不同频段的短路线SPD对雷电波的抑制作用分析

刘光辉，石黄霞，史瑞静

（新疆工程学院，乌鲁木齐 830091）

不同频段的短路线SPD对雷电波的抑制作用分析

刘光辉，石黄霞，史瑞静

（新疆工程学院，乌鲁木齐 830091）

针对1/4短路线对于雷电波能量的抑制性能，利用8/20 μs实验平台，对不同频段下1/4波长SPD进行冲击测试，研究其对雷电波的抑制作用。研究表明：随着冲击电流的增大，1.8 GHZ和2.1 GHz频段下1/4波长SPD的电压值均呈先增大然后迅速变小的变化趋势；1.8 GHZ和2.1 GHz频段的插入损耗值均在－10 db以下，表明了传输线路中接入1/4波长短路线型SPD对信号传输不产生影响，可以确保通讯线路中信号的有效传输。

传输线；雷电波；1/4波长短路线；插入损耗

0 引言

随着近代高科技的发展，雷电波对于电子电气设备的危害也已经越来越引起人们重视[1－5]。因此，分析雷电波在传输线上的传播特性和传输线应该怎样对雷电波进行抑制是十分重要的。雷电波是一种脉冲电磁波，能够通过各种管道和导线进行入侵，它极易对设备和人身安全构成威胁。目前，通过在安装一定的电涌保护器来对雷电流进行抑制，电涌保护器主要是通过以并联或串联在被保护电子设备两端，利用其中的非线性元件泄放过电流和限制过电压对被保护电子设备进行保护[6－9]。

有很多学者对雷电波的传播以及能量抑制方法进行了研究，李祥超等[10]根据理论和实验相结合的方法，建立了棒形天线接收雷电波传输的等效电路，研究了棒形天线对雷电波的抑制作用。王林等[11]阐述了RS485通讯端口抑制电涌保护器的设计方法，研究表明了该设计出的电涌保护器具有插入损耗小以及电压保护水平低等特点。申萌等[12]利用实际的冲击电压发生器，设计出了由电容以及电阻并联构成的雷电波抑制回路，研究表明，当电容增大时，雷电波的波头时间呈递减的变化趋势，而电阻值的变化对雷电波的波前时间影响较小。还有其他学者[13－16]采用不同的方法对雷电波的抑制作用进行了研究。

笔者利用实际的8/20 μs冲击平台，对不同频段下1/4波长短路线型SPD进行冲击实验，研究了在不同频段下1/4波长短路线型SPD的过电压以及插入损耗之间的差异性。

1 短路传输线对于雷电波能量抑制性能的分析

当出现雷电时，闪电就会在传输线上产生过电压波，是通过每根传输线与大地这个可以看做为无限大平板导体构成的传输线传播的，这也是双根导体型传输线的一种形式，它们之间除了有静电感应，也有电磁感应，感应的电荷相等且符号相反，因此，取传输线的无限小的一段dx并且我们假设线上有一简谐波（频率为f），跨接线上的电压为V电流为I，见图1。

图1 双根导线传输线Fig.1 Double-conductor transmission line

dx一段长度的电压dV则为

当dx两端间的电流的增量dI从I1流到I2时，则为

式（1）中Z1的为单位长度的串联阻抗，其表达式为

式（2）中Y1的为单位长度的并联导纳，其表达式为

把（1）、（2）对 x 求导之后化简为

此方程实际上就是双根传输线的电压、电流变化方程，也称作波动方程，它的通解为

2 试验分析

2.1 实验平台冲击测试

根据传输显得传输理论，模拟1/4波长短路线型SPD，1/4波长短路线型SPD应当并联安装在微波通讯线路中。微波通讯线路都选取标准射频接口，SPD选取 T字型结构，SPD内部的1/4波长短路线部分选取线直径为2 mm，长度为40 mm的铜质导线，将短路线两端分别与实验平台上的信号链接线缆和信号接地端GND可靠连接，这里取用1.8 GHz和2.1 GHz两个2G通讯中的常用频段进行测试，采用8/20 μs实验平台模拟雷电流电压进行冲击测试，随着冲击电压的增大，观察其残压和通流特性，以及冲击电压不断增大后其残压是否降低到一定水平，之后通过分析得出该装置是否能起到其应有的抑制雷电波的目的。8/20 μs实验平台模拟雷电流电压进行冲击测试原理图见图2。

图2 8/20 μs实验平台模拟雷电流电压进行冲击测试原理图Fig.2 Schematic of 8/20 μs experimental platform of the lightning current and voltage impulse

2.2 结果分析

利用 8/20 μs实际冲击平台，对 1.8 GHz、2.1 GHz两种频段下1/4波长短路线型SPD进行冲击实验，这里取冲击电压为2.0 kV为典型的冲击电压值。图3（a）中可以看出，10 μs时刻电压开始触发变化，10 μs时电压为0，之后到22 μs电压逐渐增大，22 μs电压达到最大值为 13 V，22 μs到 43 μs电压逐渐减小，43 μs之后逐渐趋于平稳。图3（b）中可以看出，22 μs时刻电压开始触发变化，22 μs时电压为0V，之后到36 μs电压逐渐增大，36 μs电压达到最大值为 10 V，36 μs到 58 μs电压逐渐减小，58 μs之后逐渐趋于平稳。

图4（a）中可以看出，10 μs时刻电流开始触发变化，10 μs时电流为0，之后到27 μs电流逐渐增大，27 μs电流达到最大值为 900 A，27 μs到 43 μs电流逐渐减小，43 μs后电流逐渐趋于平稳。图4（b）中可以看出，22 μs 时电流开始触发变化，22 μs 时电流为0 A，之后到36 μs电流逐渐增大，36 μs电流达到最大值为900 A，36 μs到58 μs电流逐渐减小，58 μs后电流逐渐趋于平稳。

图3 两种频段下电压变化趋势Fig.3 Voltage trends in two bands

图4 两种频段下电流变化趋势Fig.4 Current trends in two bands

若在传输系统中插入一个SPD之后会引起信号的损耗，该损耗为SPD插入前传递到后面的系统部分中的功率与SPD插入后传递到同一部分中的功率之比。也就是插入损耗，通常用db表示。试验中用网络测试仪对模拟1/4波长短路线型SPD进行测试，测试得出1.8 GHz和2.1 GHz两个频段下的插入损耗值，图5为1.8 GHz和2.1 GHz的插入损耗变化趋势。图5（a）可以看出，当频率在1.7 GHz到1.9 GHz频段时，插入损耗均在－10 db以下，所以1.8 GHz频段的插入损耗值在－10 db以下，表明了传输线路中接入1/4波长短路线型SPD对信号传输不产生影响，可以确保通讯线路中信号的有效传输。若通讯传输线中的插入损耗低于10 db时信号才能有效传输，从图5（b）可以看出，当频率在1.9 GHz到2.3 GHz频段时，插入损耗均在－10 db以下，所以2.1 GHz频段也会在－10 db以下，也确保了信号的有效传输。

图5 不同频段下插入损耗变化结果Fig.5 Variation of insertion loss under different frequency bands

3 结论

笔者利用实际的冲击实验平台，对两种不同频段下的（1/4）λ短路线电涌保护器进行冲击实验，研究其对雷电波的抑制能力，主要得出了：随着冲击电流的增大，两种频段下电涌保护器的电压值均呈先增大然后迅速变小的变化趋势。1.8 GHz和2.1 GHz频段的插入损耗值均在－10 db以下，表明了传输线路中接入1/4波长短路线型SPD对信号传输不产生影响，可以确保通讯线路中信号的有效传输。

[1]冯民学，吕久平，高岩渊.浅析高速公路雷电危害及防御[J].气象科学，2003，23（3）：365－371.FENG Mingxue，LV Jiuping，GAO Yanyuan.Analysis on Lightning Damage and Defense of Expressway[J].Journal of the Meteorological Sciences，2003，23（3）：365－371.

[2]王晋萍，田瑞敏，韩普，等.浅谈雷电危害及雷电监测[J].山西气象，2006（2）：31－33.WANG Jinpin，TIAO Ruiming，HAN Pu，et al.Lightning Damage and Lightning Monitoring[J].Shanxi Meteorology，2006（2）：31－33.

[3]赵海.雷电危害的机理分析与防护措施[J].地震地磁观测与研究，2005，26（2）：109－114.ZHAO Hai.The mechanism analysis and means of against thunderbolt damage[J].Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2005，26（2）：109－114.

[4]王雪净.浅谈雷电危害及建筑物的防雷措施[J].山西建筑，2010，36（25）：189－190.WANG Xuejing.Discussion on Lightning Damage and Lightning Protection Measures of Buildings[J].Shanxi Architecture，2010，36（25）：189－190.

[5]李金明，刘国庆，祁立雷.微机系统的雷电危害及防护[J].安全与环境学报，2000（1）：22－24.LI Jingming，LIU Guoqing，QI Lilei.Lightning Damage and Protection of Microcomputer System[J].Journal of Safety and Environment，2000（1）：22－24.

[6]李祥超，周中山，陈则煌，等.气体放电管与压敏电阻能量配合的分析[J].电器与能效管理技术，2014，21：26－31.LI Xiang Chao，ZHOU Zhongshan，CHEN Zehuang，et al.Analysis on Energy Coordination Between Gas Discharge Tube and Varistor[J].Low Voltage Apparatus，2014，21：26－31.

[7]姜琦松，王正科，朱金才，等.三级复合型电涌保护器的设计与研究[C].防雷减灾论坛，2014.JIANG Qisong，WANG Zhengke，ZHU Jingcai，et al.Design and research of three－stage composite surge protector[C].Lightning Disaster Mitigation Forum，2014.

[8]王茂华，胡克鳌，等.电涌保护器中压敏电阻并联的方法和理论分析[J].电瓷避雷器，2004（6）：37－40.WANG Maohua，HU Keao，et al.The Method and Theoretical Analysis of Parallel Connection of Varistors in Surge Protective Devices[J].Insulators and Surge Arresters.2004（6）：37－40.

[9]杜志航，孙涌，汪计昌，等.压敏电阻在配合使用时的老化和失效分析[J].电瓷避雷器，2009（6）：31－34.DU Zhinghang，SUN Yong，WANG Jichang，et al.Ayalysis on the Aging and Failure of MOV Used in Coordinated service[J].Insulators andSurge Arresters，2009（6）：31－39.

[10]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[J].电波科学学报，2015，30（2）：26－32.LI Xiangchao，ZHOU Zhongshan，CHEN Zehuang，et al.On lightning electromagnetic wave coupled by stick antenna and its suppression method[J].Chinese Journal of Radio Science，2015，30（2）：26－32.

[11]王林，赵怀林，陈科企，等.基于RS－485接口的电涌保护器设计与应用研究[J].电瓷避雷器，2016（1）：95－100.WANG Lin，ZHAO Huailin，CHEN Keqi，et al.Design and Application of Surge Protective Device Based on RS－485 Interface[J].Insulators andSurge Arresters，2016（1）：95－100.

[12]申萌，钟磊，陆建挺，等.标准雷电冲击电压过冲抑制回路的仿真及试验研究[C].2012输变电年会论文集，2012.SHEN Meng，ZHANG Lei，LU Jianting，et al.Simulation and experimental study of standard lightning impulse voltage overshoot suppression loop[C].2012 IEEE Transactions on Power Transmission.2012.

[13]崔林，黄欣，李景禄，等.雷电波对低压电源系统干扰的仿真分析[J].电瓷避雷器，2008（5）：38－41.CUI Lin，HUANG Xin，LI Jinglu，et al.Simulation Analysis on Interference to Low Voltage Power System Caused by Lightning Wave[J].Insulators and Surge Arresters，2008（5）：38－41.

[14]何艳娇.变电站弱电设备防雷保护的研究[D].长沙：长沙理工大学，2007.HE Yanjiao.Study on Lightning Protection of Weak Current Equipment in Substation[D].Changsha：Changsha University of Science and Technology，2007.

[15]王丽，张小青.EMI滤波器与浪涌抑制技术的结合[J].电力系统通信，2006，27（7）：50－53.WANG Li，ZHANG Xiaoqing.Integrated EMI filter into surge suppression technique[J].Telecommunications for Electric Power System，2006，27（7）：50－53.

[16]李建胜，邝立新，宋志国，等.雷电波侵入低压电源线引起冲击电压的仿真研究[J].电网技术，2007，31（16）：26－29.LI Jiansheng，KUANG Lixin，SONG Zhiguo，et al.Simulation of Impulse Voltage Caused by Lightning Wave Intruding Low Voltage Power Line[J].Power System Technology，2007，31（16）：26－29.

Analysis of the Suppression Effect of Short-Circuit Line SPD in Different Frequency Bands on Lightning Wave

LIU Guanghui，SHI Huangxia，SHI Ruijing
（Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi 830091，China）

In order to study the suppression performance of short－circuit line on the energy of lightning wave，the 8/20 μs experimental platform is used to test the 1/4 wavelength SPD in different frequency bands，and the suppression effect on the lightning wave is studied.The results show that with the increase of impulse current，the voltage values of 1/4 wavelength SPD in 1.8 GHz and 2.1 GHz frequency bands are increasing first and then decreasing quickly.The insertion loss of the 1.8 GHz and 2.1 GHz frequency bands both below －10db，that means the transmission line access to 1/4 wavelength short－circuit type SPD does not affect the signal transmission，to ensure the effective transmission of signals in the communication line.

transmission line；lightning wave；1/4 wavelength short－circuit line；insertion loss

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.027

2016－11－23

刘光辉（1980—），男，硕士，讲师，研究方向：电气工程，智能控制，模式识别及算法。