通信台站的雷电防护

王颖莹　刘　华

[摘 要]目前,通信台站设备多采用高集成度的微电子电路,由于通信电子设备器件耐过压、过流的能力弱,对外部电磁干扰敏感,其耐冲击水平较低,对雷电电磁脉冲较为敏感,容易被浪涌过压损坏,因此,提高人们防雷意识,加强电子信息设备和系统的雷电电磁脉冲防护工作,是当前防雷工作和理论研究的当务之急。

[关键词]通信台站 雷电防护 电磁脉冲

近年来,随着微电子技术、光纤技术和计算机技术在通信设备中的广泛应用,因雷电电磁脉冲(简称LEMP)作用电子设备或系统的直接损失约占雷电灾害总损失的80%以上,且呈增长趋势,因此防雷保护越来越重要。对通信设备更是微电子设备集中使用的通信台站,必须采取适当的保护措施以避免因过电压以及所产生的过电流对通信设备、传输线路和相关人员造成的危害。

一、雷电对通信台站的损害

目前,通信台站设备多采用高集成度的微电子电路,通信电子设备的技术特征是集成度高,器件耐过压、过流的能力弱,对外部电磁干扰敏感,其耐冲击水平较低,对雷电电磁脉冲较为敏感,容易被浪涌过压损坏,因而电子设备很容易遭到LEMP干扰的侵害,轻者导致性能下降,影响系统正常运行;重者可以造成系统瘫痪和人身伤亡事故,损失无法估量。在实际工作中,以雷击为代表的电磁脉冲对通信系统造成的直接和间接经济损失已相当严重,危害很大。

二、雷电波对通信台站入侵途径

雷电是自然界中强大脉冲能量的放电过程,也是最大的电磁干扰源,它一般通过辐射、传导或其复合方式进行传播。如LEMP可以通过电力输电线、信号线、天线馈线、地下线缆、各种金属管道等导体传输。这些导体在传输LEMP时,可能由于它们自身的天线效应而再次构成辐射源,或上述导体又有可能会被LEMP强大的电磁场变化感应出过电压、过电流,以雷电波形式侵入通信系统。

三、雷电对通信台站入侵方式

雷电波侵入通信台站的途径,共有两类五种方式。

1.雷电击中通信台站所在建筑物引起过电压,有两个入侵途径:

A、雷电击中建筑物外部,在接地电阻上引起暂态电压降;

B、雷电击中建筑物外部,在建筑物内部感应出过电压。

2.远处雷击引起过电压,有三种侵入途径:

A、雷电击中远处电源架空线缆引起过电压;

B、云层之间的雷电感应到电源架空电缆上形成过电压;

C、雷电击中远处地面,地下通信电缆由于地电位上升或感应引起过电压。

雷电侵入通信台站的方式,导致现代防雷技术是在三维空间进行的综合防雷,其基本措施主要包括接闪、泄流、等电位连接、接地、屏蔽和隔离等,这种对LEMP的综合防护方法可以概括综合防雷保护法。

四、通信台站的LEMP保护

通信台站的雷害包括直接雷危害和感应雷电磁脉冲危害两种。直接雷的危害虽大,但通信台站遭受直击雷击的概率很小。由于通信台站通过电力电缆和各种通信传输电缆与外界相连,通信台站各系统要素之间也有极其复杂的连接网络(电源网络、信号网络及地线网络等),同时通信台站设备中大量的集成电路通过金属导线相连,这些都为感应雷的侵入提供了良好的条件,再加上如接口板损坏、内部通信口损坏、整流模块损坏等雷害形式,感应雷损害的往往是通信设备的核心器件,会直接影响通信的顺畅。因此,通信台站的防雷重点是对LEMP的防护。为了保障通信系统在遭受LEMP作用时仍能正常运行及确保人身安全,必须要采取相应有效的防护措施。

作为防雷保护第一道防线的接闪器是指专门用来接受直接雷击的金属物体,包括避雷针、避雷线、避雷带、避雷网等。所有接闪器都必须经过接地引下线与接地装置相连接,其功能是把雷电流传导泄入大地,让大地吸收耗消雷电的能量。

在LEMP的综合防护措施中,最常用的泄流是指利用放电管或压敏电阻等电涌保护器件(SPD)在暂态抑制过程中泄放暂态大电流,并进行箝位限压,从而保护设备或系统。电涌保护器SPD(Surge Protection Device)是指一个连接在线路和设备之间,能安全地将线路上的浪涌电流通过接地系统引入大地,并限制瞬变电压到设备允许电平的器件或装置。它实质上是一种过电压限制器,正常时呈高阻抗,对设备工作无影响;当受到雷击时,因承受强大雷电流浪涌能量而放电,呈低阻抗状态,迅速将外来冲击过量能量全部或部分泄放掉,响应时间极快,且瞬间又能恢复到平时高阻状态。常见的SPD包括放电间隙、气体放电管、压敏电阻、暂态电压抑制二极管等。

五、通信台站防雷的基本措施

通信台站防雷设计的基本思想是就是努力实现等电位,目前主要综合采用分流、屏蔽、箝位、接地等方法来近似实现系统等电位,绝对的等电位只是一种理想模式。这些措施经多年的实践证明是行之有效的。

要真正解决通信台站的防雷问题、必须从我国国情出发,修改和完善有关建筑设计规范,从土建设计开始就应考虑台站直击雷和LEMP的防护问题。一些基本的防雷措施应包括:

(一)提高通信台站建筑设计要求,重要机房的楼层位置应预先确定,机房墙壁、走线槽井等采用钢筋混凝土浇灌或利用铁板、铁网构建,墙面钢筋焊接牢靠,并与周围的柱、梁形成良好的电气连接焊接。

(二)通信台站主楼楼顶天面,若无通信设施或其它电气设备,最好不架设避雷针,而用隐埋的避雷网或沿屋顶周边的避雷带作为接闪装置。

(三)通信台站底层宜构建地线均压环。进站线缆和所连设备(如电源配电柜和通信电缆总配线架)放在底层或同一楼层,其防雷地线直接接在均压环上,以减轻外线大电流进站时,对地线系统带来的影响。

(四)预埋固定机房设备的绝缘支撑架,保证通信设备在安装时与建筑钢筋绝缘。

(五)机房设备安装设计时,应同时考虑设备的防雷装置设置(包括地线设置、管线屏蔽、接口防雷等),保证设备开通的同时,防雷问题也得到了处理。

(六)通信台站内所有设备的金属外壳都应接地,金属走线架、水管等金属物也必须接地。站内金属设施良好的接地不但是用电安全的要求,也是屏蔽雷电感应、均衡设备电位的重要措施。

(七)接地汇集线(汇流排)应布置在靠近避雷器的地方,以使避雷器的接地连接线最短。各楼层的分汇集线应直接与楼底的总汇集线相连。

六、结束语

雷电可导致的危害多种多样,目前可以说没有任何一种产品可以全面防止雷电的危害。随着更多新技术、新设备在生产经营管理的运用,防雷工作的复杂性、重要性也相应大大增加。与此同时,我们还必须提高对防雷工作的认识,积极研究现代防雷新技术,加强对防雷系统的维护。在雷雨季节前,应对系统进行检查维护,对运行中的防雷元器件进行检测;雷雨季节中要加强对防雷元器件外观的巡视,发现异常应及时处理。如果设备遭受雷击,应对损坏情况和原因进行调查分析,并根据分析结果,对防雷措施加以改进。随着科学技术的进步,人类最终一定能找到有效利用雷电蕴藏着的巨大能量的途径,彻底战胜雷害。