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雷电感应对信号系统的侵袭与防护!

发布时间:2019-01-08  
      广播、电视及通信等微电子设备的信号传输系统常被雷击而损坏,所造成的损失是惊人的。当前对于该系统受雷击的原理分析也有多种不同观点,都有其合理性,笔者在多年的防雷实践后也在探索之中,但最接近事实的只能有一种。
一 、原有的理论
《雷电电磁干扰的防护和微电子设备易损性的计算》一文中提到:各类信号线常采用穿金属管道进行屏蔽,或选用具有屏蔽层的电缆,当电缆的屏蔽层(或屏蔽金属管道)有良好的导电性并两端接地时,则在其中感应的电流会产生“中和”磁通。如图1所示,屏蔽层磁场抵消掉雷电磁场,使屏蔽层内的磁通变化量接近于零,这就达到了完全屏蔽的效果。在很多的防雷书籍中以及国家标准也都是与该原理一致的,笔者也曾经按照此原理进行防雷电感应,但几年下来就是不管用,我们曾经使用有多层屏蔽的信号线,并进行多点等电位连接进行防雷电感应,可无济于事。实践才是检验真理的唯一标准,笔者对上述理论逐渐有了不同看法。
二、对雷电流能量集中频率的特性分析

虽然雷电流脉冲波有多种频率,每次雷电也不完全一样,但其中我们可以找到能量最集中的区域频率范围。

根据能量守恒原理,信号系统被雷击而损坏,是由于雷电通过电磁感应使雷电能量进入设备,而这部分能量即是破坏能量,我们对这部分能量的主要部分进行分析,然后找到一些有针对性的抑制方法,就可以达到防雷目的。

从上述分析得知雷电流主要能量集中区域在1KHZ附近,我们用一根两端开路的信号线处在频率为1KHZ的强大外电流附近进行分析。无论信号线的长短如何,都会在信号线的外导体(屏蔽层)产生感生电动势。当该信号线的长度可以与外电流频率四分之一波长相比较或大于外电流频率四分之一波长时,在开路的信号线上开始先于信号线两端产生的感生电动势而产生感生电流(电磁波的特性)。随着外电流频率的升高,会在每一个波长长度的信号线的外导体(屏蔽层)上产生一个周期的电流(电压)。这个电流所产生的感应磁场是阻碍原磁场变化的,随着频率的升高,该电流的变化率也逐渐加大,产生的感应磁场也逐渐加强,当该感应磁场达到与在信号线外导体处的原磁场相等时,信号线的屏蔽层才起到完全屏蔽外电磁场的作用。

雷电流的主要能量集中在1kHz附近,波长约300公里左右,而我们使用的信号线最多也就几十米,要远远小于雷电流的波长,无法相互比较。在信号线的外导体还未产生感生电流时,在信号线的内外导体两端已经产生了感生电动势,当信号线的外导体产生感生电流时内导体也会产生感生电流,该感生电流既是破坏电流,还没有等外导体产生足够的感应磁场来抵消外磁场时,设备就已经被该电流损坏了。

以我们所使用的50Hz的普通变压器为例,变压器的次级电流也产生感应磁场,该感应磁场也是阻碍原磁场变化的,但它的磁场是不能完全抵消原磁场变化的,该道理与雷电感应有些类似。

我们还可以做一个简单的实验,取一段5厘米左右的直导线,放在微波炉中加热20~30秒后取出,发现直导线被加热了,说明在直导线中有较大的电流流过,原因只能是在导线上有电流流过,也是因为导线的长度与电磁波(微波)的波长相当,或者长于微波的四分之一波长。我们的50Hz的市电电源线在没有用电器使用时(开路状态),电源线中只有电压没有电流。可以想象,当电源线的长度达到或大于50Hz的四分之一波长的长度时,在没有用电器使用时(开路状态),在电源线中也会产生电流。

三、关于四分之一波长(λ/4)

在无线电领域里,λ/4得到广泛采用,如各频率的发射天线、接收天线,振子的长度都是λ/4波长或者与λ/4有关,在高频线路的匹配、公率分配等电路中λ/4也起着不可替代的作用,它在防雷领域里也得到了应用,在发射机的射频输出端,并联一个λ/4波长长度的短路环,可有效地保护发射机功放部分不被雷击损坏。

1、交流电的T/4

如图3所示,是在一个周期内的四个T/4时间内电压的变化情况,在正半周的0至T/4时间内,电压是上升的,但上升的速度在下降,由T/4至T/2时间内,电压是下降的,而且速度越来越快,到T/2时刻下降速度最大,进入负半周,负半周由此类推,其规律是 每进入T/4的时间内,极性和变化率总会有一个发生改变。

2、天线电压、电流、磁场的变化

将这样一个高频电压加到天线的振子

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