雷電電磁脈沖對信號系統的侵襲分析與防護

吳 桐 李寶華

1 原有的常規理論

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電性，并兩端接地時，在金屬屏蔽層感應的電流會產生“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。

筆者曾經根據此原理以及以往的書籍、標準方法反復試驗，進行了多年防雷電電磁脈沖實踐與探索，但在實踐中發現，無論采用多么高質量的材料屏蔽、如何改善接地質量，都不起作用，曾經使用雙層屏蔽網的信號傳輸線，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系，結果依然表明，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生感生電動勢的同時，產生感生電流。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體（屏蔽層）上產生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，所產生的感應磁場也逐漸增強，當該感應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，信號線本身形成環路,當有雷電感應時,在信號線的外導體還未產生感生足夠的電流時，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50 Hz的普通變壓器為例，變壓器的次級電流是感應電流，它也產生感應磁場，該感應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，該道理與雷電感應相類似。

可以做一個簡單的實驗，取一段5 cm左右的直導線，放在家用微波爐中加熱10～30 s后取出（有時會產生火花），發現直導線被加熱了，說明在直導線中有較大的電流流過，原因就是導線的長度與微波的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。當頻率低時起主導作用的應是磁場，當頻率高時起主導作用的應是電場，所以，在防雷電感應時主要還是防磁場。

3 采取相應的防護方法

3.1 采用磁場屏蔽方法防雷電感應

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體就是屏蔽層，一般都是鋁鎂合金或銅質或材料制成，其磁導率小于真空磁導率，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果是，雷電的主要能量集中在低頻頻段內，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、材質的磁導率與屏蔽效果有很大關系。

基于以上分析，鐵管兩端接地與否，對信號系統防雷效果沒有影響，那么等電位連接在此也就不起作用了，筆者經歷的事實也是如此，同時，筆者也做過相關的實驗，實驗結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 雷電感應能量吸收器結構圖

信號線芯線產生的破壞電流既然是通過雷電磁感應產生的，也具有很強的變化率，根據這一思路制作了雷電感應能量吸收器，并獲國家專利（專利號：20120476546.0）。圖4是雷電感應能量吸收器結構圖，該雷電感應能量吸收器不但對雷電感應能量有吸收功能，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

在剛開始進行防雷時，經將兩個5 V的穩壓二極管反向串接，然后并聯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，使用幾年后發現，雖然有一定的保護作用，但由于雷電流過于強大，經常將接上去的穩壓二極管擊壞。類似的產品市場上比較多，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，會對傳輸信號產生影響。

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

參考文獻：

[1]潘忠林.現代防雷技術與工程[M].成都:電子科技大學出版社,2012.