金属管内同轴线耦合雷电电磁波特性的分析_李祥超.pdf
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1、 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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
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