雷电电磁脉冲对信号系统的侵袭分析与防护

吴 桐 李宝华

1 原有的常规理论

图1 金属管道屏蔽原理图

各类信号线常采用金属屏蔽，当电缆的屏蔽层有良好的导电性，并两端接地时，在金属屏蔽层感应的电流会产生“中和”磁通。如图1所示，屏蔽层磁场抵消雷电磁场，使屏蔽层内的磁通变化量接近0，这就达到了完全屏蔽的效果。

笔者曾经根据此原理以及以往的书籍、标准方法反复试验，进行了多年防雷电电磁脉冲实践与探索，但在实践中发现，无论采用多么高质量的材料屏蔽、如何改善接地质量，都不起作用，曾经使用双层屏蔽网的信号传输线，下大力气改善接地效果，并通过多点接地以及等电位连接等方法防雷电电磁脉冲，可是，设备依旧被雷击损坏。笔者通过十余年的实践，对上述理论逐步有了不同看法。

2 对雷电流能量集中频率的特性分析

雷电流脉冲波是连续的脉冲，其频谱有多种频率组成，可以找到频率分布范围，并找到能量最集中的区域。

图2是国家标准和世界标准中雷电流标准波形图，虚线是估计电流波形图，T2的时间小于2 ms，估计电流i1和i2的幅度叠加后的轮廓与雷电流的前半部分轮廓基本相同，笔者认为，电流i1和i2就是该脉冲能量最大的电流频率，其周期与T2相比可以大致确定i1和i2的大致频率为1～2 kHz左右。

图2 标准雷电流波形图与估计电流波形

还可以把雷电流看作是周期为无穷大的周期性脉冲，利用傅立叶级数展开方法，将它分解成许多不同频率的正弦分量，然后再看这些分量的幅值与频率之间的关系，结果依然表明，其中雷电流主要能量分布在低频部分。如果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1 kHz左右，用一根两端开路的信号线，使之处在频率为1 kHz的强大外电流附近进行分析。此时，信号线处在强大的磁场中，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1/4波长相比或大于外电流频率1/4λ波长时，在两端开路的信号线上开始在产生感生电动势的同时，产生感生电流。随着外电流频率的升高，会在每一个1/4λ波长长度的信号线的外导体（屏蔽层）上产生1/4个周期的电流（电压）。随着频率的不断升高，该电流的变化率也逐渐增大，所产生的感应磁场也逐渐增强，当该感应磁场的强度达到一定程度时，才有可能完全抵消原磁场。

在实际当中，雷电脉冲的能量主要集中的波长大于100 km，而使用的信号线最多也就几十米，要远远小于雷电流的波长，根本不在一个数量级,更无法相互比较，而且在实际使用中信号线是两端接地的，信号线本身形成环路,当有雷电感应时,在信号线的外导体还未产生感生足够的电流时，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50 Hz的普通变压器为例，变压器的次级电流是感应电流，它也产生感应磁场，该感应磁场也是对原磁场起到阻碍作用，但它的磁场对原磁场的影响可以忽略不计，更不能完全抵消原磁场变化的，该道理与雷电感应相类似。

可以做一个简单的实验，取一段5 cm左右的直导线，放在家用微波炉中加热10～30 s后取出（有时会产生火花），发现直导线被加热了，说明在直导线中有较大的电流流过，原因就是导线的长度与微波的1/4波长度接近，或者比微波的波长还要长。

综上所述，原有理论只适用于频率较高的频段，不适用于频率较低的频段，而雷电流的主要能量集中在低频部分，原有理论存在明显不足。当频率低时起主导作用的应是磁场，当频率高时起主导作用的应是电场，所以，在防雷电感应时主要还是防磁场。

3 采取相应的防护方法

3.1 采用磁场屏蔽方法防雷电感应

图3 信号线磁场屏蔽原理图

图3是信号线磁场屏蔽原理图，由于信号传输线的外导体就是屏蔽层，一般都是铝镁合金或铜质或材料制成，其磁导率小于真空磁导率，对恒定磁场没有屏蔽作用，而且对频率低的电磁场屏蔽效果有限。只是对高频（高频信号1/4波长小于信号线的长度）电磁场有屏蔽作用，而从雷电流的频谱分析结果是，雷电的主要能量集中在低频频段内，这种屏蔽层的屏蔽能力是有限，不能很好地达到屏蔽目的。铁管的磁导率较高、价格低廉，而且容易找到，采用铁管屏蔽是一个不错的选择，如图3所示，屏蔽层的厚度、材质的磁导率与屏蔽效果有很大关系。

基于以上分析，铁管两端接地与否，对信号系统防雷效果没有影响，那么等电位连接在此也就不起作用了，笔者经历的事实也是如此，同时，笔者也做过相关的实验，实验结果证明等电位连接在此不起作用。

3.2 采用能量吸收和滤波的方法

图4 雷电感应能量吸收器结构图

信号线芯线产生的破坏电流既然是通过雷电磁感应产生的，也具有很强的变化率，根据这一思路制作了雷电感应能量吸收器，并获国家专利（专利号：20120476546.0）。图4是雷电感应能量吸收器结构图，该雷电感应能量吸收器不但对雷电感应能量有吸收功能，还可对雷电流的高频部分有抑制、缓冲和滤波作用。

3.3 采用介入方法防治雷电感应

在刚开始进行防雷时，经将两个5 V的稳压二极管反向串接，然后并联到音频线的芯线与地之间，用于限制音频线的芯线与地之间的最高电压不会超过5.6 V，使用几年后发现，虽然有一定的保护作用，但由于雷电流过于强大，经常将接上去的稳压二极管击坏。类似的产品市场上比较多，但都有一个无法克服的缺点，就是会在线路中形成分布电容和分布电感，会对传输信号产生影响。

在防雷电的电磁脉冲（雷电感应）时，应分析了解雷电破坏的机理，掌握其特有规律，然后找出相应解决办法，笔者认为，除屏蔽、滤波外，还应包括变压器隔离（电源系统），能量吸收等技术。

参考文献：

[1]潘忠林.现代防雷技术与工程[M].成都:电子科技大学出版社,2012.