淺談抑制雷電浪涌電壓和電流的技術措施

馬興

由于雷電對無線通信系統造成危害的主要原因是浪涌電壓和電流，因此對其抑制措施也就應根據電路理論中電壓、電流遵守的基本規律來解決。

1、直擊雷防護技術

直擊雷的產生機理是帶電雷云和大地之間產生的靜電感應及大量異種點荷的急劇中和。根據這一特點，對其有效防護就可采用200年前富蘭克林發明的避雷針，也叫接閃器（把避雷針及其變形產品避雷線、避雷帶、避雷網等統稱為接閃器）。其基本原理是：靜電荷在曲率大的物體上的分布大于在曲率小的物體上的分布。也就是前面講到的大地上的感應電荷容易集中到高出地面的突出物體上。這樣通過安裝高出地面一定高度的接閃器在其強電場作用下，就容易把雷云吸引到其周圍，變地面或屋面上大量電荷和雷云中大量電荷的集中短時中和為相對長時中和，這就有效的避免了由于大量電荷的集中短時中和而產生的弧光和響聲，也保證了雷云中的電荷通過接閃器流入大地。

2.感應雷防護技術

由于感應雷是因直擊雷放電而在其附近的金屬導體上通過電磁感應產生的。感應雷一般可通過兩種不同的感應方式侵入導體，一是靜電感應：在雷云中的電荷積聚時，附近的導體也會感應上相反的電荷，當雷云對地放電時，雷云中的電荷迅速釋放，導體中原來被雷云電場束縛住的靜電荷失去雷云對其束縛作用，就會沿導體流動尋找釋放通道，這樣就在電路中形成電流脈沖；二是電磁感應：在雷云放電時，迅速變化的雷電流在其周圍產生強大的瞬變電磁場，位于其附近的導體中就會產生很高的感生電動勢和感應電流。實驗研究表明：

①由靜電感應方式引起的浪涌電流數倍于電磁感應引起的浪涌電流。

②感應雷（浪涌電流）可以通過電力電纜、通信電纜、光纖和天饋線侵入通信設備，而且由于電力電纜的距離長且對雷電波的傳輸損耗小，所以由電源線侵入的感應雷造成的危害十分突出，據統計約占了通信設施雷擊事故的80%。因此，對通信臺站進行感應雷防護時，電源應作為重點。

③感應雷還可以通過空間感應侵入通信臺站的內部線路，雖然經過建筑物和機殼的屏蔽衰減后其變化電磁場攜帶能量大為減小，相應在設備線路上造成的感應電壓、電流數值也減少了，但由于目前使用的以集成電路為核心元件的設備的抗過壓能力很弱，所以對此防護不力也可能造成設備故障。

④感應雷的防護技術措施：

對感應雷根據其形成機理和侵入通信系統方式，宜從以下幾方面采取措施來防護：

a.對電源防護：信息產業部發布了專門的通信電源防雷標準，對各種通信站的電源防雷提出了具體要求，主要是兩條：一是電力電纜應有金屬屏蔽層，且必須以地埋形式進出通信機房。二是在電源上逐級加裝電源避雷器，實現多級防護。即在變壓器的高壓端加裝高壓避雷器，低壓側加裝低壓避雷器，在交流配電室和直流配電室分別加裝交、直流避雷器。同時還應對進出通信站的其它電力線如照明路燈線、塔燈電力線、非通信設施租用通信電力線等加裝避雷器。還要重視避雷器的安裝方式，盡可能縮短電力線與避雷器的連線和避雷器與接地匯接板連線的長度，減小引線電感產生的額外殘壓。 在安裝？多級避雷器時，要保證避雷器由前到后順序泄放，使后級避雷器的動作速度不低于前級，避雷器之間的電力電纜長度不小于15米。

b.傳輸線防護：傳輸線主要指的是進出機房的用戶線和中繼線，光纖和天饋線。目前對低頻用戶線和中繼線采用避雷器基本有效。對光纖的防雷主要是針對其金屬護皮和金屬芯線，在光纖通過埋地進機房時就把金屬護皮和金屬芯線連接在機房外的接地匯接排上，而不能接在機房內的設備機架上。天饋線防雷主要是針對同軸電纜，接地的波導管本身就有良好的防雷作用不需再加避雷器。同軸電纜天饋線應加裝相應的高頻避雷器，避雷器的地線應就近與機房的接地匯接排相連。天饋線的頂端通過鐵塔接地，在入機房處，接到機房外的接地匯接排上。如果天饋線較長，在其中間每隔25米與走線架或鐵塔相連在一起。

c. 聯合地網：通信機房、變電房、鐵塔的接地極應連接在一起，組成聯合地網，即為通信臺站內所有設備共用的接地裝置。如果是框架結構的機房，建筑物的基礎鋼筋就是很好的環型接地網，應充分利用。對接地網的接地電阻部頒標準已對不同類型的通信系統作了具體規定，其阻值為1～ 20歐。對這一數值規定，從防雷技術的角度看，要求已不那么嚴格，而是強調接地系統的布置，這在《建筑物防雷設計規范》（GB50057—94）中已有體現。關于接地技術，早期的通信臺站建設中往往采用分離地網，要求交流地、直流地、保護地、數據地、防雷地等都采用單獨的接地裝置。其目的是想避免各系統的干擾通過地網耦合，但現在認為聯合地網更經濟有效。這是因為分離地網要求的條件太苛刻，地網須相距20米以上才認為實現了分離，而現代通信站需要五、六個這樣的獨立地網，在寸土寸金的年代很難辦到。另外，從技術角度看，分離地網在泄放雷電流時因接地線和接地電阻的大小差異，各接地系統還會產生電位差，這反而危害相互連接著的通信設備。聯合地網通過合理的布置接地線可以實現通信設備間的等電位。

d. 設備接地：通信臺站內所有設備的金屬外殼都應接地，金屬走線架、水管等金屬物也必須接地。臺站內金屬物良好的接地不但是用電安全的要求，也是屏蔽雷電感應、均衡設備電位的重要措施。接地有單點接地、多點接地和混合接地三種方式。從抗干擾的角度講，低頻通信設備宜用單點接地，高頻通信宜用多點接地，高、低頻混合通信設備宜采用混合接地，像發射機就屬高低頻混合接地。但目前部頒標準統一規定各種通信臺站都用單點接地方式，接地線的要求是粗、短、直，還要兼顧到泄放設備短路電流和泄放雷電流的能力。設備短路電流由電源電壓和接地阻抗決定，部頒標準推薦使用35-95平方毫米的多股銅線。而泄放雷電流只需大于16平方毫米的銅線即可。

e. 接地匯集線的布置要求：接地匯集線（也叫匯流排）應布置在靠近避雷器的地方，以使避雷器的接地連接線最短，各樓層的分匯集線應直接與機房外的總匯集線相連，這樣才能保證實現整個系統接地的單點接地方式。當機房樓層高于30米時，高于30米部分的分匯集線應與建筑物均壓環相連，以防止側擊。對于接地匯集線，采用多重互連防雷效果更好，宜在通信機房積極采用。

通過以上分析，可以清楚地看到，當無線通信系統嚴格按照部頒規范設計施工時，對雷電的防護作用非常有效，但由于現代通信系統中，各子系統一般是采用獨立接地方式，且各子系統的接地電阻數值也不完全相同，這樣在遇雷電產生的浪涌電壓時，即使在很小的接地電阻上也會形成很大的電壓降，導致各子系統從形式上看似處于等電位，實質各接地點具有很大的電位差，這樣就容易對接地點處于低電位的子系統造成“低電位反擊”現象。造成設備對地絕緣擊穿和人員觸電事故。采用避雷器，就是利用低阻值導線，把各子系統接地點通過避雷器互聯在一起，這樣在雷電產生的大浪涌電壓到來時，通過避雷器中的微電子電路的控制作用，也叫 “箝位”功能，強制性把各子系統接地點電位統一到同一數值；采用瞬間分流技術，是把設備的電源端口，信號端口通過避雷器和進機房的電源線、信號線串接在一起，在雷電產生的浪涌大電流進入機房入口時，通過避雷器中的微電子電路的控制作用，迅速將大浪涌電流導入大地，浪涌大電流過去后又恢復系統的正常工作狀態。從而達到彌補現代通信系統中各子系統采用獨立接地帶來的雷電安全隱患，達到保護人身安全和設備安全目的。

總之，隨著電子技術的飛速發展，通信設備種類日益繁多，保護通信設備安全也隨之提到一個很重要的高度。就目前防雷電災害技術還處于發展階段，特別是防浪涌大電流和高電壓的瞬間分流和等電位理論還主要停留在定性上，作定量分析的工作還需在實踐中不斷地進行探索和研究。