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    雷電感應(yīng)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的侵襲與防護(hù)!

    發(fā)布時(shí)間:2019-01-08  
          廣播、電視及通信等微電子設(shè)備的信號(hào)傳輸系統(tǒng)常被雷擊而損壞,所造成的損失是驚人的。當(dāng)前對(duì)于該系統(tǒng)受雷擊的原理分析也有多種不同觀點(diǎn),都有其合理性,筆者在多年的防雷實(shí)踐后也在探索之中,但最接近事實(shí)的只能有一種。
    一 、原有的理論
    《雷電電磁干擾的防護(hù)和微電子設(shè)備易損性的計(jì)算》一文中提到:各類信號(hào)線常采用穿金屬管道進(jìn)行屏蔽,或選用具有屏蔽層的電纜,當(dāng)電纜的屏蔽層(或屏蔽金屬管道)有良好的導(dǎo)電性并兩端接地時(shí),則在其中感應(yīng)的電流會(huì)產(chǎn)生“中和”磁通。如圖1所示,屏蔽層磁場(chǎng)抵消掉雷電磁場(chǎng),使屏蔽層內(nèi)的磁通變化量接近于零,這就達(dá)到了完全屏蔽的效果。在很多的防雷書(shū)籍中以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也都是與該原理一致的,筆者也曾經(jīng)按照此原理進(jìn)行防雷電感應(yīng),但幾年下來(lái)就是不管用,我們?cè)?jīng)使用有多層屏蔽的信號(hào)線,并進(jìn)行多點(diǎn)等電位連接進(jìn)行防雷電感應(yīng),可無(wú)濟(jì)于事。實(shí)踐才是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn),筆者對(duì)上述理論逐漸有了不同看法。
    二、對(duì)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(qū)域頻率范圍。

    根據(jù)能量守恒原理,信號(hào)系統(tǒng)被雷擊而損壞,是由于雷電通過(guò)電磁感應(yīng)使雷電能量進(jìn)入設(shè)備,而這部分能量即是破壞能量,我們對(duì)這部分能量的主要部分進(jìn)行分析,然后找到一些有針對(duì)性的抑制方法,就可以達(dá)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1KHZ附近,我們用一根兩端開(kāi)路的信號(hào)線處在頻率為1KHZ的強(qiáng)大外電流附近進(jìn)行分析。無(wú)論信號(hào)線的長(zhǎng)短如何,都會(huì)在信號(hào)線的外導(dǎo)體(屏蔽層)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)該信號(hào)線的長(zhǎng)度可以與外電流頻率四分之一波長(zhǎng)相比較或大于外電流頻率四分之一波長(zhǎng)時(shí),在開(kāi)路的信號(hào)線上開(kāi)始先于信號(hào)線兩端產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)而產(chǎn)生感生電流(電磁波的特性)。隨著外電流頻率的升高,會(huì)在每一個(gè)波長(zhǎng)長(zhǎng)度的信號(hào)線的外導(dǎo)體(屏蔽層)上產(chǎn)生一個(gè)周期的電流(電壓)。這個(gè)電流所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)是阻礙原磁場(chǎng)變化的,隨著頻率的升高,該電流的變化率也逐漸加大,產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)也逐漸加強(qiáng),當(dāng)該感應(yīng)磁場(chǎng)達(dá)到與在信號(hào)線外導(dǎo)體處的原磁場(chǎng)相等時(shí),信號(hào)線的屏蔽層才起到完全屏蔽外電磁場(chǎng)的作用。

    雷電流的主要能量集中在1kHz附近,波長(zhǎng)約300公里左右,而我們使用的信號(hào)線最多也就幾十米,要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雷電流的波長(zhǎng),無(wú)法相互比較。在信號(hào)線的外導(dǎo)體還未產(chǎn)生感生電流時(shí),在信號(hào)線的內(nèi)外導(dǎo)體兩端已經(jīng)產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢(shì),當(dāng)信號(hào)線的外導(dǎo)體產(chǎn)生感生電流時(shí)內(nèi)導(dǎo)體也會(huì)產(chǎn)生感生電流,該感生電流既是破壞電流,還沒(méi)有等外導(dǎo)體產(chǎn)生足夠的感應(yīng)磁場(chǎng)來(lái)抵消外磁場(chǎng)時(shí),設(shè)備就已經(jīng)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(jí)電流也產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng),該感應(yīng)磁場(chǎng)也是阻礙原磁場(chǎng)變化的,但它的磁場(chǎng)是不能完全抵消原磁場(chǎng)變化的,該道理與雷電感應(yīng)有些類似。

    我們還可以做一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn),取一段5厘米左右的直導(dǎo)線,放在微波爐中加熱20~30秒后取出,發(fā)現(xiàn)直導(dǎo)線被加熱了,說(shuō)明在直導(dǎo)線中有較大的電流流過(guò),原因只能是在導(dǎo)線上有電流流過(guò),也是因?yàn)閷?dǎo)線的長(zhǎng)度與電磁波(微波)的波長(zhǎng)相當(dāng),或者長(zhǎng)于微波的四分之一波長(zhǎng)。我們的50Hz的市電電源線在沒(méi)有用電器使用時(shí)(開(kāi)路狀態(tài)),電源線中只有電壓沒(méi)有電流??梢韵胂?當(dāng)電源線的長(zhǎng)度達(dá)到或大于50Hz的四分之一波長(zhǎng)的長(zhǎng)度時(shí),在沒(méi)有用電器使用時(shí)(開(kāi)路狀態(tài)),在電源線中也會(huì)產(chǎn)生電流。

    三、關(guān)于四分之一波長(zhǎng)(λ/4)

    在無(wú)線電領(lǐng)域里,λ/4得到廣泛采用,如各頻率的發(fā)射天線、接收天線,振子的長(zhǎng)度都是λ/4波長(zhǎng)或者與λ/4有關(guān),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(lǐng)域里也得到了應(yīng)用,在發(fā)射機(jī)的射頻輸出端,并聯(lián)一個(gè)λ/4波長(zhǎng)長(zhǎng)度的短路環(huán),可有效地保護(hù)發(fā)射機(jī)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(gè)周期內(nèi)的四個(gè)T/4時(shí)間內(nèi)電壓的變化情況,在正半周的0至T/4時(shí)間內(nèi),電壓是上升的,但上升的速度在下降,由T/4至T/2時(shí)間內(nèi),電壓是下降的,而且速度越來(lái)越快,到T/2時(shí)刻下降速度最大,進(jìn)入負(fù)半周,負(fù)半周由此類推,其規(guī)律是 每進(jìn)入T/4的時(shí)間內(nèi),極性和變化率總會(huì)有一個(gè)發(fā)生改變。

    2、天線電壓、電流、磁場(chǎng)的變化

    將這樣一個(gè)高頻電壓加到天線的振子

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