挑战

我们业余无线电爱好者面临的挑战是用最好的电台,享受业余爱好的好处,并保持电台在需要的时候可以运作。如果我们考虑大自然雷电的可怕能力,做到这点其实并不太容易。你无法预测雷电在什么时候发生、会释放多少能量,但你有能力将这些能量转移到地球上。换句话说,你应该采取必要的行动,保护你的业余无线电台,即便受到雷电的直接冲击!

商业电台这么做已经有好几年了,他们在山顶安装了重要的设施,这些都是雷击目标。这些设施确实在雷击中幸存了下来,并继续提供重要的服务。

对于防雷,你必须遵守所有的规则。任何违反规则的行为,哪怕只是一点点,都可能导致损坏你的设备。在某些情况下,对半保护的无线电台的损害可能比根本没有实施保护计划还要严重。接下来我们从一些背景知识开始讲起。

雷电的特征

传统的夏季午后雷暴天气所必需的条件是:从地面到几千米的高空有大量潮湿的空气,上方的空气温度低,几乎没有风,而且有充足的阳光来加热地面附近的气团。当温暖潮湿的空气被加热时,它迅速上升到温度低于冰点的高度,最终形成如图1所示的雷雨云。在雷雨云内部,不断上升的空气驱动的冰粒子之间的碰撞导致了静电荷的积累。最终,静电荷变得足够大,导致空气的电击穿--雷击。

图1--典型的对流雷暴

雷暴的平均宽度约为10公里,速度约为每小时40公里。云的铁砧形状是由于热层(对流层顶)和高空高速风的组合而形成的,这两种风会使云顶产生蘑菇状的云并向前推进。最危险的区域是位于云层前缘15公里处的地方。

当雷击发生时,将沿着先导通道迅速积累几个大脉冲能量。该通道被这些能量在一微秒内加热到27000摄氏度以上,因此在加热过程中没有时间膨胀,从而产生极高的压力。高压通道迅速扩展到周围的空气中,并压缩它们。空气的这种扰动向四面八方传播。在前10米左右,它以冲击波的形式传播(比音速还快),然后以普通声波的形式传播--就是我们听到的雷声。

在雷击期间,你的设备会受到几种巨大的能量冲击。大部分能量是脉冲形式的直流电流,脉冲的快速上升期间会产生了大量的射频能量。典型的雷击上升时间为1.8µS,这可转换为139kHz的射频信号。上升时间可以从非常快的0.25µS到非常慢的12µS,这可产生一个从1MHz到20MHz的射频。然而,直击雷的过程时间最快可达10nS。

这种含有射频成分的冲击是我们保护设备时需要着重考虑的。除了冲击脉冲外,天线和馈线还形成调谐电路,当脉冲冲击时,这些电路就会产生谐振。这很像敲击音叉时会发出固定频率的声音,谐振是由雷电的脉冲能量产生的。

雷击的第一次脉冲的平均峰值电流约为18kA(98%的冲击在3kA到140kA之间)。对于第二个和后续的脉冲,电流将是初始峰值的一半左右。是的,一次雷击通常不止一个冲击。我们会觉得雷电闪烁,其原因便是雷击一般是由3到4个脉冲组成的。脉冲之间的典型间隔约为50mS。

我们的弱点

通常,是业余无线电爱好者为大自然提供了一个诱因。为了实现良好的远距离通信,我们把天线放在塔的顶部,并把塔放置在周围的建筑物或乡村之上。虽然这提供了良好的信号覆盖,它也使大自然更容易找到一个更短的,传导到地面的路径。

你的塔被雷电击中的概率主要取决于你所处的位置和塔的高度。1952年,美国气象局绘制了一幅等高线图,显示了一年中雷暴日数的平均值,如图2所示。计数标准相对简单,雷暴日是指听到一声或多声雷声的日子。这也使我们对我们所处的闪电环境有了一个合理的看法。

另一个影响被击中概率的重要因素是高塔高出平均地面的高度。你可能会怀疑,是不是你的塔越高,被击中的概率就越高。图3显示了一个给定高度的塔每年被雷暴袭击的估计次数。

图3--不同高度的塔在不同雷击天数区域中被击中次数的估计

你可能会有以下几种反应之一。首先,你可以说这些预测都是错误的,说某人某人2年前架设了一座30米高的塔以来,从未遭遇过任何雷击。有人会说,也许他只是运气好,或者只是平均定律。另一种反应可能是:“哇!这就解释了所发生的一切,我最好马上采取行动。”

接下来,将向你展示你需要做些什么来保护你的生命和设备,并将其分解为几个简单的步骤,以最大限度地提高成功的可能性。每个业余无线电台都是不同的,没有“一刀切”的解决方案。但是,必须遵循一些有充分根据的原则。不遵守这些原则就会导致浪费时间和金钱,没有比什么都不做更好的保护措施(甚至可能造成更严重的损害)。请仔细遵循每一个步骤,考虑所涉及的原则,并仔细将这些信息应用到你的环境中。

未完待续