一种电磁冲击防护系统的制作方法

本实用新型涉及防电磁干扰领域，更具体地说，涉及一种电磁冲击防护系统。

背景技术：

现有技术的电磁防护通常包括雷电防护和电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)防护。雷电防护通常是以直击雷、感应雷、浪涌、操作过电压等高压、大电流、大能量的电磁现象为主要防护对象。而电磁兼容性防护通常是以低能量、宽频谱的高频干扰信号为主要防护对象。现有技术的电磁冲击防护方法通常是先进行至少三次以上的多级对地泄放，然后在设备内进行EMC滤波。然而这一的电磁冲击防护方法存在以下问题。

首先，存在各级泄放的响应时间问题。一般来讲后级泄放模块更加灵敏，响应速度快，但是承受能力差。当雷电电磁行波通过导线传播时，后级模块可能就会先于前级泄放模块导通而迅速损坏。最终导致整个系统保护失效。

其次，由于对地泄放能量的要求，对接地网的要求很高，一般要求接地网的接地电阻要小于10Ω，而这样的接地电阻的制造成本和维护成本都非常高。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种既能解决各级之间响应配合的问题，又能降低对接地电阻值的要求的电磁冲击防护系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电磁冲击防护系统，包括：

第一对地泄放装置，用于对入侵的电磁波行波进行第一对地泄放；

电磁波行波滞缓器，用于对经过第一对地泄放的电磁波行波进行反射并平滑所述电磁波行波；

第二对地泄放装置，用于对经过反射和平滑后的所述电磁波行波进行第二对地泄放；

EMC滤波装置，用于对经过第二对地泄放的电磁波行波进行EMC滤波。

在本实用新型所述的电磁冲击防护系统中，所述电磁波行波滞缓器包括中空导电管、设置在所述中空导电管内部的磁体，设置在所述中空导电管和所述磁体之间以绝缘所述磁体和所述中空导电管的第一绝缘套管，环绕所述中空导电管设置的磁性套管，以及设置在所述磁性套管和所述中空导电管之间以绝缘所述中空导电管和所述磁性套管的第二绝缘套管。

在本实用新型所述的电磁冲击防护系统中，所述中空导电管为外壁上开设连续螺旋槽的圆柱形金属管；所述磁体为穿设在所述圆柱形金属管的中央的磁棒。

在本实用新型所述的电磁冲击防护系统中，所述圆柱形金属管的两端壁中央设置供所述磁棒通过的第一通孔；所述圆柱形金属管的两端壁上围绕所述第一通孔等距设置多个第二通孔。

在本实用新型所述的电磁冲击防护系统中，所述电磁波行波滞缓器进一步包括设置在所述中空导电管两端的固定连接件。

在本实用新型所述的电磁冲击防护系统中，所述固定连接件包括套设在所述中空导电管两端以绝缘所述中空导电管与所述磁性套管的环形绝缘介片，以及固定在所述磁性套管上的导电固定盖；所述导电固定盖的外壁上设置多个第三通孔。

在本实用新型所述的电磁冲击防护系统中，所述第一对地泄放装置和所述第二对地泄放装置连接大地。

在本实用新型所述的电磁冲击防护系统中，所述EMC滤波装置包括：

第一旁路滤波组件，用于对经过第二对地泄放的所述电磁波行波进行第一旁路滤波；

共模滤波组件，用于对经过第一旁路滤波的所述电磁波行波进行共模滤波；

第二旁路滤波组件，对经过共模滤波的所述电磁波行波进行第二旁路滤波；

差模滤波组件，用于对经过第二旁路滤波的所述电磁波行波进行差模滤波。

在本实用新型所述的电磁冲击防护系统中，所述第一旁路滤波组件和所述第二旁路滤波组件连接工作地。

在本实用新型所述的电磁冲击防护系统中，所述共模滤波组件包括至少两个共模线圈和设置在所述共模线圈之间的高频磁环，所述差模滤波组件包括高频磁芯和套设在所述高频磁芯上的线圈。

实施本实用新型的电磁冲击防护系统，通过增大行波波阻的器件来增大行波阻抗进而令行波反射，解决了各级响应问题，提高了对地泄放电压进而降低了对接地电阻值的要求。更进一步地，通过设置电磁波行波滞缓器可以对增大电磁波行波阻抗，平滑波形陡度并且减速电磁波行波，从而使得在第一地泄放完成之后才进行第二对地泄放，进而更加完美地解决了各级响应问题，其效果可以减少第三对地泄放步骤，而不会影响防护效果。再进一步地，通过设置工作地和大地，避免了两种电磁防护间的相互干扰。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型的电磁冲击防护系统的第一实施例的原理框图；

图2是本实用新型的电磁冲击防护系统的第二实施例的原理框图。

图3是图2所示的电磁冲击防护系统采用的电磁波行波滞缓器的结构爆炸图；

图4是图3所示的电磁波行波滞缓器的圆柱形金属管的正视图；

图5是图3所示的电磁波行波滞缓器的圆柱形金属管的斜视图；

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1是本实用新型的电磁冲击防护系统的第一实施例的原理框图。如图1所示，本实用新型的电磁冲击防护系统，包括：第一对地泄放装置100、电磁波行波滞缓器200、第二对地泄放装置300和EMC滤波装置400。

在本实用新型中，所述第一对地泄放装置100用于对入侵的电磁波行波进行第一对地泄放。在本实用新型中，所述第一对地泄放装置100可以是避雷器，例如可以是压敏电阻、放电管间隙避雷器、氧化锌避雷器、陶瓷放电管、瞬态抑制二极管、半导体放电管等等器件或其各种组合。

所述电磁波行波滞缓器200用于对经过第一对地泄放的电磁波行波进行反射并平滑所述电磁波行波。在本实用新型中，所述电磁波行波滞缓器200可以通过调节传播电磁波行波的导线或者电缆的绝缘介质的介电常数和相对磁导率的手段，来增大行波阻抗并且降低行波的波速，其原理如下：

电磁波行波在导线中的传播速度v为：

上式中：

c为光速，c＝3×10⁸米/秒。

ε_r为导线周围介质的相对介电常数。

μ_r为导线周围介质的相对磁导率。

由上式可以知道，电磁波行波在导线中的传播速度，与导线的材质、长度、截面积、电感、分布电容等等均无关系，只与导线周围的绝缘介质的特性有关，更明确的说只与绝缘介质的相对介电常数ε_r和相对磁导率μ_r有关。

那么，电磁波行波在导线中的波阻抗Z为：

上式中ε₀——真空介电常数；

ε_r——相对介电常数；

μ₀——真空磁导率；

μ_r——相对磁导率；

h_d——导线对地平均高度；

r——导线半径。

而在现有设备线路中，导线的半径、高度等参数均是常数，因此波阻抗公式可以简化成：

由此可以得出：在导线已经确定的情况下，影响行波传输时波阻抗的特性也只和绝缘介质的相对介电常数ε_r和相对磁导率μ_r有关。因此，可以通过调节传播电磁波行波的导线或者电缆的绝缘介质的介电常数和相对磁导率的手段，来增大行波阻抗并且降低行波的波速。

在本实用新型中，经过第一对地泄放的电磁波行波沿着导线继续传播，这时当其被传送到所述电磁波行波滞缓器200时，由于电磁波行波的波阻抗突然增大，电磁波行波会在此处发生行波反射效应，令入射的电磁波行波延原传播路径原路返回，这样电磁波行波将会返回到所述第一对地泄放装置100，这时经过反射的电磁波行波和入射的电磁波行波将产生叠加，这样将提高其在所述第一对地泄放装置100的对地电压，使得所述第一对地泄放装置100更加容易导通以进行对地泄放。并且，由于电磁波行波的波阻抗增大其对电磁波行波的波形陡度产生平缓效应，即降低电磁波行波的波形陡度，这对后级的再次泄放和滤波是有很大好处的。在本实用新型的优选实施例中，同时可以降低电磁波行波的传播速度，使其有足够的时间在等待一次泄放装置完全导通后，才会传播到二次泄放装置处，这样可以完美地解决各级间响应顺序的问题。其效果完全可以取消第三级泄放装置，而不影响防护效。图3-5示出了优选的电磁波行波滞缓器200。当然，在本实用新型的其他优选实施例中，还可以采用其他的构造的电磁波行波滞缓器200。

所述第二对地泄放装置300用于对经过反射和平滑后的所述电磁波行波进行第二对地泄放。所述EMC滤波装置400用于对经过第二对地泄放的电磁波行波进行EMC滤波。在本实用新型中，所述第二对地泄放装置300可以是避雷器，例如可以是压敏电阻、放电管间隙避雷器、氧化锌避雷器、陶瓷放电管、瞬态抑制二极管、半导体放电管等等器件或其各种组合。

所述ECM滤波装置400可以本领域中已知的任何滤波电路或设备。所述电磁波行波滞缓器200可以参照图3-5所示的电磁波行波滞缓器设置。在本实用新型中，可以采用本领域中任何已知的ECM滤波装置进行EMC滤波。在本实用新型的优选实施例中，在经过EMC滤波之后，电磁干扰可以降低到后期模块可以承受的幅度。此时可以进一步将其供给后期模块。

实施本实用新型的电磁冲击防护系统，通过增大行波波阻的器件来增大行波阻抗进而令行波反射，解决了各级响应问题，提高了对地泄放电压进而降低了对接地电阻值的要求。

图2是本实用新型的电磁冲击防护系统的第二实施例的原理框图。如图2所示，本实用新型的电磁冲击防护系统，包括：第一对地泄放装置100、电磁波行波滞缓器200、第二对地泄放装置300和EMC滤波装置400。其中，第一对地泄放装置100、电磁波行波滞缓器200、第二对地泄放装置300连接大地。所述EMC滤波装置400连接工作地。在本实施例中，所述EMC滤波装置400包括第一旁路滤波组件410、共模滤波组件420、第二旁路滤波组件430以及差模滤波组件440。

在本实用新型中，所述第一对地泄放装置100用于对入侵的电磁波行波进行第一对地泄放。在本实用新型中，所述第一对地泄放装置100可以是避雷器，例如可以是压敏电阻、放电管间隙避雷器、氧化锌避雷器、陶瓷放电管、瞬态抑制二极管、半导体放电管等等器件或其各种组合。

所述电磁波行波滞缓器200用于对经过第一对地泄放的电磁波行波进行反射并平滑所述电磁波行波。图3-5示出了本实用新型的优选的电磁波行波滞缓器。如图3-5所示，优选的电磁波行波滞缓器，包括：中空导电管1、设置在所述中空导电管1内部的磁体4，设置在所述中空导电管1和所述磁体4上之间以绝缘所述磁体4和所述中空导电管1的第一绝缘套管5，环绕所述中空导电管1设置的磁性套管3，以及设置在所述磁性套管3和所述中空导电管1之间以绝缘所述中空导电管1和所述磁性套管3的第二绝缘套管2。

如图3-5所示，所述中空导电管1可以由一段中空的圆柱状金属管铣削而成，其外壁上等距开设连续螺旋槽13，从而形成螺旋管状导体结构。形成这种结构特征可以更有利于增加中空导电管1的本征电感量，从而提高对电磁行波的阻抗。并且将这种结构的中空导电管1作为导电体，其截面积很容易做大，非常适用于大电流的应用场合。当然在本实用新型的其他优选实施例中，该螺旋槽13也可以不等距设置。另外，本领域技术人员知悉，可以采用其他任何的导电材料构造所述中空导电管1。此外，在本实用新型的其他优选实施例中，该中空导电管1的外壁可以是光滑的，也可以在其上设置等距或者不等距设置螺旋状凸起以形成中空蜗杆。

如图3所示，所述磁体4优选是穿设在所述中空导电管1中的磁棒。所述中空导电管1的两端壁11中央设置中央通孔14以供所述磁棒通过。所述中空导电管1的两端壁11上还围绕中央通孔14等距设置多个周边通孔12。当然，在本实用新型的简化实施例中，可以省略这些周边通孔12，并且磁体4可以是以任何其他方式设置在所述中空导电管1内部，其可以是任何形状的。在本实用新型中，优选采用强磁棒作为磁体4。

如图3所示，所述第一绝缘套管5可以套设在所述磁体4上以绝缘所述磁体4和所述中空导电管1。在本实用新型的其他优选实施例中，可以采用其他方式，比如包裹，环绕，密封等其他任何方式将磁体4和中空导电管1隔离开来。优选采用高介电常数的绝缘材料，例如介电常数在2～4左右的普通塑料，介电常数在6～8左右的陶瓷材料来制作该第一绝缘套管5。当然，还可以采用具有其他介电常数的材料，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。

进一步如图3所示，第二绝缘管2同样可以套设在所述中空导电管1上以绝缘所述中空导电管1和所述磁性套管3。在本实用新型的其他优选实施例中，可以采用其他方式，比如包裹，环绕，密封等其他任何方式将所述中空导电管1和所述磁性套管3。优选采用高介电常数的绝缘材料，例如介电常数在2～4左右的普通塑料，介电常数在6～8左右的陶瓷材料来制作该第二绝缘套管2。当然，还可以采用具有其他介电常数的材料，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。

进一步如图3所示，磁性套管3优选是罩设在第二绝缘管2之外的圆柱状套管。当然，在本实用新型的其他优选实施例中，所述磁性套管3还可以采用其他任何形状。优选采用高磁导率的材料，例如非晶、纳米晶、铁氧体、铁粉芯材料制作该磁性套管3，本领域技术人员可以根据实际情况具体进行选择。

进一步如图3所示，在本实施例中，还包括设置在所述中空导电管1两端从而固定整个设备并将其与外部接口连接的固定连接件6。当然，在本实用新型的简化实施例中，可以省略该固定连接件6。如图1所示，该固定连接件包括环形绝缘介片62和导电固定盖61。该环形绝缘介片62用于绝缘所述中空导电管1与所述磁性套管3以防止两者电连接。该环形绝缘介片62可以是任何绝缘材料制成。当然，在本实用新型的其他实施例中，还可以采用其他形状的绝缘介片，只要其形状能够与所述中空导电管1和所述磁性套管3适配，因此能够绝缘所述中空导电管1与所述磁性套管3以防止两者电连接即可。所述导电固定盖61固定在所述磁性套管3以紧固整个设备，并便于中空导电管1与外部接口电连接。导电固定盖61优选可以采用设置多个通孔的金属连接片。所述多个通孔可与中空导电管1上的各个通孔适配。

本实用新型通过磁体+绝缘套管+导体+绝缘套管+磁性套管的复合结构，同时提高电磁波行波的导体周围介质的介电常数和相对磁导率，可以降低电磁波行波波速和波形陡度。

下面将结合图3所示的电磁波行波滞缓器，对其原理说明如下：

电磁波行波在导线中的传播速度v为：

上式中：

c为光速，c＝3×10⁸米/秒。

ε_r为导线周围介质的相对介电常数。

μ_r为导线周围介质的相对磁导率。

由上式可以知道，电磁波行波在导线中的传播速度，与导线的材质、长度、截面积、电感、分布电容等等均无关系，只与导线周围的绝缘介质的特性有关，更明确的说只与绝缘介质的相对介电常数ε_r和相对磁导率μ_r有关。

如果行波是在架空的导线上传播的，导线周围绝缘介质是空气，空气的相对介电常数ε_r≈1，相对磁导率μ_r≈1，因此v≈c，即行波的传播速度基本上就是光速。如果想要降低行波在某段导体中的传播速度，可以通过更换高介电常数εr的绝缘介质的方式达到，也可以提高导体周围相对磁导率μr的方式达到。

如果我们除了想降低行波的传播速度，也想降低行波波形的陡度。这时就要设法增大传输路径中的阻抗。

那么，电磁波行波在导线中的波阻抗Z为：

上式中ε₀——真空介电常数；

ε_r——相对介电常数；

μ₀——真空磁导率；

μ_r——相对磁导率；

h_d——导线对地平均高度；

r——导线半径。

由上式可知，波阻抗Z不仅与绝缘介质的相对介电常数εr和相对磁导率μr有关，还与导体的分布特性有关，导体的半径r(圆形截面导体)、截面积甚至导体对地的位置也会产生影响。

这看起来似乎变量过多，但是从工程角度来看，行波既然可以通过导体作为传播路径，那么导线必然已经确定性的存在，那么它的参数不论是截面积、半径、和地面的距离等等都是确定的，也不会产生太大的变化，这是由物体的自然属性决定的。

那么，我们实际工程应用中可以把导线半径r、导线对地平均高度h_d等参数看成一个常数来处理。这时ε₀、μ₀、h_d、r都是常数，我们可以用一个常数系数K来替换。

令

那么波阻抗公式可以简化成：

由此可以得出：在导体已经确定的情况下，影响行波传输时波阻抗的特性也只和绝缘介质的相对介电常数ε_r和相对磁导率μ_r有关。

由以上分析可知，可以构造一种电磁波行波滞缓器，其中通过一段导体提供电磁波行波通路，导体周围的介质可以通过调整相对介电常数εr和相对磁导率μr来进行行波波速和波阻抗的调整。

由可知，只要选择ε_r＝4的绝缘介质，即使当μ_r＝1时，也可得到v＝0.5c也就是可以把电磁行波的速度降低到光速的一半。而通过增大μ_r的数值可以起到更大的作用，尤其是现在新型材料如非晶等可以把μ_r做到80000～100000以上。但实际上很难找到既绝缘性能良好又有高磁导率绝缘材料，因为有磁导率的材料一般都是金属或包含金属成分。

由可知，而通过增大μ_r的数值可以大幅提高波阻抗效应，虽然我们为了降低波速而同时提高了ε_r的数值，但是ε_r通常很小，一般固体的介电常数都是个位数，而磁导率μ_r可以很大，由此可以忽略ε_r增大的影响。

上述电磁波行波滞缓器通过磁体+绝缘套管+导体+绝缘套管+磁性套管的复合结构，同时提高电磁波行波的导体周围介质的介电常数和相对磁导率，可以使电磁行波的波速在本实用新型的电磁波行波滞缓设备中降低到光速的几分之一到几十分之一，并且大幅平缓了电磁行波的波形陡度。

如前所述，经过第一对地泄放的电磁波行波沿着导线继续传播，这时当其被传送到所述电磁波行波滞缓器200时，由于电磁波行波的波阻抗突然增大，电磁波行波会在此处发生行波反射效应，令入射的电磁波行波延原传播路径原路返回，这样电磁波行波将会返回到所述第一对地泄放装置100，这时经过反射的电磁波行波和入射的电磁波行波将产生叠加，这样将提高其在所述第一对地泄放装置100的对地电压，使得所述第一对地泄放装置100更加容易导通以进行对地泄放。并且，由于电磁波行波的波阻抗增大其对电磁波行波的波形陡度产生平缓效应，即降低电磁波行波的波形陡度，这对后级的再次泄放和滤波是有很大好处的。同时电磁波行波滞缓器200可以降低电磁波行波的传播速度，使其有足够的时间在等待一次泄放装置完全导通后，才会传播到二次泄放装置处，这样可以完美地解决各级间响应顺序的问题。其效果完全可以取消第三级泄放装置，而不影响防护效。

所述第二对地泄放装置300用于对经过反射和平滑后的所述电磁波行波进行第二对地泄放。所述EMC滤波装置400用于对经过第二对地泄放的电磁波行波进行EMC滤波。在本实用新型中，所述第二对地泄放装置300可以是避雷器，例如可以是压敏电阻、放电管间隙避雷器、氧化锌避雷器、陶瓷放电管、瞬态抑制二极管、半导体放电管等等器件或其各种组合。

所述第一旁路滤波组件410用于对经过第二对地泄放的所述电磁波行波进行第一旁路滤波。例如，在本实用新型的优选实施例中，可以采用并联的一个或多个滤波电容相对工作地进行旁路滤波。在本实用新型的其他优选实施例中，还可以采用其他旁路滤波电路或者器件进行旁路滤波。

所述共模滤波组件420用于对经过第一旁路滤波的所述电磁波行波进行共模滤波。例如，在本实用新型的优选实施例中，可以采用共模电感进行共模滤波。在本实用新型的一个优选实施例中，所述共模电感可以包括至少两个共模线圈和设置在所述共模线圈之间的高频磁环。

第二旁路滤波组件430用于对经过共模滤波的所述电磁波行波进行第二旁路滤波。在例如，在本实用新型的优选实施例中，可以采用并联的一个或多个滤波电容相对工作地进行旁路滤波。在本实用新型的其他优选实施例中，还可以采用其他旁路滤波电路或者器件进行旁路滤波。这样在本实用新型中，将接地地网根据功能分隔成2个部分，专职泄放电流能量的大地地网与专职滤除干扰的工作地网，令两个地互不干扰。

所述差模滤波组件440用于对经过第二旁路滤波的所述电磁波行波进行差模滤波。例如，在本实用新型的优选实施例中，可以采用差模电感进行差模滤波。在本实用新型的一个优选实施例中，所述差模电感可以包括高频磁芯和套设在所述高频磁芯上的线圈。

实施本实用新型的电磁冲击防护系统，通过增大行波波阻的器件来增大行波阻抗进而令行波反射，解决了各级响应问题，提高了对地泄放电压进而降低了对接地电阻值的要求。更进一步地，通过设置电磁波行波滞缓器可以对增大电磁波行波阻抗，平滑波形陡度并且减速电磁波行波，从而使得在第一地泄放完成之后才进行第二对地泄放，进而更加完美地解决了各级响应问题，其效果可以减少第三对地泄放步骤，而不会影响防护效果。再进一步地，通过设置工作地和大地，避免了两种电磁防护间的相互干扰。更进一步地，由于配合地网区分与行波反射和延时，使得对接地网的要求更加降低，可以在比较大的接地电阻的接地网上实现很好的防护效果。其原因是入侵电磁波行波行进有两条支路(1)通过接地电阻进入大地。(2)通过导电线路进入设备。此时第(2)条进入设备的支路增加了很大的阻抗，这样一来根据分流原理，第(1)条支路上的电流比例必然会增加，甚至可以适当提高接地电阻的值的情况下依然能够分得绝大部分电流能量。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。