通信设备的防雷设计浅析

　　摘 要：随着通信的不断发展，对通信设备的可靠性、安全运行提出了更高的要求，而通信设备的防雷接地系统的规范与否是最关键的因素之一。现代通信系统是一个巨大的网络，全程全网和实时通信是其特点。通信设备相互之间的互连给防雷造成了一定困难，目前防雷要求的效果是将雷电就近处理，避免现场和远端设备损毁，造成通信障碍和经济损失。因此，对于通信设备的防雷问题研究具有重要的理论意义和现实意义。本文针对相关问题进行了分析与探讨。
　　关键词：通信设备 防雷设计 接地
　　中图分类号：TM734 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）09（a）-0242-02
　　1 现代通信局（站）通信设备的四级防雷
　　通信系统四级防雷说明：10kV，380V交流变压器防雷为一级防雷；交流市电进入机房所做防雷为二级防雷：交，直流开关电源防雷为三级防雷；其他通信设备防雷为四级防雷。一级、二级、三级防雷主要为交流市电防雷，四级防雷为直流防雷。一级防雷器规格根据变压器的大小和容量进行选择，一般为60～200kA标准进行安装防雷器，目前通信基站变压器一般采用氧化锌防雷器；二级防雷根据负载大小进行选择，一般为40～80kA标准进行安装防雷器；三级防雷一般采用20～40kA标准安装防雷器；四级防雷大部分使用为20kV防雷器，四级防雷一般为直流防雷，主要防止感应电压造成的设备损坏。
　　2 现代通信局（站） 通信设备的其它防雷
　　通信系统除以上四级防雷外，还有铁塔防雷接地、馈线防雷接地、光缆防雷接地等。
　　2.1 通信局站防雷
　　建筑物、通信局（站）地网的接地电阻基本上是人们对于防雷接地合格判定的唯一依据，这一说法在新的标准中有了质疑。在2003年3月6日颁布的《通信局（站）防雷接地工程设计规范》对接地电阻进行了界定，指出：为进行防雷，很难设立人员保护所需的明确的接地电阻。新的标准基本上对基站的接地电阻是这样处理的：当基站所在的地区大地电阻率较低时，基站地网接地电阻一般不大于10Ω，当采用环形接地时，地网面积一般应大于100m2；当基站的土壤电阻率大于1000Ω·m时，可不对基站的接地电阻予以限制，但要求其地网的等效半径应大于等于20m，并在地网四角加以10～20m辐射型接地体。地网环形接地体的周边可以根据地形、地理状况决定其形状。
　　2.2 基站防雷地网
　　移动基站地网由机房地网、铁塔地网或者由机房地网、铁塔地网和变压器地网组成，基站地网应充分利用机房建筑物基础（含地桩）、铁塔基础内的主钢筋和地下其他金属设施作为接地体的一部分。
　　2.3 机房地网
　　机房地网应沿机房建筑物散水点外设环形接地装置，同时还应利用机房建筑物基础横竖梁内两根以上主钢筋共同组成机房地网。当机房建筑物基础有地桩时，应将地桩内两根以上主钢筋与机房地网焊接连通。
　　2.4 铁塔地网
　　当铁塔位于机房旁边时，应采用40mm×40mm的热镀锌扁钢将铁塔地基4个塔脚内部金属构件焊接连通组成铁塔地网，其他地网网格尺寸不应大于3m×3m，其周边应为封闭式，铁塔地网与机房地网之间应每隔3～5m相互焊接连通，连接点不应少于两点。
　　2.5 变压器地网
　　当电力变压器设置在机房内时，可共用机房及铁塔地网组成的联合地网；当电力变压器设置在机房外，且距机房地网边缘大于30m时，宜设独立地网；若电力变压器设置距机房地网边缘30m以内时，变压器地网与机房地网或铁塔地网之间应连接焊通，一般应在两处焊接连通，以相互组成一个周边封闭的地网。
　　3 通信设备防雷接地
　　雷电的特点是持续时间短（8～20ms）通过电流大（2000～20000A），它的形成是由雷云大量集聚带电粒子，当电场强达到25～30kV/cm时，就开始放电而形成雷电。雷云的放电有两种：一是云间放电；二是对地放电，通过接地体泄放到大地；分流：利用避雷针通过铜芯线引入到大地；屏蔽：通信大楼接地，机房接地；限幅：用避雷器（OBO、压敏电阻、放电管）对雷电电压进行限制；均压：平衡各处电位，提高抗雷能力。
　　3.1 接地电阻
　　电气设备的某一部分与土壤之间作良好的电气连接，称为接地。接地电阻的阻值要求愈小愈好，不能超过规定值。对于移动基站来说接地电阻应小于10Ω。
　　3.2 联合接地
　　所谓联合接地简单说就是设备的工作地、保护地、防雷地均接在一起。原理：当强大的雷电电流流入大地时，大地的电位随即升高，因所有地线都连接在一起，设备的地电位跟随大地一起升高，地与地之间不存在电位差，不会因雷击反击而损坏设备。
　　联合接地地网的连接体应为网络状分布，最好构成立体网状，才具均压、等位作用。首先接地体必须做成一个良好的等电位体，防雷接地排、保护接地排、工作接地排可根据需求在不同点与接地体相连达到联合接地的要求。联合接地并不是将防雷地、工作地、保护地用导线连到一个接地排上，它是以接地体为参照的。
　　3.3 铁塔防雷接地
　　铁塔是雷电引入的主要渠道，必须进行重点防护。铁塔上必须安装避雷针，另敷设一条扁钢作避雷针的引下线，下端与铁塔地网连接，不得依靠铁塔体作为引下线。铁塔与地连接最少两处以上焊接，接地极向四周延伸。
　　3.4 天线的馈线接地要求
　　馈线是和铁塔上的天线相连接的，也容易将雷电干扰引入通信设备。故馈线要求两次接地，在上端天线lm处接地一次，馈线进入机房的入口处接第一次。
　　4 现代通信设备防雷措施
　　4.1 外部防雷
　　外部防雷系统由避雷针、引下线、接地地网等组成，缺一不可。一般防止直击雷破坏是通过避雷装置即避雷针、引下线和接地网络构成完整的电气通路后将雷电流泄入大地。
　　然而避雷针、引下线和接地装置的导通只能保护安装避雷针的物体本身免受直击雷的损毁，但雷电会通过多种形式及途径破坏电子设备。对通信基站而言，天馈线系统和机房建筑物容易遭受到直击雷的袭击，可以通过合理的设计避雷针的保护角和良好的接地系统起到保护作用。接地体指埋入土壤中或混凝土基础中作散流用的导体。有人工接地体和自然接地体两种。接地网是把需要接地的各系统，统一接到一个地网上或者把各系统原来的接地网通过地下或者地上用金属连接起来，使它们之间成为电气相通的统一接地网。一定要有一个良好的接地系统，因为所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄入大地，从而保护设备和人身安全。如果基站接地系统做得不好，不但会引起设备故障，烧坏元器件，严重的还将危害工作人员的生命安全。另外还有防干扰、防静电等问题都需要建立良好的接地系统来解决。一般整个基站的接地系统有：建筑物地网、铁塔地、电源地、逻辑地（也称信号地）、防雷地等。然而，各地网之间必须独立时，如果相互之间距离达不到规范要求的话，则容易出现地电位反击事故，因此，各接地系统之间的距离达不到规范的要求时，应尽可能连接在一起，如实际情况不允许直接连接的。可通过地电位均衡器实现等电位连接。
　　4.2 内部防雷
　　有可靠的外部防雷措施同时更需要完善内部防雷措施。内部防雷工程主要由屏蔽、防雷器和等电位连接三部分组成。
　　（1）屏蔽。
　　每对双绞线或四对双绞线都可使用金属屏蔽，不同的双绞线或四对双绞线放在一起可共同使用一个金属屏蔽。由于金属屏蔽的趋肤效应产生的吸收和反射作用。可更好的分割周围的电磁场和减少单独屏蔽的对绞线之间的串音。
　　（2）防雷器。
　　防雷器是用一种低压时呈现高阻丌路状态，高压时呈现低阻短路状态。能承受数百安培大电流通过的过压保护电子器件组合。将防雷器并联在供电线路、信号传输线路上使用。当遇到雷击和高电压大电流时其立即呈现短路，将瞬间产生高电压大电流通过地网泄放到大地中。使设备受到保护。发生雷击时，直击雷或者沿着线路进入室内的感应雷会使设备的进线电压瞬间急速升高.达到几百甚至上千伏。由于在进线端采用了第～级保护。并联一个气态放电管，通过惰性气体的电离，能转移大部分的瞬变能量。因为无分布电感电容，通流容量极大，特别适合用于吸收直击雷，保护后的残留电压为二十几伏。对于集成电路而言。这个电压还是偏高，还起不到有效保护。另外气态放电管，反应速度慢，导致其上冲电压可达到电压峰值，有鉴于此，增加一级保护，并且在两极之间采用电感耦合，利用电感电流不能突变的原理，起到一个延迟的作用，为第二级保护赢得时间，并减轻对第二级的压力。第二级主要是采用固态放电管，它是基于可控硅原理的一种负阻器件，在冲击电压作用下。其前沿上冲电压非常低，显示出极强的抑制特性，并且响应速度非常快（纳秒级），分布电容小，残压低于5V，且对电流的吸收能力也相当大，非常适合用于网络通讯工程、电子部件的防雷保护。
　　5 结语
　　在现实中影响雷电泄放通道的因素是很多的，属于自然因素的有地理位置、地形地貌、地下矿产分布及地表植物的情况；属于人为因素的有地表建筑结构、材料及高度形态：属于设备本身的有屏蔽、接地、线路结构及元器件性能等。这些因素综合的结果是一个非常复杂的形态，很难从表面找出规律并简单地得出结论，从而完成最佳防雷工程设计。本文所提出的相关措施还需在实践的过程中不断的进行验证和检验。
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