對(duì)無(wú)線通信設(shè)備防雷的探討

摘要： 由于雷電的危害，無(wú)線通信設(shè)備常處于危險(xiǎn)當(dāng)中，本文主要從雷電對(duì)無(wú)線通信設(shè)備損害的原理和形式及無(wú)線通信設(shè)備防雷措施兩方面進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線通信及設(shè)備 雷電 防雷措施

1.前言

雷電是降水過(guò)程中的一種伴隨現(xiàn)象，正所謂“電閃雷鳴、風(fēng)雨交加”。閃電是云中電場(chǎng)發(fā)展到一定階段所產(chǎn)生的云中、云地之間的電荷放電的表現(xiàn)。全球平均每年要發(fā)生約1600萬(wàn)次閃電。雷電具有驚人的能量，每次雷擊所產(chǎn)生的能量大約為55萬(wàn)千瓦/小時(shí)，足以將100萬(wàn)個(gè)燈泡燃點(diǎn)1小時(shí)，直擊雷電流平均達(dá)到34kA。截止當(dāng)前人類(lèi)尚未能對(duì)雷電的能量加以有效利用，而雷害造成的損失卻常常是巨大的。雷電災(zāi)害對(duì)無(wú)線通信設(shè)備的危害也是不言而喻的，探討有關(guān)無(wú)線通信設(shè)備的防雷是非常有必要的，這對(duì)于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備的安全、質(zhì)量等都有很重要的意義。

2.雷電對(duì)無(wú)線通信設(shè)備損害的原理和主要形式

2.1雷電對(duì)無(wú)線通信設(shè)備損害的原理

由于電云負(fù)電的感應(yīng)，使附近地面積累正電荷，地面與雷云之間形成強(qiáng)大的電場(chǎng)。當(dāng)某處積累的電荷密度很大，激發(fā)的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到空氣游離狀態(tài)的臨界值時(shí)，雷云便開(kāi)始向下梯級(jí)式放電。雷云接近地面的物體達(dá)到一定的距離時(shí)，地面物體在強(qiáng)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生尖端放電，形成向雷云方向逐漸向上先導(dǎo)放電，二者匯合形成雷電通路，異性電荷劇烈中和形成很大的雷電流，并發(fā)出強(qiáng)烈的閃電和雷鳴。雷電發(fā)生時(shí)，雷電流經(jīng)架空線路或空中金屬管道等金屬物體產(chǎn)生沖擊電壓，隨物體走向而迅速擴(kuò)散形成危害。

2.2雷電對(duì)無(wú)線通信設(shè)備損害的三種主要形式

2.2.1直擊雷

帶電的云層與大地上某一點(diǎn)之間發(fā)生迅猛的放電現(xiàn)象，叫做“直擊雷”。直擊雷只發(fā)生在雷云對(duì)地閃擊時(shí)才會(huì)對(duì)地面造成災(zāi)害，也就是說(shuō)直擊雷發(fā)生的幾率較低，而且直擊雷發(fā)生時(shí)一次只能襲擊一個(gè)小范圍的目標(biāo)，但是由于放電現(xiàn)象發(fā)生過(guò)程迅猛，被直接擊中的目標(biāo)會(huì)由于放電電流過(guò)大，造成的損壞程度較大。直擊雷主要對(duì)室外物體產(chǎn)生破壞作用，所以通常我們把防直擊雷的系統(tǒng)稱為外部防雷系統(tǒng)。直擊雷的防護(hù)主要通過(guò)安裝避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2.2球形雷

球形雷簡(jiǎn)稱球雷，是一種特殊的雷電現(xiàn)象。一般是橙或紅色，或似紅色火焰的發(fā)光球體，直徑約為10—20cm，最大的直徑可達(dá)到1m，存在的時(shí)間大約為百分之幾秒至幾分鐘，一般是1—5s，一旦遇到物體或電氣設(shè)備時(shí)會(huì)產(chǎn)生燃燒或爆炸，其主要是沿建筑物的孔洞或開(kāi)著的門(mén)窗進(jìn)入室內(nèi)，有的由煙囪或通氣管道滾進(jìn)樓房，多數(shù)沿帶電體消失。球形雷一般發(fā)生得較少，只有在一些特殊的地理環(huán)境或者特殊的基站位置上才會(huì)有球形雷的發(fā)生。

2.2.3感應(yīng)雷

雷電在雷云之間或雷云對(duì)地放電時(shí)，在附近的戶外傳輸信號(hào)線路、地埋電力線路、設(shè)備間連接線產(chǎn)生電磁感應(yīng)并侵入設(shè)備，使串聯(lián)在線路中間或終端的電子設(shè)備遭到損害的放電現(xiàn)象，叫做“二次雷”也叫“感應(yīng)雷”。感應(yīng)雷雖然沒(méi)有直擊雷那么猛烈，但其發(fā)生的概率比直擊雷高得多。感應(yīng)雷不論雷云對(duì)地閃擊還是雷云對(duì)雷云之間閃擊，都可能造成災(zāi)害。此外一次雷閃擊都可以在較大的范圍內(nèi)使多個(gè)電子設(shè)備同時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)雷過(guò)電壓現(xiàn)象，并且這種感應(yīng)高壓可以通過(guò)基站供電線和信號(hào)中繼線等引入傳輸?shù)胶苓h(yuǎn)，導(dǎo)致雷害范圍擴(kuò)大。感應(yīng)雷發(fā)生時(shí)一般對(duì)室內(nèi)的用電設(shè)備和電子元器件起到破壞作用，故把防止感應(yīng)雷和雷電電磁脈沖波（LEMP）破壞的系統(tǒng)稱為內(nèi)部防雷系統(tǒng)。從感應(yīng)雷擊的各個(gè)入口著手進(jìn)行，將感應(yīng)雷擊電壓、電流在被保護(hù)設(shè)備的外圍引導(dǎo)入地，從而達(dá)到保護(hù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的目的。

3.對(duì)無(wú)線通信及設(shè)備防雷措施探討

針對(duì)以上情況探討無(wú)線通信及設(shè)備防雷的措施，主要有外部防雷、內(nèi)部防雷和微電子設(shè)備防雷。

3.1外部防雷

一般防止直擊雷破壞是通過(guò)避雷裝置，即避雷針、引下線和接地網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成完整的電氣通路后將雷電流泄入大地，稱外部防雷。外部防雷系統(tǒng)由避雷針、引下線、接地地網(wǎng)等組成，缺一不可。然而避雷針、引下線和接地裝置的導(dǎo)通只能保護(hù)安裝避雷針的物體本身免受直擊雷的損毀，雷電會(huì)通過(guò)多種形式及途徑破壞電子設(shè)備。

3.2內(nèi)部防雷

有可靠的外部防雷措施同時(shí)更需要完善內(nèi)部防雷措施，內(nèi)部防雷工程主要由屏蔽、防雷器和等電位連接器三部分組成。

（1）屏蔽

每對(duì)雙絞線或四對(duì)雙絞線都可使用金屬屏蔽，不同的雙絞線或四對(duì)雙絞線放在一起可共同使用一個(gè)金屬屏蔽。由于金屬屏蔽的趨膚效應(yīng)產(chǎn)生的吸收和反射作用，可更好地分割周?chē)碾姶艌?chǎng)和減少單獨(dú)屏蔽的對(duì)絞線之間的串音。

（2）防雷器

防雷器是用一種低壓時(shí)呈現(xiàn)高阻開(kāi)路狀態(tài)，高壓時(shí)呈現(xiàn)低阻短路狀態(tài)，能承受數(shù)百安培大電流通過(guò)的過(guò)壓保護(hù)電子器件組合。將防雷器并聯(lián)在供電線路、信號(hào)傳輸線路上使用。當(dāng)遇到雷擊和高電壓大電流時(shí)其立即呈現(xiàn)短路，將瞬間產(chǎn)生高電壓大電流通過(guò)地網(wǎng)泄放到大地中，使設(shè)備受到保護(hù)。

（3）等電位連接器

在雷擊放電情況下，由于兩地電位瞬時(shí)不等，極易造成地電位反擊而損壞設(shè)備甚至傷及人員。等電位連接器平時(shí)呈高阻狀態(tài)分隔兩地，當(dāng)某地電位升至導(dǎo)通電壓時(shí)，等電位連接器瞬時(shí)導(dǎo)通消除兩地電位差，從而有效保護(hù)設(shè)備。

3.3微電子設(shè)備防雷

3.3.1天線防雷

天線防雷擊的保護(hù)措施是在天線鐵塔設(shè)避雷針，并經(jīng)鍍鋅扁鋼直接入地，使雷電流沿最短路徑接入接地網(wǎng)，這樣塔上的天線都在其保護(hù)范圍內(nèi)，免受雷電，而且使天線引下線都多點(diǎn)接地。饋線在塔頂與天線連接處接地，進(jìn)機(jī)房前與地網(wǎng)就近接地，進(jìn)入機(jī)房后，與設(shè)備連接處接地，饋線與設(shè)備接口處有條件的可加裝避雷設(shè)備。天線鐵塔和機(jī)房之間裝設(shè)支撐電纜的金屬過(guò)橋或懸掛電纜的鋼絞線。過(guò)橋和鋼絞線在電氣上與鐵塔連通，在電纜進(jìn)入機(jī)房外側(cè)時(shí)，將過(guò)橋和鋼絞線、電纜外護(hù)層連在一起，并通過(guò)最短路徑與接地網(wǎng)相連，盡可能減少經(jīng)天饋線進(jìn)入機(jī)房的雷電壓幅值。塔燈電源鎧裝帶屏蔽層采用多點(diǎn)接地，并在機(jī)房入口處對(duì)地加裝氧化鋅無(wú)間歇避雷器，并將零線接地。

3.3.2無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)機(jī)房防雷

網(wǎng)絡(luò)機(jī)房防雷系統(tǒng)防雷包括由戶外引至戶內(nèi)的通信線路，主要線路包括電話線、專線、微波通信線（天饋線）等。由于網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的接口芯片抗過(guò)電壓沖擊的能力很差，一般5.57A/m的磁場(chǎng)強(qiáng)度就能使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)癱瘓，而191A/m的磁場(chǎng)強(qiáng)度就使計(jì)算機(jī)的元器件永久性損壞，輕則部分通信線路中斷，重則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。網(wǎng)絡(luò)防雷的主要方法是切斷雷電損害的途徑，針對(duì)不同的設(shè)備選用相應(yīng)防雷設(shè)施作為通信線路上防雷的保護(hù)措施。這就需要我們?cè)谑┕r(shí)就應(yīng)對(duì)機(jī)房部分的防雷裝置及其安裝工藝、材料規(guī)格等提出要求，機(jī)房?jī)?nèi)要安裝匯流排，輸電線路要安裝電源避雷器，同軸電纜饋線要安裝天饋避雷器，機(jī)房其他金屬設(shè)備需要做等電位連接，以便有效的防雷。

3.3.3通信基站防雷

無(wú)線通信基站經(jīng)常在建筑物上架設(shè)天線，天饋線系統(tǒng)和機(jī)房建筑物屬于地面特別突出物是雷電釋放的危險(xiǎn)途徑，容易遭受到直擊雷的襲擊，可以通過(guò)合理的設(shè)計(jì)避雷針的保護(hù)角和良好的接地系統(tǒng)起到保護(hù)作用。

首先，保護(hù)建筑物部分的接閃器、引下線、接地裝置等防雷裝置，金屬物必須實(shí)施可靠的等電位連接。一定要有一個(gè)良好的接地系統(tǒng)，當(dāng)雷電向建筑物閃擊時(shí)，雷電流通過(guò)接閃器和引下線被迅速釋放入地，強(qiáng)度得到迅速衰減，干擾源的雷電電磁脈沖存在時(shí)間極短，不至于產(chǎn)生高的感生電壓，從而保護(hù)設(shè)備和人身安全。如果基站接地系統(tǒng)做得不好，不僅會(huì)引起設(shè)備故障，燒壞元器件，嚴(yán)重的還將危害工作人員的生命安全。

其次，天線的直擊雷防護(hù)，主要是安裝避雷針，最好直接利用天線桿來(lái)保護(hù)。同時(shí)做好天線桿、同軸電纜饋線、外走線架的等電位連接，能減少各金屬體之間的電位差和防高壓反擊，可以避免雷電波從同軸電纜饋線侵入機(jī)房損壞通信設(shè)備。

此外還有搭接、接地等措施。搭接就是等電位連接。做好等電位連接能減少電位差，并能有效地防范雷電電磁感應(yīng)的破壞作用。接地裝置是為了把雷電流迅速流到大地。采用共地接地系統(tǒng)，即所有接地都與建筑物的基礎(chǔ)接地相連。機(jī)房的接地直接利用建筑物的基礎(chǔ)接地裝置。

4.結(jié)語(yǔ)

雷電對(duì)無(wú)線通信及設(shè)備的損害途徑是多方面的。本文主要對(duì)無(wú)線通信及設(shè)備遭受雷擊損害的三大主要原因，以及可能的侵入途徑作了初步的分析，對(duì)防雷保護(hù)措施進(jìn)行了探討。事實(shí)上，防雷保護(hù)是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，對(duì)無(wú)線通信及設(shè)備的防雷保護(hù)設(shè)計(jì)不僅取決于防雷裝置的性能，更重要的是在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)施工之前，就要考慮到網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)所處的地理環(huán)境，設(shè)計(jì)合適的線纜布放方式、屏蔽及接地方式?？傊览妆Ｗo(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮，才能獲得良好的效果。

參考文獻(xiàn)：

［1］杜仁強(qiáng).一般通信基站的防雷措施.通信電源技術(shù)，2006.

［2］左智成，李興華.電波與天線［M］.合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

［3］楊金夕.防雷、接地及電氣安全技術(shù)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［4］移動(dòng)通信基站防雷與接地設(shè)計(jì)規(guī)范.北京郵電大學(xué)出版社，2003.

［5］張鷺雄.雷害與防雷措施.生命與自然，2002.