【導讀】采cai取qu適shi當dang的de預yu防fang措cuo施shi
，可ke以yi防fang止zhi雷lei擊ji對dui以yi太tai網wang連lian接jie設she備bei造zao成cheng損sun壞huai。使shi用yong保bao護hu元yuan器qi件jian的de傳chuan統tong方fang法fa可ke能neng不bu完wan全quan有you效xiao，我wo們men還hai需xu要yao輔fu以yi另ling外wai一yi種zhong方fang法fa，其qi靈ling感gan基ji於yu對dui雷lei擊ji能neng量liang傳chuan遞di給gei以yi太tai網wang電dian纜lan和he相xiang連lian設she備bei的de基ji礎chu機ji製zhi的de深shen入ru分fen析xi，本ben文wen會hui詳xiang細xi介jie紹shao這zhe些xie內nei容rong。

問題：

有沒有一種簡單方法可以保護以太網免受雷擊損壞？ 

答案：

如果對磁學和電路理論有深入的理解
，再加上適當的接地和屏蔽技術，就能找到辦法。

摘要

采cai取qu適shi當dang的de預yu防fang措cuo施shi
，可ke以yi防fang止zhi雷lei擊ji對dui以yi太tai網wang連lian接jie設she備bei造zao成cheng損sun壞huai。使shi用yong保bao護hu元yuan器qi件jian的de傳chuan統tong方fang法fa可ke能neng不bu完wan全quan有you效xiao，我wo們men還hai需xu要yao輔fu以yi另ling外wai一yi種zhong方fang法fa，其qi靈ling感gan基ji於yu對dui雷lei擊ji能neng量liang傳chuan遞di給gei以yi太tai網wang電dian纜lan和he相xiang連lian設she備bei的de基ji礎chu機ji製zhi的de深shen入ru分fen析xi，本ben文wen會hui詳xiang細xi介jie紹shao這zhe些xie內nei容rong。

引言

以yi雷lei擊ji為wei罪zui魁kui禍huo首shou的de浪lang湧yong事shi件jian會hui讓rang有you線xian以yi太tai網wang出chu現xian故gu障zhang
，時shi刻ke牽qian動dong著zhe網wang絡luo管guan理li員yuan或huo者zhe其qi他ta相xiang關guan負fu責ze人ren的de神shen經jing。這zhe個ge問wen題ti並bing不bu局ju限xian於yu以yi太tai網wang
，任ren何he現xian實shi中zhong較jiao大da的de電dian子zi或huo電dian力li係xi統tong都dou不bu例li外wai。其qi他ta示shi例li包bao括kuo：遠程返回的電氣測量、dianlichuanshuyijichuanganqibuzaifujindegongyezidonghuayingyong。chuantongjiejuefangandegongzuoyuanlishixishouhuoxianzhimougequyufujindeshijiannengliang，yibaohuwulicengyuanqijian。zhezhongfangfadewentizaiyu，nengliangweibeixiaochu
，youcichanshengdedianliuyeweibeixiaochu。ganyinglujingzhongdeshuntaidianliuzongshihuichanshenghendadedianya

，jinerkenengzaochengsunhuai。yinci
，dangkaolvchangguifangfashi，womenbixumingque：需要什麼級別的保護
，以及需要多少時間
、精(jing)力(li)和(he)資(zi)源(yuan)來(lai)實(shi)施(shi)？此(ci)外(wai)，所(suo)部(bu)署(shu)的(de)保(bao)護(hu)方(fang)法(fa)不(bu)僅(jin)要(yao)能(neng)夠(gou)抵(di)禦(yu)浪(lang)湧(yong)，而(er)且(qie)要(yao)在(zai)浪(lang)湧(yong)發(fa)生(sheng)後(hou)仍(reng)能(neng)正(zheng)常(chang)運(yun)作(zuo)。雷(lei)擊(ji)產(chan)生(sheng)的(de)能(neng)量(liang)比(bi)您(nin)想(xiang)象(xiang)的(de)可(ke)能(neng)要(yao)大(da)幾(ji)個(ge)數(shu)量(liang)級(ji)。為(wei)了(le)實(shi)現(xian)安(an)全(quan)可(ke)靠(kao)的(de)運(yun)行(xing)，需(xu)要(yao)采(cai)取(qu)強(qiang)有(you)力(li)的(de)保(bao)護(hu)措(cuo)施(shi)來(lai)應(ying)對(dui)這(zhe)一(yi)挑(tiao)戰(zhan)。 

能量大小

以(yi)太(tai)網(wang)係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)防(fang)範(fan)浪(lang)湧(yong)事(shi)件(jian)，不(bu)同(tong)浪(lang)湧(yong)事(shi)件(jian)的(de)能(neng)量(liang)可(ke)能(neng)相(xiang)去(qu)甚(shen)遠(yuan)。數(shu)千(qian)米(mi)外(wai)的(de)雷(lei)擊(ji)引(yin)起(qi)的(de)能(neng)量(liang)浪(lang)湧(yong)在(zai)強(qiang)度(du)上(shang)可(ke)能(neng)比(bi)門(men)外(wai)的(de)雷(lei)擊(ji)引(yin)起(qi)的(de)能(neng)量(liang)浪(lang)湧(yong)低(di)五(wu)個(ge)數(shu)量(liang)級(ji)。以(yi)太(tai)網(wang)係(xi)統(tong)的(de)規(gui)模(mo)也(ye)會(hui)影(ying)響(xiang)其(qi)處(chu)理(li)不(bu)同(tong)量(liang)級(ji)的(de)能(neng)量(liang)的(de)能(neng)力(li)。甚(shen)至(zhi)環(huan)路(lu)的(de)方(fang)向(xiang)也(ye)可(ke)能(neng)使(shi)係(xi)統(tong)的(de)浪(lang)湧(yong)承(cheng)受(shou)能(neng)力(li)增(zeng)加(jia)三(san)個(ge)數(shu)量(liang)級(ji)。

雷擊能量

浪湧事件造成的損壞取決於事件的能量、能量浪湧發生的位置以及係統受到衝擊時可以儲存多少能量。了解這些因素將有助於找到防範這種損壞的解決方案。

雷擊產生的能量儲存在雷擊周圍的區域中（我們的討論排除直擊雷的可能性）。雷(lei)擊(ji)的(de)主(zhu)要(yao)問(wen)題(ti)是(shi)能(neng)量(liang)儲(chu)存(cun)在(zai)近(jin)場(chang)中(zhong)，其(qi)中(zhong)磁(ci)場(chang)對(dui)於(yu)這(zhe)種(zhong)低(di)阻(zu)抗(kang)源(yuan)來(lai)說(shuo)最(zui)為(wei)重(zhong)要(yao)。通(tong)過(guo)雷(lei)擊(ji)長(chang)度(du)可(ke)以(yi)求(qiu)出(chu)總(zong)電(dian)感(gan)，然(ran)後(hou)使(shi)用(yong)我(wo)們(men)熟(shu)悉(xi)的(de)能(neng)量(liang)方(fang)程(cheng)E = 1/2Li2便可近似計算磁場中的總能量。雷擊電流大小不一，但可能高達50,000 A。在超過此距離的遠場中，能量非常小
，幾乎不用擔心
，除非您從事建造無線電接收器的業務。

太陽每秒產生3.846 × 1026 W的功率。在距離太陽9300萬英裏的地球上
，一平方米空間接收到其中的1000 W功率。如果我們對圍繞太陽的整個球麵進行積分

，無論距離太陽表麵有多遠，總會有3.846 × 1026 W的輻射功率，而1平方米相對於9300萬英裏之外的總表麵積而言非常之小！現在我們從能量而不是功率的角度來討論。要獲得1000焦耳的能量，需要照射1 s（瓦特的單位為J/s）。此能量體積等於1M2乘以光在一秒內傳播的距離，即3 × 108 M；在這種情況下，總體積也是3 × 108M3。

為了理解本文的其餘內容
，必須接受輻射能量和靜態能量（磁能BxH和靜電能ExD）都儲存在空間中的概念。坡印廷定理描述了能量的運動
、移動或轉移。能量的轉移總是同時涉及磁場和電場。導體內部不可能有明顯的電場
，因此也不可能儲存任何能量。近處和遠處（輻射）的能量都儲存在雷擊事件周圍的空間中，這個道理簡單明了。此概念（能量儲存在空間中）為浪湧問題提出了以下解決方案：不接觸這種能量就能消除電湧問題。

要接觸該能量，導體幾何結構（以太網電纜）需(xu)要(yao)進(jin)入(ru)能(neng)量(liang)運(yun)動(dong)所(suo)在(zai)的(de)空(kong)間(jian)。就(jiu)像(xiang)我(wo)們(men)的(de)輻(fu)射(she)示(shi)例(li)一(yi)樣(yang)，即(ji)使(shi)處(chu)於(yu)近(jin)場(chang)，也(ye)涉(she)及(ji)時(shi)間(jian)。以(yi)太(tai)網(wang)電(dian)纜(lan)以(yi)差(cha)分(fen)方(fang)式(shi)連(lian)接(jie)
，不(bu)具(ju)有(you)任(ren)何(he)明(ming)顯(xian)的(de)環(huan)路(lu)區(qu)域(yu)，因(yin)此(ci)不(bu)太(tai)可(ke)能(neng)從(cong)該(gai)周(zhou)圍(wei)空(kong)間(jian)耦(ou)合(he)任(ren)何(he)明(ming)顯(xian)的(de)能(neng)量(liang)。對(dui)於(yu)以(yi)太(tai)網(wang)電(dian)纜(lan)和(he)接(jie)地(di)係(xi)統(tong)之(zhi)間(jian)的(de)區(qu)域(yu)
，情(qing)況(kuang)並(bing)非(fei)如(ru)此(ci)。

浪湧是一種涉及機箱接地係統的高頻環路電流。每個構建的電路都有機箱接地係統。就本文而言，它僅對大型電路很重要。請參閱圖1的de示shi例li
，了le解jie機ji箱xiang接jie地di係xi統tong如ru何he始shi終zhong存cun在zai，而er且qie係xi統tong越yue大da，它ta就jiu越yue重zhong要yao
，以yi及ji為wei什shen麼me接jie地di與yu該gai問wen題ti沒mei有you任ren何he關guan係xi，而er任ren何he寄ji生sheng導dao體ti都dou會hui有you關guan係xi。下xia一yi節jie將jiang介jie紹shao兩liang種zhong最zui常chang見jian的de浪lang湧yong電dian流liu源yuan。

接地環路能量

接地環路之所以產生
，是因為任何兩個位置的接地電位都不是恒定的。圖1顯(xian)示(shi)
，每(mei)個(ge)原(yuan)理(li)圖(tu)都(dou)有(you)第(di)二(er)個(ge)電(dian)路(lu)
，即(ji)寄(ji)生(sheng)接(jie)地(di)環(huan)路(lu)。由(you)於(yu)接(jie)地(di)環(huan)路(lu)和(he)您(nin)設(she)計(ji)的(de)電(dian)路(lu)可(ke)以(yi)共(gong)用(yong)一(yi)根(gen)導(dao)線(xian)，因(yin)此(ci)該(gai)接(jie)地(di)環(huan)路(lu)也(ye)被(bei)稱(cheng)為(wei)共(gong)阻(zu)抗(kang)耦(ou)合(he)1。圖1和圖2顯xian示shi了le更geng詳xiang細xi的de示shi例li。通tong常chang
，第di二er個ge機ji箱xiang接jie地di電dian路lu不bu是shi那na麼me大da，但dan始shi終zhong存cun在zai。一yi般ban來lai說shuo，電dian子zi係xi統tong覆fu蓋gai的de距ju離li越yue遠yuan
，這zhe些xie接jie地di之zhi間jian的de電dian位wei差cha就jiu越yue大da，它ta們men之zhi間jian的de電dian感gan和he電dian阻zu也ye會hui越yue大da。

圖1.從(cong)技(ji)術(shu)上(shang)講(jiang)，即(ji)使(shi)像(xiang)手(shou)持(chi)設(she)備(bei)這(zhe)樣(yang)小(xiao)的(de)係(xi)統(tong)也(ye)可(ke)能(neng)受(shou)到(dao)外(wai)界(jie)的(de)影(ying)響(xiang)。在(zai)此(ci)示(shi)例(li)中(zhong)，接(jie)地(di)環(huan)路(lu)非(fei)常(chang)小(xiao)，任(ren)何(he)幹(gan)擾(rao)電(dian)流(liu)都(dou)將(jiang)流(liu)向(xiang)屏(ping)蔽(bi)層(ceng)而(er)不(bu)是(shi)無(wu)線(xian)電(dian)接(jie)地(di)。

圖2.上圖所示為線路供電儀器，機箱接地1和機箱接地2之間有接地環路電壓。同時，該環路很大，足以使磁耦合幹擾變得顯著。另請注意，幹擾環路與儀器接地共用一根導線。

dangshandianjizhongdimianshi
，dianliuhuixianggegefangxiangkuosan。gaidianliuhuidaozhidianliuliujingdejiedidianzuhedianganchuxianxianzhudedianyaxiajiang。duiyumouxieyouxianyitaiwangsheshi，cidianweichakenenghengkuazhenggeyitaiwangdianlan（從一端到另一端），並(bing)可(ke)能(neng)引(yin)起(qi)大(da)電(dian)流(liu)流(liu)動(dong)。這(zhe)種(zhong)效(xiao)應(ying)被(bei)歸(gui)類(lei)為(wei)接(jie)地(di)環(huan)路(lu)
，這(zhe)是(shi)正(zheng)確(que)的(de)。源(yuan)自(zi)儀(yi)器(qi)儀(yi)表(biao)和(he)電(dian)力(li)機(ji)械(xie)的(de)電(dian)流(liu)也(ye)會(hui)引(yin)起(qi)接(jie)地(di)環(huan)路(lu)。正(zheng)確(que)接(jie)地(di)的(de)建(jian)築(zhu)物(wu)以(yi)公(gong)用(yong)設(she)施(shi)入(ru)口(kou)處(chu)的(de)單(dan)個(ge)接(jie)地(di)導(dao)體(ti)為(wei)基(ji)準(zhun)。由(you)此(ci)可(ke)知(zhi)，在(zai)單(dan)一(yi)建(jian)築(zhu)物(wu)內(nei)，雷(lei)擊(ji)引(yin)起(qi)的(de)接(jie)地(di)環(huan)路(lu)並(bing)不(bu)是(shi)造(zao)成(cheng)設(she)備(bei)損(sun)壞(huai)的(de)主(zhu)導(dao)因(yin)素(su)。對(dui)於(yu)在(zai)建(jian)築(zhu)物(wu)外(wai)部(bu)或(huo)建(jian)築(zhu)物(wu)之(zhi)間(jian)布(bu)設(she)的(de)以(yi)太(tai)網(wang)來(lai)說(shuo)
，情(qing)況(kuang)顯(xian)然(ran)不(bu)是(shi)這(zhe)樣(yang)。

無論來源如何
，接地電壓都會在以太網電纜中產生電流，即使長度不是很長或者沒有環路區域也是如此。重要的是兩個接地點的電位差、上升時間以及兩點之間機箱係統的電感。

閃電產生的磁場

根據法拉第定律
，閃電還可以在任何環路區域中產生磁耦合電壓。這可能是最堪憂的問題


，因為它會影響建築物內布設的以太網。

接地環路引起的雷擊浪湧事件與磁耦合（法拉第定律）引起的浪湧事件不同。接下來的幾節將討論每個問題的可能解決方案。作為參考，圖3顯示了沒有采用本文所述任何解決方案的以太網連接。這裏，通過電路和接地參考平麵（也是電路的一部分）的電流路徑（由於接地環路或法拉第定律而產生）是浪湧電流可以通過的唯一路徑。常規解決方案試圖將該電流從元器件中分流走，但電流路徑中可能發生具有危險性的V = Ldi/dt事件。

圖3.一個容易受到浪湧損壞的以太網示例。

教科書解決方案

jiejuejiedihuanluhecinengwentidejiaokeshujiejuefanganshishiyongfanghu。yongpingbicengbaoweizhenggeyingyonglaitigongfanghu。zhezhongfanghudezuoyongshishiyingyongyuchufanghubenshenzhiwaiderenhewutizhijiandedianrongzuixiaohua。kaolvtu4（一個簡化的非以太網示例）
，很顯然，所有接地環路或磁感應電流都將沿著防護金屬流動並穿過C5處chu的de隔ge離li柵zha。接jie地di環huan路lu電dian流liu不bu可ke能neng進jin入ru防fang護hu裝zhuang置zhi所suo包bao圍wei的de任ren一yi應ying用yong區qu域yu。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，幹gan擾rao場chang完wan全quan在zai應ying用yong元yuan器qi件jian的de外wai部bu。除chu了le消xiao除chu任ren何he靜jing電dian耦ou合he噪zao聲sheng之zhi外wai，該gai教jiao科ke書shu解jie決jue方fang案an還hai能neng應ying對dui上shang述shu兩liang種zhong幹gan擾rao源yuan。教jiao科ke書shu解jie決jue方fang案an確que實shi非fei常chang出chu色se
，即ji使shiC5非常小，它也能工作。短路線匝並不是必需的。 

圖4.儀器示例，顯示了使用防護來消除能量
，從而減少應用電路中的浪湧電流。

這zhe是shi唯wei一yi適shi用yong於yu兩liang種zhong接jie地di環huan路lu和he磁ci耦ou合he場chang能neng量liang的de解jie決jue方fang案an。它ta通tong常chang也ye超chao出chu了le這zhe種zhong以yi太tai網wang應ying用yong的de要yao求qiu
，下xia麵mian將jiang做zuo一yi些xie簡jian化hua，以yi得de到dao我wo們men可ke以yi實shi際ji構gou建jian的de以yi太tai網wang解jie決jue方fang案an。

短路線匝

zaochengsunhuaidenenglianglaizishandiansuochanshengdenengliangchang。weilexiaochuyitaiwangbushezhongdenengliang，womenxuyaoxiaochunengliangchang，weiciwomenjiangzaicibianyaqizhongshejiyigeduanluxianza
，qizhongshandianweichuji，yitaiwangjiedihuanluquyuweiciji。ruguoshiyongyitaiwangdianlanneibudefanghucengheyingyongdianluzhongdepingmianlaigoujianyigegelideduanluxianza，tongguojieditigongzuizhongdaotilaibiheduanluxianza
，namewomenyinggainenggouxiaochunengliang。zaishijianzhong，shishizhezhongduanluxianzahou，tianjiawaibufenliubaohuyuanjiandeguochenghuirongyideduo。

要進行簡化，可以去掉係統左右半部的完整包圍，如圖5所示（以太網配置如圖6所示）。如果防護回路可以充當短路線匝

，並且C3/C4的比值極小，那麼這種更簡單的配置可能是有效的。相比隔離路徑
，這種消除浪湧的簡化方法隻有在我們能夠構建短路線匝時才有效。

圖5.使用屏蔽將浪湧能量從應用電路引走的簡化儀器示例。

圖6.使用屏蔽將浪湧能量從應用電路引走的以太網示例，C3 < C4。

從(cong)以(yi)太(tai)網(wang)環(huan)路(lu)的(de)角(jiao)度(du)來(lai)看(kan)，此(ci)短(duan)路(lu)線(xian)匝(za)究(jiu)竟(jing)是(shi)如(ru)何(he)消(xiao)除(chu)能(neng)量(liang)的(de)呢(ne)？為(wei)了(le)揭(jie)示(shi)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)在(zai)更(geng)深(shen)的(de)層(ceng)次(ci)上(shang)理(li)解(jie)變(bian)壓(ya)器(qi)類(lei)比(bi)。真(zhen)正(zheng)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)旨(zhi)在(zai)移(yi)動(dong)能(neng)量(liang)，而(er)不(bu)是(shi)儲(chu)存(cun)能(neng)量(liang)。無(wu)論(lun)空(kong)芯(xin)變(bian)壓(ya)器(qi)還(hai)是(shi)磁(ci)芯(xin)變(bian)壓(ya)器(qi)，都(dou)是(shi)如(ru)此(ci)。為(wei)了(le)在(zai)空(kong)芯(xin)變(bian)壓(ya)器(qi)中(zhong)幾(ji)乎(hu)不(bu)儲(chu)存(cun)能(neng)量(liang)，繞(rao)組(zu)必(bi)須(xu)直(zhi)接(jie)纏(chan)繞(rao)在(zai)彼(bi)此(ci)之(zhi)上(shang)，以(yi)便(bian)幾(ji)乎(hu)沒(mei)有(you)儲(chu)存(cun)能(neng)量(liang)的(de)空(kong)間(jian)。即(ji)使(shi)繞(rao)組(zu)不(bu)直(zhi)接(jie)相(xiang)互(hu)疊(die)置(zhi)

，用(yong)磁(ci)芯(xin)製(zhi)成(cheng)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)也(ye)會(hui)將(jiang)能(neng)量(liang)（具有磁滯和渦流損耗）從一個繞組轉移到另一個繞組，但繞組和磁芯之間必須幾乎沒有空間，以便幾乎不會儲存能量。當使用磁芯時
，由於電感較高，較大的µr會直接降低磁化電流
，讓我們可以獲得額外的優勢。不管有無磁芯，施加到初級的電壓都會產生一個電流，可通過我們熟悉的V = Ldi/dt關係來描述，這反過來又會導致次級上產生一個電壓，可通過下式得出：

V = (環路麵積)dB/dt。磁性材料的存在不會改變初級Ldi/dt或次級dB/dt。換句話說，它不會改變變壓器電壓。在初級中，磁導率µr是一個常數，它會增加電感（增加µr）

，但也會降低di/dt以進行補償。對於次級，較大µr會減慢dB/dt（因為初級di/dt較低），但它也會增加B，增加幅度就是該常數。高磁導率實際上隻是通過提高初級電感來降低磁化電流。

由於變壓器中不儲存能量，當次級負載很大時，低阻抗電壓源驅動的初級將需要提供更大電流，初級電流將增加以提供能量。

xiangbizhixia，leijihuizaifeichangdadekongjianzhongchucundaliangnengliang。nengliangzongshianzhaochucunnengliangjinkenengshaodepeizhizixingpailie。zhezhengshibianyaqizaineibuyijicijiraozujiekouchusuozuodeshiqing，cijidianliuyuchujidianliufangxiangxiangfan。zhexiexiangfandedianliubaozhengbuhuicunzaijingwaibucichang（儲存的能量）。zaigaocengcishang，zhebeichengweizuixiaozuoyongyuanli，danjiubenweneryan，tabeichengweilengcidinglv。zhejiushiyitaiwangdianlanhejixiangjiedihuiluzhouweikongjianzhongfashengdeqingkuang。yitaiwanghuanlu（或短路線匝，由您選擇）提供了轉移或耗散此能量的手段
，因為任一手段都提供了儲存較少能量的方法。就像上麵的變壓器示例一樣，產生的次級電壓仍然為V = (環路麵積)dB/dt，但初級（閃電）和次級（以太網環路）之間沒有緊密耦合。這種不良耦合使該區域無法接觸無限的能量源。短路線匝會產生一個電流，抵消/耗hao散san閃shan電dian儲chu存cun在zai該gai空kong間jian中zhong的de能neng量liang。如ru果guo可ke以yi在zai短duan路lu線xian匝za就jiu位wei的de情qing況kuang下xia測ce量liang初chu級ji的de電dian感gan，那na麼me它ta會hui是shi一yi個ge較jiao低di的de值zhi，表biao明ming儲chu存cun的de能neng量liang較jiao少shao，一yi些xie丟diu失shi的de能neng量liang在zai短duan路lu線xian匝za中zhong耗hao散san。換huan句ju話hua說shuo
，次ci級ji負fu載zai產chan生sheng的de磁ci場chang將jiang抵di消xiao閃shan電dian產chan生sheng的de磁ci場chang，使shi以yi太tai網wang環huan路lu中zhong儲chu存cun的de能neng量liang減jian少shao。

shunbianshuoyiju
，zaibianyaqizhong，dangjiangyigecijiduanlushi，suofashengdezhengshishangshuqingkuang。danshi
，zheqizhongyouyigezhongyaoqubie。duiyushijibianyaqi，youyujinmiouhe，duanluxianzajianghaosanchujizhongdesuoyoukeyongnengliang。duiyushandian，zhiyouyitaiwanghuanlukongjianzhongdenengliangcaihuibeihaosan。

我們來看一個例子。雷擊產生的H場為I/2πR。假設雷擊距離以太網電纜1英裏(1600 M)，雷擊電流為50,000 A

，則磁場強度將為4.97 A/M

B場即為B = µH = (4π × 10E-7)(4.97) = 6.25E-6 Tesla，以太網環路麵積（一英裏遠）為： 1 M × 150 M =150M2

雷擊電流的上升時間可以短到1μs，其下降時間為約100 µs，因此該環路中產生的電壓可近似計算為：V = A (環路麵積 × dB/dt) = 150(6.25E-6)/1 μs = 937 V

我們通過仿真來獲得準確的值。圖7顯示了一次50 kA雷擊
，上升時間為1 μs，下降時間為10 μs。 

圖7.50 kA雷擊，上升時間為1 μs，下降時間為10 μs。

根據法拉第定律，此電流將產生電壓V1
，如圖8所示。E1代表未受保護的以太網環路內的浪湧電壓。459 μH是帶機箱的以太網環路區域的電感

，500 pF表示以太網連接的PSE和PD兩側的對地淨串聯電容，10 Ω電阻是電路的串聯電阻。在仿真中，R2的值並沒有真正改變電流的峰值
，而是導致波形的包絡以更快的速率衰減。這一更有利的L/R時間常數將使浪湧能量作為熱量更快地通過整個分布式電阻耗散。

圖8.SPICE仿真模型，說明了利用與以太網環路緊密耦合的第二短路線匝可以降低浪湧電流。

圖9.圖8中示例仿真的浪湧電流。 

所產生的浪湧電流I(L2)如圖9所示。該圖表明，即使雷擊發生在1英裏之外
，未受保護的環路也會出現1.6 A的峰峰值浪湧電流。想象一下，如果雷擊距離近很多，會產生多大的環路電流。即使這樣的電流也足以造成損壞。

現在，讓我們考慮原理圖右半部分所示的受保護以太網環路（這裏是內部以太網環路）中的浪湧電流。如果降低屏蔽環路阻抗（增加C3和C4），同時保持與以太網環路的良好磁耦合，則該浪湧電流可以進一步降低。 

隔離

還(hai)有(you)一(yi)種(zhong)消(xiao)除(chu)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)的(de)方(fang)法(fa)，那(na)就(jiu)是(shi)隔(ge)離(li)電(dian)纜(lan)的(de)一(yi)端(duan)或(huo)兩(liang)端(duan)。理(li)想(xiang)情(qing)況(kuang)下(xia)，要(yao)以(yi)這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)隔(ge)離(li)應(ying)用(yong)，需(xu)要(yao)在(zai)所(suo)有(you)頻(pin)率(lv)下(xia)都(dou)有(you)一(yi)個(ge)開(kai)路(lu)。這(zhe)通(tong)常(chang)由(you)隔(ge)離(li)變(bian)壓(ya)器(qi)實(shi)現(xian)；對於以太網，這包括數據變壓器和電源變壓器（POE應用）。變壓器擅長阻止DC；但dan其qi初chu級ji到dao次ci級ji電dian容rong在zai較jiao高gao頻pin率lv下xia會hui短duan路lu，從cong而er支zhi持chi高gao頻pin浪lang湧yong電dian流liu。如ru果guo有you極ji低di電dian容rong的de變bian壓ya器qi可ke用yong，我wo們men一yi開kai始shi就jiu不bu會hui有you浪lang湧yong問wen題ti
，所suo以yi這zhe不bu是shi答da案an。不bu過guo


，減jian小xiao隔ge離li電dian容rong確que實shi會hui降jiang低di雷lei擊ji引yin起qi的de電dian流liu。然ran而er，本ben文wen提ti出chu的de解jie決jue方fang案an在zai較jiao高gao頻pin率lv下xia可ke提ti供gong更geng好hao的de隔ge離li係xi統tong，盡jin管guan跨kua隔ge離li柵zha的de電dian容rong較jiao大da。如ru果guo電dian容rong看kan不bu到dao任ren何hedv/dt
，那麼它便無關緊要。 

有什麼問題？

問(wen)題(ti)是(shi)我(wo)們(men)永(yong)遠(yuan)無(wu)法(fa)在(zai)電(dian)路(lu)周(zhou)圍(wei)建(jian)立(li)理(li)想(xiang)的(de)防(fang)護(hu)
，或(huo)者(zhe)利(li)用(yong)短(duan)路(lu)線(xian)匝(za)消(xiao)除(chu)所(suo)有(you)磁(ci)場(chang)，或(huo)者(zhe)構(gou)建(jian)沒(mei)有(you)電(dian)容(rong)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)。這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，還(hai)能(neng)做(zuo)些(xie)什(shen)麼(me)呢(ne)？為(wei)了(le)增(zeng)強(qiang)這(zhe)些(xie)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，我(wo)們(men)可(ke)能(neng)還(hai)需(xu)要(yao)添(tian)加(jia)旨(zhi)在(zai)轉(zhuan)移(yi)任(ren)何(he)剩(sheng)餘(yu)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)的(de)保(bao)護(hu)元(yuan)器(qi)件(jian)。短(duan)路(lu)線(xian)匝(za)中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)可(ke)能(neng)很(hen)高(gao)

，但(dan)幾(ji)乎(hu)不(bu)必(bi)擔(dan)心(xin)
，因(yin)為(wei)我(wo)們(men)隻(zhi)使(shi)用(yong)銅(tong)和(he)電(dian)容(rong)來(lai)構(gou)建(jian)它(ta)。我(wo)們(men)可(ke)以(yi)做(zuo)出(chu)的(de)最(zui)後(hou)一(yi)項(xiang)改(gai)進(jin)是(shi)在(zai)整(zheng)個(ge)以(yi)太(tai)網(wang)鏈(lian)路(lu)周(zhou)圍(wei)添(tian)加(jia)鐵(tie)氧(yang)體(ti)，如(ru)圖(tu)10所示。

圖10.共模扼流圈CH1為差模電流提供低阻抗

，並為共模電流提供更大阻抗。 

在(zai)沒(mei)有(you)新(xin)增(zeng)短(duan)路(lu)線(xian)匝(za)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，此(ci)鐵(tie)氧(yang)體(ti)仍(reng)然(ran)表(biao)現(xian)良(liang)好(hao)。它(ta)為(wei)高(gao)頻(pin)電(dian)流(liu)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)開(kai)路(lu)，以(yi)補(bu)充(chong)直(zhi)流(liu)和(he)較(jiao)低(di)頻(pin)率(lv)下(xia)隔(ge)離(li)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)開(kai)路(lu)。如(ru)果(guo)將(jiang)鐵(tie)氧(yang)體(ti)與(yu)短(duan)路(lu)線(xian)匝(za)一(yi)起(qi)使(shi)用(yong)，我(wo)們(men)會(hui)得(de)到(dao)一(yi)些(xie)非(fei)常(chang)驚(jing)人(ren)的(de)結(jie)果(guo)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，鐵(tie)氧(yang)體(ti)為(wei)接(jie)地(di)環(huan)路(lu)周(zhou)圍(wei)的(de)電(dian)流(liu)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)開(kai)路(lu)，使(shi)得(de)C3/C4比值進一步減小。 

結語

任何需要長電纜的應用都可能受到雷擊的損壞。這種損壞的原因可能是雷擊的高電流導致的接地阻抗壓降（接地環路），還有根據法拉第定律產生的電壓（磁耦合）。在某些應用中，使用保護元器件來引導這種破壞性電流可能不奏效。在這種情況下
，直接沿著以太網電纜和電路（耦合良好）tianjiadizukangduanluxianzakeyixianzhujiangdilangyongdianliu。zhezhongfangfajinshiyongtonghedianrong，yinciwomenbubidanxinduanluxianzakenengchanshengdegaodianliu。zaiyitaiwangdianlanshangtianjiagongmoeliuquanyekeyianquandijiangdilangyongdianliu。 

參考資料

1 Alan Rich。“屏蔽和防護，如何排除幹擾型噪聲——方法及原理：一種理性方法。”ADI公司
，1983年。

Karl-Heinz Niemann。“Ethernet-APL工程指南”，版本1.14 19。2022年9月。

Richard P. Feynman

、Robert B. Leighton和Matthew Sands。費曼物理學講義
，第二卷：新千年版：主要涉及電磁學和物質。Basic Books，2011年。

Ralph Morrison。接地和屏蔽技術，第四版。John Wiley & Sons Publications，1998年。 

（來源：ADI公司，作者：James Niemann，現場應用工程師）

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