通信設備的防雷設計淺析

　　摘 要：隨著通信的不斷發展，對通信設備的可靠性、安全運行提出了更高的要求，而通信設備的防雷接地系統的規范與否是最關鍵的因素之一。現代通信系統是一個巨大的網絡，全程全網和實時通信是其特點。通信設備相互之間的互連給防雷造成了一定困難，目前防雷要求的效果是將雷電就近處理，避免現場和遠端設備損毀，造成通信障礙和經濟損失。因此，對于通信設備的防雷問題研究具有重要的理論意義和現實意義。本文針對相關問題進行了分析與探討。
　　關鍵詞：通信設備 防雷設計 接地
　　中圖分類號：TM734 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）09（a）-0242-02
　　1 現代通信局（站）通信設備的四級防雷
　　通信系統四級防雷說明：10kV，380V交流變壓器防雷為一級防雷；交流市電進入機房所做防雷為二級防雷：交，直流開關電源防雷為三級防雷；其他通信設備防雷為四級防雷。一級、二級、三級防雷主要為交流市電防雷，四級防雷為直流防雷。一級防雷器規格根據變壓器的大小和容量進行選擇，一般為60～200kA標準進行安裝防雷器，目前通信基站變壓器一般采用氧化鋅防雷器；二級防雷根據負載大小進行選擇，一般為40～80kA標準進行安裝防雷器；三級防雷一般采用20～40kA標準安裝防雷器；四級防雷大部分使用為20kV防雷器，四級防雷一般為直流防雷，主要防止感應電壓造成的設備損壞。
　　2 現代通信局（站） 通信設備的其它防雷
　　通信系統除以上四級防雷外，還有鐵塔防雷接地、饋線防雷接地、光纜防雷接地等。
　　2.1 通信局站防雷
　　建筑物、通信局（站）地網的接地電阻基本上是人們對于防雷接地合格判定的唯一依據，這一說法在新的標準中有了質疑。在2003年3月6日頒布的《通信局（站）防雷接地工程設計規范》對接地電阻進行了界定，指出：為進行防雷，很難設立人員保護所需的明確的接地電阻。新的標準基本上對基站的接地電阻是這樣處理的：當基站所在的地區大地電阻率較低時，基站地網接地電阻一般不大于10Ω，當采用環形接地時，地網面積一般應大于100m2；當基站的土壤電阻率大于1000Ω·m時，可不對基站的接地電阻予以限制，但要求其地網的等效半徑應大于等于20m，并在地網四角加以10～20m輻射型接地體。地網環形接地體的周邊可以根據地形、地理狀況決定其形狀。
　　2.2 基站防雷地網
　　移動基站地網由機房地網、鐵塔地網或者由機房地網、鐵塔地網和變壓器地網組成，基站地網應充分利用機房建筑物基礎（含地樁）、鐵塔基礎內的主鋼筋和地下其他金屬設施作為接地體的一部分。
　　2.3 機房地網
　　機房地網應沿機房建筑物散水點外設環形接地裝置，同時還應利用機房建筑物基礎橫豎梁內兩根以上主鋼筋共同組成機房地網。當機房建筑物基礎有地樁時，應將地樁內兩根以上主鋼筋與機房地網焊接連通。
　　2.4 鐵塔地網
　　當鐵塔位于機房旁邊時，應采用40mm×40mm的熱鍍鋅扁鋼將鐵塔地基4個塔腳內部金屬構件焊接連通組成鐵塔地網，其他地網網格尺寸不應大于3m×3m，其周邊應為封閉式，鐵塔地網與機房地網之間應每隔3～5m相互焊接連通，連接點不應少于兩點。
　　2.5 變壓器地網
　　當電力變壓器設置在機房內時，可共用機房及鐵塔地網組成的聯合地網；當電力變壓器設置在機房外，且距機房地網邊緣大于30m時，宜設獨立地網；若電力變壓器設置距機房地網邊緣30m以內時，變壓器地網與機房地網或鐵塔地網之間應連接焊通，一般應在兩處焊接連通，以相互組成一個周邊封閉的地網。
　　3 通信設備防雷接地
　　雷電的特點是持續時間短（8～20ms）通過電流大（2000～20000A），它的形成是由雷云大量集聚帶電粒子，當電場強達到25～30kV/cm時，就開始放電而形成雷電。雷云的放電有兩種：一是云間放電；二是對地放電，通過接地體泄放到大地；分流：利用避雷針通過銅芯線引入到大地；屏蔽：通信大樓接地，機房接地；限幅：用避雷器（OBO、壓敏電阻、放電管）對雷電電壓進行限制；均壓：平衡各處電位，提高抗雷能力。
　　3.1 接地電阻
　　電氣設備的某一部分與土壤之間作良好的電氣連接，稱為接地。接地電阻的阻值要求愈小愈好，不能超過規定值。對于移動基站來說接地電阻應小于10Ω。
　　3.2 聯合接地
　　所謂聯合接地簡單說就是設備的工作地、保護地、防雷地均接在一起。原理：當強大的雷電電流流入大地時，大地的電位隨即升高，因所有地線都連接在一起，設備的地電位跟隨大地一起升高，地與地之間不存在電位差，不會因雷擊反擊而損壞設備。
　　聯合接地地網的連接體應為網絡狀分布，最好構成立體網狀，才具均壓、等位作用。首先接地體必須做成一個良好的等電位體，防雷接地排、保護接地排、工作接地排可根據需求在不同點與接地體相連達到聯合接地的要求。聯合接地并不是將防雷地、工作地、保護地用導線連到一個接地排上，它是以接地體為參照的。
　　3.3 鐵塔防雷接地
　　鐵塔是雷電引入的主要渠道，必須進行重點防護。鐵塔上必須安裝避雷針，另敷設一條扁鋼作避雷針的引下線，下端與鐵塔地網連接，不得依靠鐵塔體作為引下線。鐵塔與地連接最少兩處以上焊接，接地極向四周延伸。
　　3.4 天線的饋線接地要求
　　饋線是和鐵塔上的天線相連接的，也容易將雷電干擾引入通信設備。故饋線要求兩次接地，在上端天線lm處接地一次，饋線進入機房的入口處接第一次。
　　4 現代通信設備防雷措施
　　4.1 外部防雷
　　外部防雷系統由避雷針、引下線、接地地網等組成，缺一不可。一般防止直擊雷破壞是通過避雷裝置即避雷針、引下線和接地網絡構成完整的電氣通路后將雷電流泄入大地。
　　然而避雷針、引下線和接地裝置的導通只能保護安裝避雷針的物體本身免受直擊雷的損毀，但雷電會通過多種形式及途徑破壞電子設備。對通信基站而言，天饋線系統和機房建筑物容易遭受到直擊雷的襲擊，可以通過合理的設計避雷針的保護角和良好的接地系統起到保護作用。接地體指埋入土壤中或混凝土基礎中作散流用的導體。有人工接地體和自然接地體兩種。接地網是把需要接地的各系統，統一接到一個地網上或者把各系統原來的接地網通過地下或者地上用金屬連接起來，使它們之間成為電氣相通的統一接地網。一定要有一個良好的接地系統，因為所有防雷系統都需要通過接地系統把雷電流泄入大地，從而保護設備和人身安全。如果基站接地系統做得不好，不但會引起設備故障，燒壞元器件，嚴重的還將危害工作人員的生命安全。另外還有防干擾、防靜電等問題都需要建立良好的接地系統來解決。一般整個基站的接地系統有：建筑物地網、鐵塔地、電源地、邏輯地（也稱信號地）、防雷地等。然而，各地網之間必須獨立時，如果相互之間距離達不到規范要求的話，則容易出現地電位反擊事故，因此，各接地系統之間的距離達不到規范的要求時，應盡可能連接在一起，如實際情況不允許直接連接的。可通過地電位均衡器實現等電位連接。
　　4.2 內部防雷
　　有可靠的外部防雷措施同時更需要完善內部防雷措施。內部防雷工程主要由屏蔽、防雷器和等電位連接三部分組成。
　　（1）屏蔽。
　　每對雙絞線或四對雙絞線都可使用金屬屏蔽，不同的雙絞線或四對雙絞線放在一起可共同使用一個金屬屏蔽。由于金屬屏蔽的趨膚效應產生的吸收和反射作用。可更好的分割周圍的電磁場和減少單獨屏蔽的對絞線之間的串音。
　　（2）防雷器。
　　防雷器是用一種低壓時呈現高阻丌路狀態，高壓時呈現低阻短路狀態。能承受數百安培大電流通過的過壓保護電子器件組合。將防雷器并聯在供電線路、信號傳輸線路上使用。當遇到雷擊和高電壓大電流時其立即呈現短路，將瞬間產生高電壓大電流通過地網泄放到大地中。使設備受到保護。發生雷擊時，直擊雷或者沿著線路進入室內的感應雷會使設備的進線電壓瞬間急速升高.達到幾百甚至上千伏。由于在進線端采用了第～級保護。并聯一個氣態放電管，通過惰性氣體的電離，能轉移大部分的瞬變能量。因為無分布電感電容，通流容量極大，特別適合用于吸收直擊雷，保護后的殘留電壓為二十幾伏。對于集成電路而言。這個電壓還是偏高，還起不到有效保護。另外氣態放電管，反應速度慢，導致其上沖電壓可達到電壓峰值，有鑒于此，增加一級保護，并且在兩極之間采用電感耦合，利用電感電流不能突變的原理，起到一個延遲的作用，為第二級保護贏得時間，并減輕對第二級的壓力。第二級主要是采用固態放電管，它是基于可控硅原理的一種負阻器件，在沖擊電壓作用下。其前沿上沖電壓非常低，顯示出極強的抑制特性，并且響應速度非常快（納秒級），分布電容小，殘壓低于5V，且對電流的吸收能力也相當大，非常適合用于網絡通訊工程、電子部件的防雷保護。
　　5 結語
　　在現實中影響雷電泄放通道的因素是很多的，屬于自然因素的有地理位置、地形地貌、地下礦產分布及地表植物的情況；屬于人為因素的有地表建筑結構、材料及高度形態：屬于設備本身的有屏蔽、接地、線路結構及元器件性能等。這些因素綜合的結果是一個非常復雜的形態，很難從表面找出規律并簡單地得出結論，從而完成最佳防雷工程設計。本文所提出的相關措施還需在實踐的過程中不斷的進行驗證和檢驗。
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