金属管内同轴线耦合雷电电磁波特性的分析_李祥超.pdf

年第 期（总第 期）年 月电瓷避雷器 （）收稿日期：基金项目：国家重点研发计划（编号：）。（）。：金属管内同轴线耦合雷电电磁波特性的分析李祥超，郭 稳，祖广超凡，赵 凯，欧阳文，文巧莉（南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京）摘 要：针对雷电电磁波对具有金属管保护的架空同轴线造成传输信号干扰、设备损坏等问题，通过对同轴线耦合理论的分析，利用理论与试验相结合的方法，采用大型雷电冲击发生器模拟雷电流进行冲击试验，得到以下结论：随着冲击电流的增大，线缆上的耦合电压也越大，金属管内的同轴线耦合的电压总比管外的同轴线耦合电压更小，管径越大耦合电压更小，当管径达到一定尺寸时，可以将管内的同轴线耦合电压降低在 以下，有效保护线缆终端的电子设备不受到过电压而有损坏；由频谱图可知，耦合的最大振幅均集中在 ；同轴线在终端屏蔽层接地时能有效减小耦合雷电电磁波产生的过电压，最后通过曲线拟合，反推出当冲击电流为 时，长度为 的同轴线耦合的峰值电压为 ，所得的结论对同轴线在进行雷电防护中有一定的参考价值。关键词：雷电电磁波；同轴线；耦合；金属管 ，（，）：，：，；，；，：；年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）引言科技作为人类进步的第一生产力，在现代工业发展中起着重要作用。在电力系统和信号系统中，线缆作为一种传输媒介的应用更加普遍，生活中到处可见，在科技应用中占有重要的地位。然而，在实际应用中并不理想，常常受到电磁干扰的损害，大自然中形成的雷电会产生高强度的雷电电磁波对线缆造成耦合电压，甚至出现过电压使与线缆连接的终端设备造成不可逆的损坏，保护线缆不受电磁干扰能够正常工作显得尤为重要。研究雷电电磁波对线缆耦合电压，进行有效屏蔽对减少重要电子设备的损害有着实际意义。目前，国内外诸多的学者对线缆耦合雷电电磁波做了许多科研工作。李祥超等分析了不同线缆耦合雷电电磁波的特征，为减少雷电波对线缆的电磁干扰提供了一定的帮助。孙金华在研究雷电波对架空同轴电缆的耦合干扰中详细介绍了同轴线不同长度、同轴线两端的情况、同轴线屏蔽层是否短接时，耦合电压峰值与冲击电压大小的关系。安静等研究了金属腔体内多通道耦合电磁特性，提出了改善腔体屏蔽效能的方法。孙彤通过实验模拟分析了屏蔽体孔缝对雷电流的屏蔽作用，实验结果表明屏蔽效能与孔缝直径成反比，当直径一定时，孔缝数量越少，屏蔽效果越好。帅春江采用混合方法，通过公式推导和数值模拟给出了 种不同缝隙形状的屏蔽壳体（梯形槽、矩形槽、锥形槽）对电磁干扰的屏蔽效能，并得出使用锥形槽时屏蔽效果会更好。田东等人基于屏蔽理论和 仿真软件研究了双层矩形屏蔽体和带分仓的矩形屏蔽体的电磁屏蔽效能，通过建立物理模型和计算得出双层的矩形屏蔽体相对于单层会有更好的屏蔽效果，分仓的矩形屏蔽体能减少内部的电磁干扰。针对于线缆遭受到雷电电磁干扰的问题以及屏蔽腔体的保护效能的研究已有许多学者进行了探讨，但大部分都是基于软件仿真模拟的结果，对于金属腔体内的同轴线缆耦合雷电电磁波的实验分析还比较少。基于此，笔者根据同轴线的耦合特性和金属管线的屏蔽效能理论，以实验的方法分析金属管内的同轴线耦合雷电电磁波的特性。试验采用大型雷电流冲击器，并用 长的金属棒模拟闪电放电通道，通过改变金属管的直径，同轴线的长度，同轴线屏蔽层的接地情况等，用示波器采集在同轴线上耦合的电压波形，分析波形的电压峰值、耦合能量、频谱图。给出在不同情况下的耦合特性，分析金属管的屏蔽效能。同轴线耦合理论当电缆受到外部电磁场辐射时，在电缆的外部会产生电流。由于屏蔽体不是一个好的导体，这个电流将穿透屏蔽体并沿着电缆内部形成一个电压分布。这种电压分布反过来又在内部负载阻抗中产生电流。确切的几何图形见图。图 屏蔽电缆的几何图形 外部表面电流和沿电缆内侧产生的张力可以通过表面传递阻抗连接。其关系式为()()（）在内部负载阻抗 中的电流谱（），可利用式（）对电缆全场进行积分求得。由类比法可知，其合用的传输线方程为（，）（，）（，）（，）（）这里 （）（）|（）此时()，()及 故（）（，）（）式中 ()()（）如电缆与波长相比甚短，且平均电流分布定义为（）（，）（）则（）式变为()()（）年第 期金属管内同轴线耦合雷电电磁波特性的分析（总第 期）试验方案及数据分析 实验方案为分析雷电电磁波对金属管内的同轴线的耦合特性，探究金属管的屏蔽效能，本实验采用模拟 雷电流的大型雷电冲击发生器，将雷电流注入到长 的金属棒来模拟闪电通道，冲击电流范围为 ，步长，实验模型见图。结合生活实际，选择常见的 种直径的金属管（，），管内放置无氧铜的同轴线，分析在有金属管的屏蔽下，同轴线的耦合特征变化以及不同直径的金属管对耦合特性的影响，通过改变屏蔽层的接地情况，同轴线的长度等，观察示波器采集的波形，分析在不同情况下同轴线耦合电压的峰值，并对采集的波形进行频谱分析，通过能量公式（见式（）计算出不同条件下能量的变化特征。（）图 试验原理图 实验数据分析 金属管内外耦合雷电电磁波分析在分析金属管对雷电电磁波的耦合特性，考虑到实际生活当中应用，我们使用直径，厚度，高 的金属管，并在中间垂直放入 长的同轴线。由于模拟闪电通道的金属棒是垂直放置，产生的雷电电磁波以水平环形辐射，因此在保证金属管与同轴线距辐射源相同的距离下，可确保金属管内外受到辐射源的激励相同。通过采集在大电流的冲击下产生的雷电电磁波对金属管内外产生的信号波形图，见图。根据图 显示，耦合电压波形是一个典型的双指数波，由于雷电流触发瞬间会产生强烈的电磁场变化，模拟雷电流触发瞬间到形成雷电波耦合到金属管存在一定的时延。波形上升沿时间极短，随着冲击电流的增大，同轴线耦合的电压也逐渐增大，金属管外的同轴线相对于管内有更高的耦合电压，在冲击电流为 时，管外和管内的耦合电压峰值分别为 、，由此看来，金属管屏蔽对于同轴线耦合雷电电磁波而发生电磁干扰有一定的防护作用。图 金属管内外耦合电压波形 将金属管内和管外长 的同轴线在 的电流冲击下耦合得到的电压波形进行傅立叶级数变换得到频谱图，见图，在金属管内和管外的同轴线耦合的最高振幅均集中在 附近，且金属管外的最高振幅较管内的更大。图 冲击电流 金属管内外同轴线耦合电压频谱图 年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）终端屏蔽层接地时耦合雷电电磁波分析在抗电磁干扰问题的研究中，接地是必不可少且是至关重要的防护手段。取 根长度均为 的同轴线，将其中的 根分别放置在 种直径不同的金属管中，另一根同轴线为对比，同轴线一端接示波器采集耦合信号，另一端屏蔽层接地，采用模拟 的雷电流冲击发生器，分析在不同冲击电流下分析同轴线耦合雷电电磁波的特性，冲击电流范围为 ，步长 ，通过示波器采集信号并进行数据处理绘图，见图。图 终端屏蔽层接地时不同金属管内同轴线耦合电压峰值折线图 由图 可知，耦合电压随着冲击电流的增加而增加，且金属管内的同轴耦合电压峰值均小于管外的峰值。在管径为 时，同轴线耦合电压峰值在 附近，相较于管外的同轴线耦合峰值电压均在 以上，由此可见，管径为 的金属管可大大减小雷电电磁波的耦合干扰。试验结果表明，在终端屏蔽层接地时并不是管径越大，屏蔽的效果更好，直径为 的金属管相对于直径 的金属管耦合的电压更大，这可能是因为在管内产生了腔体谐振，腔谐振与同轴线进行能量交换，信号在波导谐振中会激发大量的波导模式，改变了腔体的场的分布，使得直径相对大的金属管耦合的电压更大。根据能量公式计算出耦合能量的变化趋势，见图，在管径为 和 时，相对于无金属管时的耦合能量明显减小。管径最大时耦合能量比无屏蔽时小了 个数量级，增大金属管的直 径，能 有 效 减 小 线 缆 耦 合 雷 电 电 磁 波 的能量。图 终端屏蔽层接地时不同直径金属管内同轴线耦合能量折线图 终端开路时耦合雷电电磁波分析在分析不同情况下金属管内同轴线耦合雷电电磁波的特性，采用模拟 雷电流的大电流冲击发生器，并将电流注入到约 长的金属棒上模拟闪电通道，将直径 的金属管放置在距金属棒 处，在金属管中垂直放入同轴线，同轴线的终端开路，相当于负载无穷大，另一端连接示波器，分析在不同大小的冲击电流下同轴线耦合雷电电磁波特性，通过示波器采集信号并进行数据处理绘图，见图，耦合的电压波形特征近似于雷电流 波形，这是因为耦合雷电电磁波是在近场中发生的。在冲击电流为 和 时，直径为 的金属管内的同轴线耦合电压峰值分别为 、，相对于前面讨论在屏蔽层接地的情况时耦合的电压峰值更大，这是因为在终端开路时，芯线与屏蔽层间以及屏蔽层与金属管之间在受到雷电电磁波干扰后耦合电容变大，形成线间的耦合干扰，造成不可消除的电磁干扰。图 终端开路时金属管内同轴线耦合电压波形图 年第 期金属管内同轴线耦合雷电电磁波特性的分析（总第 期）将耦合的电压波形使用软件进行傅立叶变换得到频谱图，见图，根据所得频谱图显示，耦合的电压幅值主要集中在低频段，在 产生最高振幅为 。图 终端开路时金属管内同轴线耦合电压频谱图 使用 种直径不同的金属管，在管内同轴线终端开路时，分析耦合雷电电磁波的特性，见图。由图 可知，随着冲击电流的增大，耦合的电压峰值也有明显的增大，且管径越大，耦合的电压越小，直径为 的金属管耦合峰值电压范围在 之间，直径为 的金属管耦合电压峰值在 ，直径在 时，耦合的电压峰值在 附近，可见，增大金属管的直径能有效降低线缆的电磁干扰，减少后续设备的损坏。图 终端开路时不同直径金属管内同轴线耦合电压峰值折线图 通过公式计算出在 种不同直径的金属管管内的同轴线终端开路时的耦合能量变化趋势，见图，耦合的能量并非以线性的趋势增加，这是因为在多次实验中输出的雷电流陡度产生的变化，造成耦合的能量并不是随冲击电流的增大线性递增，管径越大，耦合能量越小，管径为 的金属管比管径为 的金属管耦合能量小了 个数量级。图 终端开路时不同直径金属管内同轴线耦能量折线图 终端接 匹配阻抗时耦合雷电电磁波分析为解决线缆的耦合干扰的问题，常常使用电阻进行阻抗匹配，可以避免线缆在遭受电磁干扰时而引发的反射和振荡等现象，减少线缆传输的耦合干扰。取直径为 的金属管，在管内垂直放入 长的同轴线，将同轴线的终端接 的匹配电阻，连接在终端屏蔽层与芯线之间，同轴线的另一端接示波器，此时，形成了一个闭合的耦合回路，在不同大小的冲击的电流下，通过示波器采集的波形分析同轴线耦合雷电电磁波的特性，见图，耦合电压为双峰波形图，在冲击电流为 和 下，同轴线耦合的电压峰值分别为 、，耦合电压峰值与冲击电流成正比，随着冲击电流的增大，上升沿时间也相对变短，这是因为冲击电流越大，雷电流陡度也随之增大。图 接 匹配阻抗时金属管内同轴线耦合电压波形图 年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）将耦合的电压波形进行傅立叶变化得到频谱图，见图，耦合电压主要集中在 附近，最大振幅为 ，耦合干扰主要发生在低频波段，可以得出同轴线更容易受到低频的电磁波的干扰。图 终端接 匹配阻抗时金属管内同轴线耦合电压频谱图 使用 种直径不同的金属管，在管内垂直放置终端接 的匹配电阻的同轴线，分析雷电电磁波的耦合特性，见图。由图 可知随着冲击电流的增大，耦合的电压也明显增大，且管径越大，耦合的电压越小，管径为 和 的金属管随冲击电流的增大，耦合电压呈线性增加，管径为 时，耦合电压峰值范围在 间，管径为 时，耦合电压峰值范围在 ，而管径为 时，耦合电压峰值范围在 ，当金属管直径增加到一定时，可大大减小线缆上的耦合电压，对线缆终端的电子信息设备起到重要保护作用。图 接 匹配阻抗时不同直径金属管内同轴线耦合电压峰值折线图 根据能量公式计算出不同直径的金属管管内同轴线终端接匹配电阻时耦合的能量变化趋势，见图，随着冲击电流的增大，管内同轴线耦合能量线性增加，直径为 的金属管的耦合能量相对于其他两种金属管耦合能量小了 个数量级，增大金属管的直径能有效减小线缆耦合的干扰。图 终端接 匹配电阻时不同直径金属管内同轴线耦能量折线图 试验结果反推实际应用在实际应用中，传输线缆的长度可达几十米甚至上百米，高塔的高度也在几十米以上，结合生活实际，用试验结果反推出现实生活实际中的金属管内同轴线耦合雷电电磁波时产生的过电压，以 的冲击电流产生的雷电波依次对金属管内长度为 的同轴线进行耦合试验，金属管的直径取 ，同轴线的屏蔽层接地，用示波器采集耦合波形并取耦合电压峰值做出拟合曲线，见图，根据拟合的公式求出在金属管和管内同轴线为 时的耦合电压峰值为 。反推出来的结果对线缆遭受到雷电电磁波侵害而造成电子设备的损坏有一定的参考意义，为后续的保护器件的选择参数提供了理论依据。图 冲击电流 下不同长度金属管内同轴线耦合电压峰值 结论针对同轴线耦合雷电电磁波产生耦合电压危害终端电子设备的问题，使用不同直径的金属管对其进行防护，观察管内同轴线在不同连接方式下的耦合电压波形，通过耦合电压峰值、频谱图及耦合能量变化趋势，由实验结果得出以下结论：）金属管内的同轴线耦合电压总比管外的同 年第 期金属管内同轴线耦合雷电电磁波特性的分析（总第 期）轴线耦合电压小，使用金属管进行防护能有效减小同轴线耦合雷电电磁波的耦合干扰，且管径越大，屏蔽的效果越好，但在同轴线终端屏蔽层接地时，出现了管径越大，耦合电压越大，这可能是因为出现了腔体谐振，造成了更大的耦合电压。）对耦合的波形进行傅立叶变化，最大振幅主要集中在 ，属于低频波段，低频的雷电电磁波对同轴线的侵害更为严重。振幅与冲击电流成正比，且在终端屏蔽层接地时振幅最小，在终端开路时最大。）在改变同轴线的接线方式，发现管内的同轴线在终端屏蔽层接地时能大幅度减小耦合雷电电磁波的过电压，终端开路时，耦合的过电压最大，这是因为在开路时管内的耦合电容更大。）通过改变金属管和管内同轴线的长度，对管内同轴线耦合电压的峰值与同轴线的长度进行曲线拟合，得到的拟合公式为 （），根据拟合结果反推出在同轴线长度为 时耦合的峰值电压为 。参考文献：李祥超 电涌保护器（）原理与应用 北京：气象出版社，李祥超 雷电电磁脉冲防护技术 北京：科学出版社，朱绪垚，孔耀，王晋忠 瞬态电磁场辐射的线缆耦合技术研究 无线电工程，（）：，（）：罗小军，孙征，黄瑞涛，等 雷击高塔附近埋地线缆耦合数值分析 环境技术，（）：，（）：，：，：范婷 强电磁脉冲环境中电力传输线缆的耦合效应研究 西安：西安科技大学，（）：，（）：，（）：谢暄，孟雪松，刘强，等 多种线缆线束电磁耦合分析的 普适性模型与验证 无线电工程，（）：，（）：申东玄，杨仲江，王梧熠 多脉冲下架空线缆耦合雷电电磁波特性分析 电瓷避雷器，（）：，（）：马骁骐 雷电瞬态电磁脉冲的耦合效应研究 南京：南京信息工程大学，余丹阳 高空核爆电磁脉冲对输电线缆的耦合效应研究 成都：电子科技大学，李祥超，徐晓培，董昌鑫，等 双绞线耦合雷电电磁脉冲特性的分析 电瓷避雷器，（）：，（）：李祥超，蔡露进，徐晓培，等 同轴线中雷电波传输暂态特性的分析 电瓷避雷器，（）：，（）：李祥超，张其林，陈良英，等 接收机耦合雷电电磁脉冲抑制方法的研究 电瓷避雷器，（）：，（）：李祥超，周中山，陈则煌，等 棒形天线耦合雷电电磁波及抑制方法 电波科学学报，（）：年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期），（）：孙金华 雷电波在架空同轴电缆中感应电压分析 中国气象学会 第 届中国气象学会年会 雷电物理和防雷新技术 第十四届防雷减灾论坛中国气象学会：中国气象学会，：，：安静，吴敏，高建强，等 金属腔体多耦合通道电磁特性研究 微波学报，（）：，（）：孙彤 屏蔽体孔缝对雷电流屏蔽效能的影响 电瓷避雷器，（）：，（）：，（）：田东，陈少昌 复杂矩形腔屏蔽效能分析 电光与控制，（）：，（）：马振洋，左晶，史春蕾，等 机载电子设备屏蔽效能测试与优化 航空学报，（）：，（）：张懿 屏蔽腔体性能的快速分析及改善方法研究 西安：西安电子科技大学，余龙舟，陈宪，黄江涛，等 腔体格栅的电磁屏蔽原理与方法研究 航空学报：，：张郑，冯成德 基于 的电源机箱屏蔽效能的仿真分析 机械，（）：，（）：胡溥宇 开孔腔体屏蔽效能解析计算方法研究长春：吉林大学，郝翠，李邓化，任小军 天线控制系统的屏蔽腔体建模 北京信息科技大学学报：自然科学版，（）：，：，（）：（美），翟启明张贵元译 外界电磁场对传输线的干扰 太原：山西科学教育出版社，作者简介：李祥超（），男，副教授，主要从事电涌保护器研发与测试。：。