1、1閃絡雷擊突波與電磁脈衝波抑制技術廖順安一、突波干擾來源分析“ 突波”以中文直譯“突然變化的波形” ，將其特質傳神的表達。但通常突波還是廣義以閃絡雷擊突波（Lightning Flash Surge - LFS）與供電系統本身的開關突波 (Switching Surge-SS)入侵電源造成電源波形瞬間變化為代表。那麼電磁脈衝波（Electric Magnetic Pulse - EMP） 、急速暫態過電壓(Very Fast Transient over voltage- VFTO)、電源波形數個週期的突升(Swell)與電源波形數個週期的突降(Sag)又是隸屬何種範疇？對於電氣設備不會有影響
2、？閃絡雷擊突波主要特性是能量在極短暫時間釋放形成閃絡(紫色閃光)放電電流(Discharge Current)，因相當於短路電流，故此刻電壓趨近“0V” 。突波放電電流導入大地或AC 電源所引起之突波電壓或電位上升可以用以下方程式表示：式(1)，對於突波電壓 Vsurge 是否會造成電磁脈衝波（Electric Magnetic Pulse - EMP）干擾，由雜散電感 L 與 dIsurge/dt 決定；突波電壓(V surge)則由接地阻抗 Rg 與突波放電電流 Isurge 決定。因此影響電氣設備的關鍵是突波能量與放電電流。式(1)所適用之範圍尚包括供電系統本身的開關動作所造成的突波能量
3、與放電電流。二、突波之處理過去對於突波電壓(V surge)抑制或防制始終在 Rg 打轉。基本上接地阻抗 Rg 低，突波電壓Vsurge 也會降低是毫無疑問；但影響電氣設備的關鍵突波能量與放電電流並未改變。箝位電壓高則放電電流低，箝位電壓低則放電電流高，能量依然大量存在，也造成 AC 電源波形擾動與失真現象產生，詳如圖 1。另外 dIsurge/dt 所產生的電磁脈衝未曾因地阻抗 Rg 低而降低。若放電電流能吸收應用，將其所含帶能量緩慢釋放流入 AC 電源負載側，則突波電壓之干擾自然變小。由突波放電電流(Surege Discharge Current 著手吸收突波能量再轉換至 AC 電源負載
4、側的觀念與過去所採之抑制突波電壓觀念完全不同；同時技術層次與困難度也高出非常多。吸收放電電流能量再轉換至 AC 電源負載側必須應用“突波能量儲存與釋放電路” 方能實現；傳統所採用引導突波放電電流至大地的突波電壓抑制方法，無法達到此功能。圖 2（詳見本會月刊第 131 期內容）中總共顯示出 12 各週期的 AC 電源波形，突波入侵發生於於第 3 個週期，經突波能量儲存與釋放電路後，將能量釋放回 AC 電源負載側。此方法將圖 1 之波形擾動與失真現象完全修正成標準正弦波(第 4 週期-第 9 週期)。後，在突波能量釋放完畢後的第 10 個週期， AC 電源波形又恢復成第 1-2 個週期狀態輕微失真
5、。在第 4 週期-第 9 週期發現峰值電壓上升 2%；此證明突波能量被吸收轉換回 AC 電源負載側。三、電磁脈衝波電磁脈衝波(Electric magnetic pulse-EMP)的上升與持續時間比 LFS 快上 1000 倍，為 nS 等級干擾源，具有穿透干擾特質。因線路配置與電力系統共模干擾(Common mode interference)的結果，上升時間為 nS 等級的雜訊或干擾脈衝波，發生的機率遠比 LFS 發生的機率高很多。特別當雷雨發生時，因雷雲對雷雲放電所產生的束縛電荷釋放效應與線路配置的結果，LFS與 EMP 將同時發生，形成電子系統面臨兩種不同性質突波干擾問題。圖 3（詳
6、見本會月刊第 131 期內容）是數個雷擊程所形成閃絡，即雷雲對地放電；圖式(1)24（詳見本會月刊第 131 期內容）是天空閃電即雷雲對雷雲放電。在全部雷雲放電過程中，雷雲對地放電所佔的比例約 10，雷雲對雷雲放電所佔的比例約 90。以台北市區 2008/8/15 14:00-15:00，一個小時內的氣團雷雨分佈情況為例，雷雲對雷雲放電所佔的比例在 90 以上，詳如圖 5。圖 5（詳見本會月刊第 131 期內容）中各種顏色直線條，代表天空中的雷雲對雷雲放電。圖 5 所表達最重要的意義有二：1. 雷雲對雷雲放電 (天空閃電) 長度至少直徑 5 公里以上並且數量龐大，所形成之雷雲電荷感應，對於供電
7、線路有所影響，進而影響交通號誌控制系統電源，造成干擾或故障發生。2.雷雲對地放電 (直接雷擊) 次數相對較少，因此電子系統遭受直接雷擊之機會很低。雷雲對雷雲放電所產生的束縛電荷釋放效應，如圖 6（詳見本會月刊第 131 期內容） 。並因線路配置的結果 EMP 在線路造成進行波與反射效應，EMP 的發生是持續性多次結構，如圖 7 至圖 10 所示（詳見本會月刊第 131 期內容） 。圖 7 至圖 10 是善針對 AC 電源的擷取後(檔案編號：CH000187)持續進行時間軸放大所呈現之完全 EMP。由圖 7 至圖 10 可確認 EMP一旦發生，次數將很龐大；因此 EMP 由電子系統電源端入侵將特
8、別嚴重。四、電磁脈衝波之抑制LFS 具有易損性干擾能力（Vulnerability Interference Ability - VIA） ； EMP 則具有感受性干擾能力（Susceptibility Interference Ability - SIA） 。因電子設備線路配置結果，SIA 出現的機率遠比 VIA 出現的機率高。 SIA 代表是穿透性能力；簡單的說，就是突波抑制方法或設施完全來不及反應，nS 等級的 EMP 已經進入到電子系統，干擾其正常運作。突波能量集中於電流，對於 LFS 能量的消除始終在電壓範疇上打轉是毫無道理的方法。再者；EMP 穿透性的能力由上升時間決定，pS 等級
9、 nS 等級 S 等級。反應速度 S 等級的突波抑制方法，對於 nS 等級的 EMP，當然全然無效。線路配置造成震盪效應，使 S 等級突波提升至 nS 等級並穿透能力的 EMP；因此唯有將突波能量吸收處理後之存存能量，再將 EMP 的 nS 上升時間轉回至 S 上升時間後，方能有效抑制 EMP 之感受性干擾，如圖 11 與圖 12。 （詳見本會月刊第 131 期內容）五、結論與建議應用突波能量吸收轉換處理，將突波能量釋放回 AC 電源負載側之技術，修正 AC 電源波形擾動與失真現象；並同時具備抑制對於 nS 等級 EMP 穿透性的能力，確實對電子系統保護效果，比過去完全在“突波電壓”打轉的突波電壓抑制器確實高出非常多。基於實際干擾環境之考量；新設置之系統對於電源干擾之抑制能力規範則建議開立採易損性突波能量吸收率：95%以上 、 電源波形擾動修正能力：突波入侵時電源波形修正達 1-3 週期以上 以及EMP 抑制能力：95%等，以符合實際需求。更多相關技術請 E-mail: L 討論。
