的静电放电，其放电电流持续时间长，与一般的静电放电相比，雷电电磁脉冲场的频率较低，能量较大，雷电释放出的脉冲电流峰值*高可达上百千安。人类对雷电的研究已经有200多年历史，对雷电灾害的认识和预防主要是以防护直击雷为主。防雷技术发展到现阶段，对直击雷的防护已经日趋完善，大大降低了直击雷灾害的概率。对雷电电磁脉冲的认识和研究起步较晚，直到20世纪70年代，雷电的电磁干扰效应才引起重视。
雷电的放电长度一般为几千米，频谱范围主要为1kHz～5MHz。发生闪击时，电压高达几百万伏，电流可达几十万安/微秒。闪电通道周围会产生强大的电磁效应、热效应、电动力效应、高电压效应和电磁辐射，因此无论是天线、架空电网、外露的电线、电缆、埋地电缆或裸露的金属体等都可能感应很大的感应过电压、过电流。
雷电电磁脉冲是伴随雷电放电产生的电流瞬变和强电磁场辐射，属于雷电的二次效应，出现的频率非常高，是*常见的天然强电磁干扰源之一。据统计，全球范围内每秒约发生100次闪电，闪电通道电流高达几十万乃至上百万安，电流上升率可达几万安/微秒，在闪电通道周围会产生强大的电磁感应效应、热效应、电动力效应、高电压波侵入和电磁辐射效应等。
根据国际电工委员会制定的《雷电电磁脉冲的防护》(IEC61312-1)，雷电电磁脉冲包括非直击雷产生的电磁场和电流瞬变。以此为依据，雷电电磁脉冲可以划分为三种形式：静电脉冲、地电流瞬变和电磁场辐射。以往防雷工程中强调的雷电电磁脉冲通常是指地电流瞬变和架空输电线的传导浪涌，而现在对电磁干扰辐射场的危害越来越重视。
1. 静电脉冲
大气电离层带负电荷，与大地之间形成了大气静电场，通常情况下，地面附近电场强度约150V/m。雷雨云的下部净电荷较为集中，其电位较高，因此其下方地面局部静电场强远高于平时的大气静电场强，雷雨降临之前，该区域地面场强可达10000～30000V/m。
雷雨云形成的电场，在地面物体表面感应出异号电荷，其电荷密度和电位随附近大气场强而变化。例如，地面上10m处的架空线，可感应出100～300kV的对地电压。落雷的瞬间，雷雨云电荷被释放，大气静电场急剧减小，地面物体的感应电荷失去束缚，会沿接地通路流向大地，由于电流流经的通道存在电阻，因此出现电压，这种瞬时高电压称为静电脉冲，也称为天电瞬变，如图1 4所示。对于接地良好的导体，静电脉冲极小，可以忽略。静电接地电阻较大的孤立导体，其放电时间通常大于雷电持续时间，静电脉冲的危害尤为明显。
图1-4 静电脉冲的形成原理
2. 地电流瞬变
地电流瞬变是由落雷点附近区域的地面电荷中和形成的。以常见的负地闪为例(图1-5)，主放电通道建立后，产生回击电流，即雷雨云中的负电荷会流向大地，同时地面的感应正电荷也流向落雷点与负电荷中和，形成瞬变地电流。地电流流过的地方，会出现瞬态高电位；不同位置之间也会有瞬时高电压，即跨步电压，如图1-5中A、B两点所示。
图1-5 地电流瞬变
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