工控系统防雷解决方案杭州天鸿通信设备有限公司 -工控系统防雷解决...
孟宪利 王超 沈宏亮 解殿超 李一东
[摘 要]本文首先对相关内容做了概述，分析了雷电的成因和危害，并结合相关实践经验，分别从外部防护与内部防护等多个角度与方面，提出了通信设备防雷的应对措施，阐述了个人对此的几点看法与认识，望有助于相关工作的实践。
[关键词]通信设备；防雷；重要性；措施
中图分类号：TN913.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）25-0114-01
1 概述
雷电具有惊人的能量，每次雷击所产生的能量大约为55万千瓦/小时，足以燃点100万个灯泡1小时、直击雷电流平均都有34kA。有记录的最大直击雷电流为210kA。从大量的通信设备雷击事例中分析，专家们认为：由雷电感应和雷电波侵入造成的雷电电磁脉冲（LEMP）是通信设备损坏的主要原因。因此只有了解了它的形成过程，寻求有效地防护措施才能减少雷电带来的损失。按照电信专用房屋设计规范，通信大楼一般都安装有避雷针、避雷网或避雷带，并且均采取了联合接地的方式。从形式上看，它已具备了良好的防雷和抗外界电磁干扰的性能，然而通信设备为什么有时还会遭受过压过流而损坏呢？甚至还会对操作维护人员的人身构成威胁呢？这是由于当发生雷电时，带电的云层会在通信设施的天线上产生感应电荷或雷电感应通过通信和电力线路侵入，如果天线和通信线缆与大地之间直流通路不畅，就会由于感应在天线和线缆与大地之间产生高电位而引起过电压，致使通信设施无法承受强电流的侵入而损坏，甚至会危及操作人员的人身安全。
2 雷电的成因和危害
2.1 雷电的成因
雷电由大气环流和当地气象因素所决定，是积雨云中云与云之间或云与地之间产生的放电现象，强大电流通过时，又使空气迅速膨胀产生巨大的响声，即雷电。雷电根据形状的不同，可分为枝状、片状、线状等形式，其中枝状最为常见。暖湿气流上升到大约15，000m的高空，在云中产生出正、负电荷，强烈的上升气流造成了云内电荷的分离，正电荷位于云的上部，负电荷在云的下部，云与大地间就形成电场，其下端的负电荷使大地被感应出正电荷，此时雷云与大地之间就成为一个大的已充电的电容器。可触发雷电的电场强度与空气的绝缘度相关，当电场强度在0.5～10（kv/cm）之间，雷云与地间的电势差高到一定程（103v/cm～104v/cm）时，大气会被击穿。直击雷放电时会与接触的导体产生静电感应或电磁感应，致使导体产生过高的电压或火花。感应雷通过直接或电容耦合的方式在输电线路上形成暂时状态的过电压，并以流动波的形式沿着线路进行传播，此时金属导体在磁场的作用下，会感应到较强的雷电过电压，电压则会经线路入侵，从而导致通信设备损坏。
2.2 雷电对通信系统的危害
雷电是一种极具破坏力的自然现象，其电压可高达数百万伏，瞬间电流更可高达数十万安培。由于通信设备硬件结构集中化程度较高，使板件耐受过电压、过电流的能力下降，更易遭受雷电破坏。轻者造成设备的接口损坏，大量数据丢失或无法传输；重者使主机损坏，导致通信中断，因此对关键的系统和设备进行防雷害是非常必要的。从危害角度雷电可分为直击雷和感应雷。
3 通信设备防雷的应对措施探讨
3.1 外部防护
外部防护主要采用避雷针（避雷网、避雷线和避雷带）和接地装置（接地线、地极）来加以防护。其保护原理是：当雷云放电接近地面时，它使地面的电场发生畸变，在避雷针（避雷线）顶部形成局部电场强度畸变，以影响雷电先导入电的发展方向，引导雷电向避雷针（避雷线）放电，再通过接地引下线、接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物免受雷击，这是人们长期实践证明的防直击雷的有效方法。然而，被动放电式避雷针存在反应速度差、保护的范围小以及导通量小等不足。根据现代通信发展的要求，避雷针应选择提前放电主动式的防雷装置，并且应该从30°、45°、60°等不同角度考虑，以做到对各种雷击的防护，增大保护范围，增加导通量。
3.1.1 安装避雷针或接地装置的要求
（1）避雷针应当装在高于天线尖端数米，避雷针与天线之间应有一定的间隔，以防止由于避雷针的存在而损坏天线的辐射图形影响通信效果。一般的做法是避雷针成为天线塔体的主杆，通信天钱却装在避雷针外线大约1.5个波长以外。（2）避雷地线的直流通路的电阻要求足够低，一般为10-50Ω，由于雷电浪涌电流较大，频谱较宽且持续时间短，因此要求必须有尽量小的电感量。（3）接地引入线长度应不大于30米，其材料应采用热镀锌扁钢或铜排，截面积应不小于40mm×4mm。地线不能用扁平编织线和绞合线，因为这两种线电感较大，不利于泄放雷击电流，且容易被腐蚀。要尽可能使用3毫米以上的实心导线，且最好是相同的金属材料。
3.1.2 防感应雷击的方法
一是SPD的接地端必须与地连接可靠，一般要求接地引线应从天馈线入口处外侧的接地线、避雷带或地网引接，且接地电阻不得大于5Ω，不然将会影响到防雷的效果。二是因存在一定的插入损耗，对天线辐射信号的强度会造成一定的影响，并且还要注意驻波比，一般要求天馈系统的驻波比不大于1.5。三是安装通信天线时，天线的支撑杆要与铁塔可靠连接，连接电阻等于零。对重要的通信工程而言，除在天饋系统中安装SPD外，还要注意供电系统的防雷，常见做法是在变压器和配电房安装避雷装置。
3.2 内部防护
首先是电源部分的防护，因为线路是雷电侵入的主要通道之一。对于高压部分，供电部门有专用的高压避雷装置，而线对线的过压则无法控制。因此，对380V低压线路应进行过电压保护，按国家规范要求应分为3部分：建议在高压变压器后端到通信局（站）配电机房总配电盘的电缆内芯线两端对地加装避雷器，作为一级保护；在楼宇总配电盘至楼层配电箱间电缆内芯线两端对地加装避雷器，作为二级保护；在所有重要的、精密的设备以及UPS的前端对地加装避雷器，作为三级保护。目的是用分流（限流）技术将雷电过电压（脉冲）能量分流疏导至大地，从而达到保护的目的。分流（限流）技术中采用的防护器的质量、性能的好坏将直接影响防护的效果，因此应选择合格优良的避雷装置。
其次是信号部分的防护，这需要根据通信设备的对雷电的敏感度来确定。建议在所有信息系统进入楼宇的电缆内芯线端时，应对地加装避雷器，电缆中的空线应接地，并做好屏蔽接地。
最后是接地处理，接地系统把雷电流引入大地，从而达到保护设备和人身安全的目的。一般建筑物的接地系统有建筑物地网（与法拉第网相接）、电源地（要求地阻<10Ω=、逻辑地（也称信号地）和防雷地等。通信设备要求交直流工作地、安全保护地、防雷地必须独立时，如果相互之间距离达不到规范的要求，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要求时，应尽可能使它们连接在一起，如实际情况不允许直接连接，可通过地电位连接，从而保证各类接地点的基准电位是惟一值。
结语
综上所述，加强对通信设备防雷重要性及应对措施的研究分析，对于其良好实践效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的通信设备防雷应对过程中，应加强对其关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。
参考文献
[1] 蔡剑锋.浅谈电力通信设备防雷与接地的检测[J].施工技术.2016（10）：60-62.
