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    雷電感應對信號系統的侵襲與防護!

    發布時間:2019-01-08  
          廣播、電視及通信等微電子設備的信號傳輸系統常被雷擊而損壞,所造成的損失是驚人的。當前對于該系統受雷擊的原理分析也有多種不同觀點,都有其合理性,筆者在多年的防雷實踐后也在探索之中,但最接近事實的只能有一種。
    一 、原有的理論
    《雷電電磁干擾的防護和微電子設備易損性的計算》一文中提到:各類信號線常采用穿金屬管道進行屏蔽,或選用具有屏蔽層的電纜,當電纜的屏蔽層(或屏蔽金屬管道)有良好的導電性并兩端接地時,則在其中感應的電流會產生“中和”磁通。如圖1所示,屏蔽層磁場抵消掉雷電磁場,使屏蔽層內的磁通變化量接近于零,這就達到了完全屏蔽的效果。在很多的防雷書籍中以及國家標準也都是與該原理一致的,筆者也曾經按照此原理進行防雷電感應,但幾年下來就是不管用,我們曾經使用有多層屏蔽的信號線,并進行多點等電位連接進行防雷電感應,可無濟于事。實踐才是檢驗真理的唯一標準,筆者對上述理論逐漸有了不同看法。
    二、對雷電流能量集中頻率的特性分析

    雖然雷電流脈沖波有多種頻率,每次雷電也不完全一樣,但其中我們可以找到能量最集中的區域頻率范圍。

    根據能量守恒原理,信號系統被雷擊而損壞,是由于雷電通過電磁感應使雷電能量進入設備,而這部分能量即是破壞能量,我們對這部分能量的主要部分進行分析,然后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域在1KHZ附近,我們用一根兩端開路的信號線處在頻率為1KHZ的強大外電流附近進行分析。無論信號線的長短如何,都會在信號線的外導體(屏蔽層)產生感生電動勢。當該信號線的長度可以與外電流頻率四分之一波長相比較或大于外電流頻率四分之一波長時,在開路的信號線上開始先于信號線兩端產生的感生電動勢而產生感生電流(電磁波的特性)。隨著外電流頻率的升高,會在每一個波長長度的信號線的外導體(屏蔽層)上產生一個周期的電流(電壓)。這個電流所產生的感應磁場是阻礙原磁場變化的,隨著頻率的升高,該電流的變化率也逐漸加大,產生的感應磁場也逐漸加強,當該感應磁場達到與在信號線外導體處的原磁場相等時,信號線的屏蔽層才起到完全屏蔽外電磁場的作用。

    雷電流的主要能量集中在1kHz附近,波長約300公里左右,而我們使用的信號線最多也就幾十米,要遠遠小于雷電流的波長,無法相互比較。在信號線的外導體還未產生感生電流時,在信號線的內外導體兩端已經產生了感生電動勢,當信號線的外導體產生感生電流時內導體也會產生感生電流,該感生電流既是破壞電流,還沒有等外導體產生足夠的感應磁場來抵消外磁場時,設備就已經被該電流損壞了。

    以我們所使用的50Hz的普通變壓器為例,變壓器的次級電流也產生感應磁場,該感應磁場也是阻礙原磁場變化的,但它的磁場是不能完全抵消原磁場變化的,該道理與雷電感應有些類似。

    我們還可以做一個簡單的實驗,取一段5厘米左右的直導線,放在微波爐中加熱20~30秒后取出,發現直導線被加熱了,說明在直導線中有較大的電流流過,原因只能是在導線上有電流流過,也是因為導線的長度與電磁波(微波)的波長相當,或者長于微波的四分之一波長。我們的50Hz的市電電源線在沒有用電器使用時(開路狀態),電源線中只有電壓沒有電流??梢韵胂?當電源線的長度達到或大于50Hz的四分之一波長的長度時,在沒有用電器使用時(開路狀態),在電源線中也會產生電流。

    三、關于四分之一波長(λ/4)

    在無線電領域里,λ/4得到廣泛采用,如各頻率的發射天線、接收天線,振子的長度都是λ/4波長或者與λ/4有關,在高頻線路的匹配、公率分配等電路中λ/4也起著不可替代的作用,它在防雷領域里也得到了應用,在發射機的射頻輸出端,并聯一個λ/4波長長度的短路環,可有效地保護發射機功放部分不被雷擊損壞。

    1、交流電的T/4

    如圖3所示,是在一個周期內的四個T/4時間內電壓的變化情況,在正半周的0至T/4時間內,電壓是上升的,但上升的速度在下降,由T/4至T/2時間內,電壓是下降的,而且速度越來越快,到T/2時刻下降速度最大,進入負半周,負半周由此類推,其規律是 每進入T/4的時間內,極性和變化率總會有一個發生改變。

    2、天線電壓、電流、磁場的變化

    將這樣一個高頻電壓加到天線的振子

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