专利名称：电磁吸能消雷器的制作方法
技术领域：
本发明是一种电子设备，装于通信及电源电路中对设备保护。
雷电损害除对电力系统应该防雷(这方面已有很成熟的研究，如各种型号的磁吹避雷器，放电间隙，氧化锌避雷器，保护线等)外，在弱电领域，如通信，计算机网络，家用有线电视电缆等，也非常容易遭受雷电的损害，因此也应当防雷，尽量将雷电波的高电压高电流转化成低电压低电流。这里有在建筑物顶部安装避雷针等引雷设备等措施，将可能落于受保护建筑物的雷通过专门的对地放电通道将积蓄于雷云中的处于极高电压的雷电荷导入地中，以避免其他电子设备损坏，这是一种退步的引导策略，它当然可以起到一定的作用，但也有相当局限性，这里分析如下。附1是大楼雷击部分分散图；图2是地电位抬高示意图；图3是感应雷电压示意图；图4是感应雷电压计算附图；图5是电源电路示意图；图6是高频小信号放大器电路示意图；图7是电源滤波器示意图；图8说明电感L的作用；图9是变压器漏电容示意图；
图10A是三级放电管典型电路示意图，图10B是三级放电管特性示意图；图11A是ZnO压敏电阻典型电路示意图，图11B是ZnO压敏电阻特性示意图；图12A是一点接地串联方式示意图，图12B是一点接地并联方式示意图；图13A是磁芯整体示意图，图13B是单根磁芯结构示意图，图13C是线圈绕制示意图。
雷电损害可分为直接雷过电压和感应雷过电压两种。直接雷过电压损害是雷电荷直接地入有关的导线中而侵入电子设备造成的危害，其雷电过电压峰数值及雷电流均较感应雷过电压为高，电压可达兆伏级，电流几十千安甚至上百千安。避雷针、电力避雷线对于直接雷过电压的防护是有效的，因为避雷针往往架设于高层建筑物顶部，而且有曲率相当大的尖端，容易产生局部畸形电场形成局部高场强引起尖端放电，使得在避雷针的保护区域内雷电只击于避雷针上而使区域内的其他电子设备受到保护。但是避雷针的保护范围有限，雷电的落点的随机性导致大型高层建筑物的落点范围过于广大，如图1，雷击除了可以从顶部侵入以外，也可以从侧部及中上部侵入，这样避雷针就可能起不到作用。
当直击雷电荷导入地中后，由于大地并非一个没有电阻的金属等电位体，实际上大地接受雷电流由有一定分布电阻率的土壤接受，雷电流由入地点逐渐扩散，因而以雷击入地点为中心(也是电压最高点)形成一个分布的电压区域，在这个区域内以离雷击入地点远近，以及土壤电阻率分布等因素决定各点具有不同的电压。离雷击入地点越近，电压越高。因而在这一大地区域内将不再是所谓的大地零电位，而是有一定的电位抬高和分布，也就是地电位抬高。
这样对于这一区域内接地的其它电子设备而言，其地线的接地点由于附近受到雷击而有一定抬高，这一过电压沿着地线侵入电子设备，相对于设备的其他进线而言，(如电源线，通信线)将有一定电位，尽管其对直击雷过电压而言峰值已有相当的降低，但仍然可高达数千伏以至上万伏的电压，对于弱电设备中的微芯片，电子三极管，二极管也会造成损害。因而在建筑物中避雷针等引雷设备的接地点应当远离其它电子设备的接地网区域。经过计算，地电位抬高与接地点和雷电流入地点的距离呈负指数关系(假定土壤电阻分布度在有效区域内保持不变)，有公式U＝M*exp(-d/k)，其中M，k为常数，d为离雷击入地点距离。因而在离接地点十米以外，地电位抬高已衰减至很低，因而不会再造成反击，如图2。
除了直击雷过电压以外，还有造成电子设备雷损坏的一个重要原因，感应雷击过电压。这里先分析一下其产生。由于雷电过程是一个相当剧烈的过程，几十千安的电流使达数库仑的电荷在几个微秒内导入大地并在天空中消失，因而产生强烈的电磁震荡过程，所形成的强大电磁波将在附近的电源导线以及天线，通信线(如电话线)等上产生几千伏以至几万伏电压。感应雷击过电压除与雷击发生中心的距离有关以外，还与导线和雷电流之间的空间夹角有关。
如图3简要说明感应雷击过电压的产生过程如下。首先假定雷电通道不是曲折的，而近似地简化为一垂直于大地的直线电流，因而产生的磁场也具有简单的规律，为一环形磁场，且磁场强度B＝u*I/R，I为电流。R为到电流直线的距离。对于雷电流而言，其频率范围通常是几十至几百千赫兹，波长相当长，因而对于感应雷击过电压的导线而言可认为各点或各小段上产生的电压相同方向，与雷电流垂直的导线上将不产生感应雷击过电压，可对照图3说明如下。
1、首先证明一个引理。沿雷电流为i与a平面垂直，并相交于o点，那么沿o点出发a平面内同一射线上各点A、A‘、A“将具有等电位。若假定A B B’A’为一闭合线圈，则该线圈内通过的磁通量始终为零，因而A、A‘电位差为零，磁通量没有变化不会产生感应电势，这个结果可由麦克斯维方程E＝dQ/dT(Q为磁通，T为时间)得到，由此可令AB无限向o点靠拢，A’B‘无限向外扩展，由此可证得A、A‘、A”及B、B’、B“各点电位均相等，故而可得出结论，垂直于雷电流的导线将不感应雷电过电压。
反之，可证明平行于雷电流的导线上将产生感应雷击过电压。如图4所示，在雷电流和导线AB组成的平面b内，作射线OA垂直于电流I，O‘B也垂直于电流I，垂足分别为O、O’，令OA‘、O’B‘分别趋向于无穷大，那么对于闭合线圈ABB’A‘而言，由上述引理AA’上和BB‘上一样电位差为零，但是闭合线圈内的磁通量将随雷电流I值的变化而变化，故而将在闭合线圈内产生感应雷击过电压，由于A’、B‘均在无穷远处可认为是等电位，于是对A、A‘、B、B’而言，线段AA‘、BB’、A‘B’上均无电位差，于是闭合线圈产生的感应电动势全部降落于AB线段上，证得平行于雷电流的直线导线上将产生感应雷击过电压。其具体计算有下列积分公式Φ=∫R0∞u0I4πR(cR2+c2+dR2+d2)dR]]>这里认为图3中雷电流并非一无限长直导线，而是有一定长度，在a平面以上长度为c，a平面以下长度为d，感应电压为对磁通的时间微分，由上述公式知只须对雷电流I微分。
由此产生的感应雷击过电压达数千以至数万伏，将沿着电源线、通信线侵入设备。对于通信线而言，其电压幅度通常为几十伏，220伏、380伏电源线则通常为几百伏电压，感应雷击过电压就显得相当危险。通信线电压等级低，与之相连的接收装置如放大三极管、锁相解码电路更容易损坏。以下分别对电源线和通信线入口电路进行分析。
如图5，电源电路入口的整流桥每个二极管均有较高反压，不易击穿，大滤波电容耐冲击的能力也较强。对于一般用途较广的开关电源而言，由于其自身有在一定范围内随着进入的电压幅度波动自动稳定输出电压的能力，如市电220伏交流的开关电源，大部分在150伏～300伏范围内均具有稳压能力。电源电路较大的旁路电容、电感及开关变压器自动稳压电路的作用使侵入的雷电压有较大的削弱，其危害较之通信线的入口电路如高频小信号放大器就小得多。这是由于高频小信号放大器的入口电路如三极管基极对发射极的电压，其幅度不能超过几十伏的缘故。如图6。
这里介绍一种自激式开关稳压电源的初级入口电路，该电源在负载一定的情况下，交流输入在90伏～275伏时较稳定，输出电压变化1伏左右。(注这种开关电源取自《实用稳定电源150例》张国峰、张维编著，第16例)其中的稳压部分也称电网滤波器。若如图7中的电源用户注意了防雷，因而C1、C2之间的地为机壳地，也就是大地零电位。因而当雷电压由电源进线侵入时，由于C1、C2相当于暂时短路，故而雷电流可经C1、C2对大地泄放。如若机壳并未接大地，图中C1、C2将起不到保护作用，雷电压将顺利通过C1、C2到达L，对L电感的作用可简单的分析如下。见图8。
对于有用的电流如正常的220伏交流而言，由于In1、In2大小相等，方向相反，电感L中产生的磁通量将为零，电感L将不起作用。但对于雷电流情况就不一样了，雷电流的流向不论是单股线还是双股线，都具有单向性，只能向一个方向前进，并且其大小、幅度、相位也基本相等，因而为共模电流，这时L将呈现较大的阻抗，对于雷电流有削弱并限幅的作，有一定的防雷功能。
一般的开关电源多用到高频变压器，简单的多输出电源则用到降压或提压的变压器，由于变压器的初级绕组和次级绕组并没有直接的电连接，因而似乎雷电流并不能从变压器的初级到达次级线圈，或从次级线圈到达初级线圈，然而事实不是这样。感应雷击过电压其全波时间为几十至上百个微秒级，相对于电网频率50赫兹而言相当短，对应的频率为几十至几百千赫兹。这时一般变压器初级和次级之间的几皮法至几十皮法漏电容就不能忽略掉了，因为其阻抗相对于电网频率50赫兹而言，减小了数千倍，其阻抗将为百欧至千欧级，故而雷电压将通过初级和次级之间的漏电容传过来，不过其电压幅度有一定减小，如图9。
对应于这种情况人们设计了隔离变压器，隔离变压器对初级和次级线圈均进行良好的电磁隔离，如采用金属导体屏蔽层，是4初级和次级之间的漏电容减小到相当的程度，使得传递过来的雷电压削弱到无害的程度。
但是隔离变压器并不适用于通信电路，因为通信信号通常是高频信号，变压器的各种漏抗不能忽略，而且一般变压器的铁芯不能满足要求，往往产生较大的波形失真及能量损失，从而使得有效信号丢失。
使用三极放电管及氧化锌压敏电阻可用于通信电路。见图10和图11。三极放电管的放电反应时间较短，但氧化锌压敏电阻具有更低的安全电压。两种元件均需要中间接大地零电位，以泄放雷电流保护后续的设备。由氧化锌压敏电阻和三极放电管的放电特性可知道，氧化锌压敏电阻的动作反应时间为17微秒，较三极放电管的动作反应时间4微秒长得多。但氧化锌压敏电阻的动作峰值电压400伏却比三极放电管600伏低，因而为了增加耐受雷电过电压浪涌的能力，获得更短的动作反应时间和更宽的电压保护范围，常将氧化锌压敏电阻和三极放电管配合起来使用。
由以上分析可知，为了有效地使用上述元件进行防雷保护，就需要接入可靠的大地零电位。但是实际上由于电子设备可能处于一栋大楼的中高层，如果接敷专用的防雷地线的话，那么从电子设备到大楼接地点的实际走线距离就可能为几十至几百米，粗略估计雷电波传递速度为3*10**8m/s，防雷接地线长300m，则雷电波从电子设备到达大楼接地点费时t＝1/v＝300m/(3*10**8)m/s＝1us，反射负波回到电子设备又将花费1us左右的时间，再加上氧化锌压敏电阻及三极放电管的动作反应时间最小为4us，总共将为6～7us反应时间，这段时间内的雷电波将可以顺利通过到达后续的电子设备，因而其防雷效果就大大削弱了。
铺设专用的防雷接地线于楼层的各个房间，将有如图12的两种不同的接地方式。对应于一点接地串联方式而言，若离接地点远的D点遭到雷击，那么当雷电波沿D点向地传播的过程中，将依次经过C、B、A各点(假定这里A、B、C、D分别代表大楼的不同的房间)，将A、B、C房间内地电压抬高到雷电压，因而对A、B、C房间内电子设备造成不可避免的威胁。在波反射震荡的过程中，也可能产生畸形的过电压波如截波等，对电子设备造成损害。如果采用一点接地并联方式，且大地零电位不会发生改变，那么不同的房间之间就不会发生相互影响，上述的危害就可以避免。但不同的房间接敷不同的专用防雷接地线，将使接地线的总长度大大增加。一栋大楼若有300个房间均架设接地线，其平均接地线长度为150米，则将用45公里长的接地线，这显然是极不经济的。
由上述已有的防雷技术回顾可知，不论哪种已有防雷技术，都需要架设长接地零线，而由于长线的行波效应，使防雷的效果不能令人满意。而本发明电磁消雷器是以不需要架设地线的方式工作，直接串联于长线与被保护设备之间，依靠电磁感应产生涡流吸收雷电波的能量而达到消雷至无害的程度的目的。下面说明如下。
本装置实际上是一个电磁吸能线圈，其不同于普通线圈的基本特征在于，1、线圈采用双线平行并绕办法，两根单线之间相互绝缘，并且可以通过信号。因此两线圈的绕向、圈数均相同。2、采用特殊的磁芯。其主要的技术要求有饱和磁通大。一般情况下磁通量为零，而在雷电流通过时有较大的磁通改变量。其次是电导率要求小，以在雷电流通过产生磁通时能够产生较大的涡流电流，形成涡流损耗，以吸收雷电波的能量，降低其波前陡度和幅值，减少其危害性。第三，其横截面积应尽可能大，截面积越大，可以通过的磁通量越大，消雷效果越好。第四，其长度尽可能长。长度越长，则涡流回路的总电阻值越小，由消耗雷电波的功率计算公式P＝U**2/R，感应电压U＝dQ/dT，磁通量Q由雷电流波形决定，电阻R值越小，功率P越大，而吸收的电磁能量为对功率的时间积分，故P越大吸收的电磁能量越大。
本装置的工作原理如下在一般正常情况下，双线中通过的电流因为是一个回路，由KCL定理，其电流必大小相等，方向相反，故而在磁路中产生的磁动势为零，不产生磁通，不会产生损耗，故而能让有用的电源电流或通信信号顺利通过。但是对于超高频、甚高频信号而言，由于磁芯会对产生的高频辐射进行吸收，引起较大衰减，故而其线圈应用高频信号电缆绕制，不应采用普通双股线，以减少信号辐射损失。
在雷电流侵入的情况下，不论是感应雷击过电压或直击雷过电压，均是沿着长线单方向入侵，其两根回线上的相位均相同，电流电压大小相等，方向相同，为共模电流，因而在通过消雷器的双线并绕线圈时，两根线中的电流在磁路中产生的磁动势将叠加，由于雷电波时间常数非常小，其波前时间为几个微秒，全波时间为几十个至上百个微秒，电流变化非常剧烈，在磁芯中产生很大涡流，其磁滞损耗和涡流损耗将吸收雷电流的大量能量，以达到消雷的目的。
现就本电磁消雷器的具体结构及制造工艺举一实例。
1、首先选择一种满足前述要求的具体的铁芯材料，如电工纯铁，截成如图13所示四段，尺寸见图。
2、在磁芯上包一层绝缘材料，如绝缘胶布等，以便绕制线圈。
3、用双股线并行绕制线圈，并为了防止在雷电流通过时由于线圈纵向电压差的影响引起线圈间击穿，应在每绕制一层线圈后加垫一层绝缘材料，如绝缘胶布，再在其上绕制另外一层线圈。
4、将四段磁芯焊接为一个整体四方环。
5、依次对四段线圈进行电连接，并且保证各段在磁芯中形成的磁通方向相同，相互叠加。
注当分为三相电源进线时，就采用三线并绕的办法绕制线圈。
用上述方法绕制的线圈经实验证明，对于1us～3us波头时间，全波时间几十微秒至上百微秒的冲击大电流波而言，有两个作用一是可让波头时间增加一倍，陡度下降一半。二是可使冲击幅度下降为原来的0.707倍，也就是已吸收掉雷电流一半的能量，由此可证明其有效性。
权利要求
1.一种电磁吸能型消雷器，直接安装于长线线路和被保护设备之间，可对各类有线通信、电源设备提供保护，其特征是一种电磁感应吸能线圈，并带有磁芯。
2.根据权利要求1所述的电磁吸能型消雷器，其特征是线圈采用并行绕制的办法对于通信电路、单相电源电路采用双线并行绕制；对于三相电源电路采用三线并行绕制。
3.根据权利要求1所述的电磁吸能型消雷器，其特征是磁芯选用高饱和磁通的材料。
4.根据权利要求1所述的电磁吸能型消雷器，其特征是磁芯选用高电导率的材料。
全文摘要
本发明是一种电磁吸能型消雷器,是一种电子装置,安装于大气线路和被保护设备之间,可对各类有线通信、电源设备提供雷电保护。由于采用多线并绕的方式绕制线圈,并选用高饱和磁通和电导率的磁芯,对雷电波进行电磁感应吸能,故省去了传统设备中的接地零线。因而可以防止:1、由地电位抬高引起反击;2、长接地零线引起雷电波过程。经实验证明,本装置对于波头时间1～3us、全波时间10～100us的大功率模拟雷电波有显著作用,能够达到消雷的目的。
文档编号H02H9/04GK1256541SQ9911668
公开日2000年6月14日 申请日期1999年9月29日 优先权日1999年9月29日
发明者王学军 申请人:华中理工大学