雷電電磁脈沖對信號系統(tǒng)的侵襲分析與防護

吳 桐 李寶華

1 原有的常規(guī)理論

圖1 金屬管道屏蔽原理圖

各類信號線常采用金屬屏蔽，當電纜的屏蔽層有良好的導(dǎo)電性，并兩端接地時，在金屬屏蔽層感應(yīng)的電流會產(chǎn)生“中和”磁通。如圖1所示，屏蔽層磁場抵消雷電磁場，使屏蔽層內(nèi)的磁通變化量接近0，這就達到了完全屏蔽的效果。

筆者曾經(jīng)根據(jù)此原理以及以往的書籍、標準方法反復(fù)試驗，進行了多年防雷電電磁脈沖實踐與探索，但在實踐中發(fā)現(xiàn)，無論采用多么高質(zhì)量的材料屏蔽、如何改善接地質(zhì)量，都不起作用，曾經(jīng)使用雙層屏蔽網(wǎng)的信號傳輸線，下大力氣改善接地效果，并通過多點接地以及等電位連接等方法防雷電電磁脈沖，可是，設(shè)備依舊被雷擊損壞。筆者通過十余年的實踐，對上述理論逐步有了不同看法。

2 對雷電流能量集中頻率的特性分析

雷電流脈沖波是連續(xù)的脈沖，其頻譜有多種頻率組成，可以找到頻率分布范圍，并找到能量最集中的區(qū)域。

圖2是國家標準和世界標準中雷電流標準波形圖，虛線是估計電流波形圖，T2的時間小于2 ms，估計電流i1和i2的幅度疊加后的輪廓與雷電流的前半部分輪廓基本相同，筆者認為，電流i1和i2就是該脈沖能量最大的電流頻率，其周期與T2相比可以大致確定i1和i2的大致頻率為1～2 kHz左右。

圖2 標準雷電流波形圖與估計電流波形

還可以把雷電流看作是周期為無窮大的周期性脈沖，利用傅立葉級數(shù)展開方法，將它分解成許多不同頻率的正弦分量，然后再看這些分量的幅值與頻率之間的關(guān)系，結(jié)果依然表明，其中雷電流主要能量分布在低頻部分。如果找到一些有針對性的抑制方法，就可以達到防雷目的。

從上述分析得知，雷電流主要能量集中區(qū)域在1 kHz左右，用一根兩端開路的信號線，使之處在頻率為1 kHz的強大外電流附近進行分析。此時，信號線處在強大的磁場中，無論信號線的長短如何，都會在信號線的外導(dǎo)體（屏蔽層）產(chǎn)生感生電動勢。當該信號線的長度可以與外電流頻率1/4波長相比或大于外電流頻率1/4λ波長時，在兩端開路的信號線上開始在產(chǎn)生感生電動勢的同時，產(chǎn)生感生電流。隨著外電流頻率的升高，會在每一個1/4λ波長長度的信號線的外導(dǎo)體（屏蔽層）上產(chǎn)生1/4個周期的電流（電壓）。隨著頻率的不斷升高，該電流的變化率也逐漸增大，所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場也逐漸增強，當該感應(yīng)磁場的強度達到一定程度時，才有可能完全抵消原磁場。

在實際當中，雷電脈沖的能量主要集中的波長大于100 km，而使用的信號線最多也就幾十米，要遠遠小于雷電流的波長，根本不在一個數(shù)量級,更無法相互比較，而且在實際使用中信號線是兩端接地的，信號線本身形成環(huán)路,當有雷電感應(yīng)時,在信號線的外導(dǎo)體還未產(chǎn)生感生足夠的電流時，信號線的內(nèi)外導(dǎo)體兩端已經(jīng)產(chǎn)生了感生電動勢，當信號線的外導(dǎo)體產(chǎn)生感生電流時內(nèi)導(dǎo)體也會產(chǎn)生感生電流，該感生電流既是破壞電流，還沒有等外導(dǎo)體產(chǎn)生足夠的感應(yīng)磁場來抵消外磁場時，設(shè)備就已經(jīng)被該電流損壞了。

以50 Hz的普通變壓器為例，變壓器的次級電流是感應(yīng)電流，它也產(chǎn)生感應(yīng)磁場，該感應(yīng)磁場也是對原磁場起到阻礙作用，但它的磁場對原磁場的影響可以忽略不計，更不能完全抵消原磁場變化的，該道理與雷電感應(yīng)相類似。

可以做一個簡單的實驗，取一段5 cm左右的直導(dǎo)線，放在家用微波爐中加熱10～30 s后取出（有時會產(chǎn)生火花），發(fā)現(xiàn)直導(dǎo)線被加熱了，說明在直導(dǎo)線中有較大的電流流過，原因就是導(dǎo)線的長度與微波的1/4波長度接近，或者比微波的波長還要長。

綜上所述，原有理論只適用于頻率較高的頻段，不適用于頻率較低的頻段，而雷電流的主要能量集中在低頻部分，原有理論存在明顯不足。當頻率低時起主導(dǎo)作用的應(yīng)是磁場，當頻率高時起主導(dǎo)作用的應(yīng)是電場，所以，在防雷電感應(yīng)時主要還是防磁場。

3 采取相應(yīng)的防護方法

3.1 采用磁場屏蔽方法防雷電感應(yīng)

圖3 信號線磁場屏蔽原理圖

圖3是信號線磁場屏蔽原理圖，由于信號傳輸線的外導(dǎo)體就是屏蔽層，一般都是鋁鎂合金或銅質(zhì)或材料制成，其磁導(dǎo)率小于真空磁導(dǎo)率，對恒定磁場沒有屏蔽作用，而且對頻率低的電磁場屏蔽效果有限。只是對高頻（高頻信號1/4波長小于信號線的長度）電磁場有屏蔽作用，而從雷電流的頻譜分析結(jié)果是，雷電的主要能量集中在低頻頻段內(nèi)，這種屏蔽層的屏蔽能力是有限，不能很好地達到屏蔽目的。鐵管的磁導(dǎo)率較高、價格低廉，而且容易找到，采用鐵管屏蔽是一個不錯的選擇，如圖3所示，屏蔽層的厚度、材質(zhì)的磁導(dǎo)率與屏蔽效果有很大關(guān)系。

基于以上分析，鐵管兩端接地與否，對信號系統(tǒng)防雷效果沒有影響，那么等電位連接在此也就不起作用了，筆者經(jīng)歷的事實也是如此，同時，筆者也做過相關(guān)的實驗，實驗結(jié)果證明等電位連接在此不起作用。

3.2 采用能量吸收和濾波的方法

圖4 雷電感應(yīng)能量吸收器結(jié)構(gòu)圖

信號線芯線產(chǎn)生的破壞電流既然是通過雷電磁感應(yīng)產(chǎn)生的，也具有很強的變化率，根據(jù)這一思路制作了雷電感應(yīng)能量吸收器，并獲國家專利（專利號：20120476546.0）。圖4是雷電感應(yīng)能量吸收器結(jié)構(gòu)圖，該雷電感應(yīng)能量吸收器不但對雷電感應(yīng)能量有吸收功能，還可對雷電流的高頻部分有抑制、緩沖和濾波作用。

3.3 采用介入方法防治雷電感應(yīng)

在剛開始進行防雷時，經(jīng)將兩個5 V的穩(wěn)壓二極管反向串接，然后并聯(lián)到音頻線的芯線與地之間，用于限制音頻線的芯線與地之間的最高電壓不會超過5.6 V，使用幾年后發(fā)現(xiàn)，雖然有一定的保護作用，但由于雷電流過于強大，經(jīng)常將接上去的穩(wěn)壓二極管擊壞。類似的產(chǎn)品市場上比較多，但都有一個無法克服的缺點，就是會在線路中形成分布電容和分布電感，會對傳輸信號產(chǎn)生影響。

在防雷電的電磁脈沖（雷電感應(yīng)）時，應(yīng)分析了解雷電破壞的機理，掌握其特有規(guī)律，然后找出相應(yīng)解決辦法，筆者認為，除屏蔽、濾波外，還應(yīng)包括變壓器隔離（電源系統(tǒng)），能量吸收等技術(shù)。

參考文獻：

[1]潘忠林.現(xiàn)代防雷技術(shù)與工程[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,2012.