雷电波对通信设备的危害研究

梁正 林惠娇 冯永栩 文华

摘   要：科学技术不断发展使得通信设备的应用已越来越广泛，无线通信技术也已普及，但通信系统的计算和传输部分还是离不开精密设备，因此对通信设备的保护仍需受到重视。文章研究雷电波对通信设备造成危害的原理及其对目前通信设备造成的威胁和损害，探索科学、有效的防雷技术应用，以期对通信设备的正常工作和安全运转提供保障。

关键词：电子;电波传播;通信

1    雷电波对通信设备的损害

信息时代技术的发展，使得移动电话、无线通信已成为人们彼此交流不可或缺的纽带，要保证通信技术的正常应用，就必须保证移动电话等设备能在通信基站的信号辐射范围以内使用。至今为止，我国三大通信公司已建成的基站数量已有数十万个，且一般会在地势高的地方选址建站，这样建成的基站可带来更好的通信效果。但也因此通信公司需要重点防护雷电波对通信设备的损害，为了确保通信安全，积极应对雷电波损害问题至关重要。

雷电在自然界中很常见，也可以说是一种自然灾害，通常会为人们的生活与生产活动带来巨大的不便和安全隐患。雷电发生时产生的强对流会对树木、建筑等造成破坏，也会对人和动物的生命产生威胁，严重时甚至会引发火灾，对生命和财产都会造成无法挽回的损失。通信系统的特殊性，使其受到雷电的损害比其他传统行业大得多。雷电的产生无法受到人为的控制，因此，只能着重探究雷电防护措施，降低或避免雷电对通信设备造成的损害，从而保护设备线路的良好运转，保障通信系统的正常运行。

从雷电波类型来看，其对通信设备造成的危害有以下几种：（1）直击雷。雷电会与建筑物、地面、设备等产生直接接触，在此过程中产生的电、热、机械效应，会直接摧毁没有防雷设施的房屋建筑、通信设备等，甚至会对工作人员构成生命威胁。（2）高压雷电波。雷电通过金属管道，例如架空线路等，会产生雷电波并沿着管线入侵到建筑物内部，对通信设备造成破坏。（3）雷电感应。闪电放电过程中会在临近的导体上产生感应现象，例如静电和电磁感应，以此干扰损害基站里的通信设备。（4）电磁脉冲[1]。主要通过闪电击中防雷设备或建筑后产生的效应，对通信设备造成破坏。如果不能采取科学、有效的防范措施，雷电波很可能会对工作人员的生命安全构成威胁。而要做好通信设备的雷电防护工作，就要首先明白雷电波损害的原理及其造成的危害，再分别采用针对性的防雷技术和措施来降低雷电波对设备带来的损害。

2    通信设备受到雷电波的损害及其原理

雷电现象产生时形成的各种类型的雷电波影响，都会对通信设备和正常的通信系统运转造成不同程度的损害，其中感应雷击是几种雷电波类型中对通信设备影响最大的，也是各类安全事故的首要防护对象。雷电波产生时会引发一些感应现象，比如静电或电磁感应，这类感应现象主要通过过电压或过电流，沿着各类信息传输接口进入通信系统，对通信设备带来损害，并导致多种严重事故发生。传统防雷措施主要是在各个建筑屋顶装置避雷针，采取将雷电转引至地下的方式保护建筑物内的各种设备，但通过避雷针转引的电流，可能产生二次雷击，同样会造成设备破坏、人员伤亡等安全事故，因此存在一定的局限性。除此之外，传统的防雷技术过于依赖避雷针，未对区域和地域特点进行综合考量，存在单一性，不适用于雷电多发区域及本身就遭受过严重破坏的地域。

雷击波还可以入侵电网，造成电气化设备的大面积损失，甚至危及相关员工的生命。由雷电波产生的强大辐射场，进一步引发高能电子脉冲产生，在通信线路和电子设备中产生过量的电流和电压，对通信设备造成巨大的损失。如果避雷设备没有按照安装标准装置，雷电波可能沿接地装置重新流回通信设备中，从而击穿通信设备的电路系统。如果出现二次放电，那么其他因素引起的爆炸或者火灾同样会造成致命的伤害。如果绝缘被损坏，则会导致高压向低压转换，使触电范围进一步扩大，会增加受损害的风险。

电云负电感应产生后，会在附近的地表累积一定量的正电荷，从而在地面和雷云之间形成电厂。如果电荷密度值达到某特定临界值，就會出现向下的雷云梯级式放电现象。如果恰好雷云和地面物体间还有一段距离，在强电场的影响下，地面物体会出现尖端放电，并形成缓慢向上的雷云放电现象，这两者的出现会形成雷电通路。雷电的出现会产生雷电波，并通过空中金属物体的传导产生极大的冲击电压，沿导线或通过感应对通信设备造成雷电波损害。当雷电波接触到通信设备时，会对设备的正常工作产生严重的破坏性影响，甚至损毁部分微电子设备，传统的避雷针等面对强大的雷电波损毁无法起到保护作用。计算机和网络设备接口等是通信设备的薄弱部分，尤其对雷电波产生的电磁现象较为敏感，即使这类设备距离雷电现象产生的地点很远，也会受到一定的危害。一旦通信系统部分设备受到损毁，就会限制通信系统的正常运转，例如由雷电波导致的通信中断、通信设备损坏等事故，甚至还会造成人员损伤。

3    通信设备雷电波防护措施

雷电现象很常见，其自身具有很强大的能量，但人类还未能对这种天然的能量进行有效的利用，现阶段的首要任务仍是对雷电造成的损害做好最大程度的防护工作。一般来讲，防止雷电的方式主要有4种：（1）进行疏导，即合理设置使得电荷能够按量转至地下，保证通信设备或通信基站不会受到雷电的损害，实现防护目的。（2）合理隔离，在进行雷电波防护的时候，可通过将保护物和雷电信号之间的距离合理化设置来达到隔离的目的。（3）等位设置，即将灯塔、工作地和公共地等区域的电位进行合理设置，使其处于同等电位中。（4）消除电荷，中和雷云释放出来的异性电荷，达到防止雷电形成的目的。依据上述几种方式，本文建议采取以下几种有效技术，对通信设备进行雷电防护。

3.1  雷电波监测和预警

结合大量研究和分析结果可知，科学、有效的雷电波监测系统和预警体系的建立，对于雷电波特征、范围与频度的研究，以及降低雷电波对通信设备的危害都起到一定的推动作用。提升雷电波监测系统和预警体系准确性和时效性，会为雷电防护工作争取到极其重要的时间，使其可以预先进行雷电防护，最大限度地降低损害程度，从而保证了通信设备的安全。

3.2  机房设备、整体线路的防护措施

机房是通信设备核心的部分，对雷电波极其敏感，是雷电防护工作的重点，因此需要采取的防护措施也更加复杂，同样也需要更多手段对其进行综合防护。机房应布置在通信基站最中间的位置，且需要避开用来引下线的柱子。根据位置和分布，机房的雷电防护系统由内部和外部防护系统组成。外部防护系统主要有接地系统、空气截雷系统等，这些系统在对机房进行选址和构建时就应该受到重视，并在当时完成布置;而需要结合屏蔽等体系的内部系统，主要对易受雷电损害的设备进行过电压保护装置的布置，在设备受威胁之时就可快速释放能量，达到保护设备安全的目的。

整体线路防护措施是在计算机系统线路的进口处，按电子设备和信号线不同的敏感度安装不同的避雷器，一般是采取二级以上的过流和过电压保护，在线路遇到雷电波入侵时可立刻将其引至地下，保证通信系统线路的安全，及日常工作的正常运转。除此之外，通信系统供电线路应采取多级（三级）保护措施，因为很多事故主要都是雷电波入侵供电线路造成的，多级防护有助于降低过电压至通信设备的安全承受范围内。

3.3  放射性避雷装置的安装

在通信塔中装置避雷针是一种便利、经济的防护方式，然而这种措施的防护力度十分有限。为了达到更加有效的雷电防护，可在部分通信设备中装置放射性避雷器。通常，放射源是放射性避雷器的核心，可使放射性避雷器周围的空气中形成较多的电离电子。在雷电场的作用下，如果提高这些电子的运行速度，会促使空气中形成多级雪崩电离，所产生的电子流和电场强度之间会呈现正比关系，且电流是凭借放射源指至雷云，还能通过不断中和和释放空间电荷，达到消除已有低电场的目的[2]。如果在此过程中产生高电场，这种装置还能将其降至低电场，达到消散雷电波的目的，实现雷电防范。该装置还有一个好处就是防护范围广，其防护半径可达260 mm，且能保证对人身无损害产生。

3.4  增设天线杆

天线杆的合理运用能有效防护天线受到直击雷的危害。首先，将天线杆通过40 mm×40 mm的镀锌扁钢连起来，再引至避雷带上;其次，将同轴电缆馈线的外金属保护层用截面为36 mm的绝缘多股铜芯线与天线杆连接起来，使入口处与外走线架始终保持连接;此外，每隔5 m，需将外走线架和避雷带通过镀锌扁钢连起来，至少需保证两处连接;最后，确保等电位连接同轴电缆馈线、外走线架和电线杆，从而对高压的反击做到有效防护，进而避免其对通信设备造成破坏。借助这种措施，也能很好地避免通信设备受到雷击的破坏。

3.5  内部的防雷措施

对雷电波进行外部防护要可靠，对内部的雷电波防护更不能掉以轻心。对内进行雷电波防护的措施主要有以下几个方式：（1）进行屏蔽，如果对一对或四对双绞线采用金属屏蔽进行屏蔽，就可将其放置在同一位置，即利用一个金属屏蔽来实现这一目的。（2）使用避雷器，其在高压下会出现低阻短路，而在低压下，会出现高阻开路，此时百安培的电流均可无阻通过。合理使用避雷针，可以实现传输线路和供电线路呈并联关系，雷击发生时，就会及时造成短路，使电流迅速导入地下，减少雷击波对通信设备造成的破坏。

4    结语

社会通信技术的飞速发展使得通信设备的作用不断凸显出来，为了能减少雷电波对通信设备造成的破坏，本文针对通信设备的运行情况及其具体受到雷电波影响的情况，提出较为合理的雷电防护措施，从而能确保通信设备在雷电发生时保持稳定，满足通信系统正常运行的基本要求。选择适合的雷电防护措施时需要综合考虑多方面因素，同时，需要结合防护对象和区域的特征，来确定合适的防护计划[3]。通信设备除了会受到雷电波的直接影响之外，还容易受到伴随雷电波产生的多个电磁现象的影响，因此通信设备的雷电防护措施需要具备多层次、多方面的特征，而不限于避雷针和接地等传统措施。

以上种种都表明，通信设备的雷电防护工作是一个长期的过程，从最初建设通信基地的选址开始，就要避免选取雷电多发区或曾有重大雷电事故的区域。此外，要考虑外部防护系统的搭建，比如机房位置的选择、综合路线的布置等;通信设备的连接过程中要对设备摆放位置、接头和线材的选择等操作环节进行重点排查，构建结构合理的内部防护系统。最后，在日常工作中需保证雷电预警等提前防护措施。总而言之，通信系统是一个综合性系统，对其进行雷电防护需对各个部分各个环节进行考虑，只有最终采取合适的防护措施，才能实现更全面的雷电防护效果。

[参考文献]

[1]罗凯，唐小波，熊亮，等.对通信电源设备防雷保护技术的研究[J].中国新通信，2019（21）：33.

[2]王明磊，任杰.雷电对移动通信基站的危害及其防护[J].科技经济导刊，2018（18）：97.

[3]吳同.通信导航设备的防雷技术[J].电子技术与软件工程，2017（9）：37.

Study on the damage of lightning wave to communication equipment

Liang Zheng1， Lin Huijiao1， Feng Yongxu1， Wen Hua2

（1.China Research Institute of Radiowave Propagation， Guangzhou 510630， China;

2.China Mobile Communications Group Corporation， Guangzhou 510335， China）

Abstract：With the continuous development of science and technology， communication equipment has been used more and more widely， and wireless communication technology has become popular， therefore， the protection of communication equipment should be paid more attention to. In this paper， the principle of the damage caused by lightning wave to communication equipment and the threat and damage to current communication equipment are studied， and the application of scientific and effective lightning protection technology is explored， in order to ensure the normal work and provide safe operation of the communication equipment.

Key words：electronics; radio wave propagation; communications