開關電源監控系統的防雷措施

吳向陽，郭 明，趙廣超，馬向東

（河南洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471000）

0 引 言

通信設備中廣泛應用了微電子技術、智能設備和計算機技術等，致使其過電壓、過電流防范措施要求越來越高，防雷保護也越來越重要。通信數據線路上雷電、強電、靜電以及操作引起的瞬間過壓造成的危害時常發生，必須采取適當的保護措施，避免因過電壓產生過電流對通信設備、傳輸線路等造成危害[1]。通信機房及鐵塔安裝了避雷針、避雷帶或避雷網，采取聯合接地的方式，具備了良好的防雷和抗外界電磁干擾的性能。但是，通信設備有時還會遭受過壓、過流而損壞，還會威脅操作維護人員的人身安全。文章論述了雷電的產生和它的破壞作用，提出了電源監控系統的防雷措施。

1 雷電產生及危害

1.1 雷電的產生

雷電形成需要多種復雜的條件，如地面濕度很大的氣體受熱上升，與冷空氣相遇形成積云，并在運動中集聚了大量電荷等[2]。當不同電荷的積云靠近時，或者帶電積云對大地因靜電感應而產生異性電荷時，宇宙間將發生巨大的電脈沖放電而產生雷電。

1.2 雷電的種類及危害

（1）直擊雷。它是帶電的云層與大地上某一點之間迅猛的放電，峰值有幾十千伏，乃至幾十萬伏。

（2）雷電感應，或稱“二次雷”。雖然它的危害沒有直擊雷大，但它發生的概率也很高。直擊雷可以在很大區域的多個小范圍內同時發生雷電感應，可以通過電力線、電話線、網絡線等金屬導線傳輸到室內，進一步擴大災害。直擊雷放電電流瞬間高達幾百千安，其瞬間產生巨大的能量可導致電力停電和通信中斷，甚至危及人身安全。直擊雷雖然危害性很大，但因室內設備或系統遭受直擊雷擊的概率和范圍較小，故直擊雷危害室內安全的概率很小，危害更大的是直擊雷導致的雷電感應。

雷電感應通常有兩種表現形式[3]。第一種，靜電感應。在室外電力線上空出現帶電云層時，由于靜電感應，電力上會聚集大量正電荷。一旦云層發生放電，負電荷便會迅速釋放，此時導線上的大量正電荷依然存在，沿著導體流動尋找釋放通道，并以雷電波的形式沿著導線經設備入地而損壞設備。第二種，電磁感應。雷云由于它的頻率高、強度大，迅速變化的雷電流在其周圍產生強大的瞬變電磁場。放電時，附近導體上會產生感生電動勢，從而產生的感應電壓可能擊穿與導體相連的設備。

通信設備因雷擊造成的故障，大部分是由于雷電電磁脈沖波從戶外傳輸線路侵入而造成的，如雷電直擊電力線路、傳輸線路，或者在距離電力線路、傳輸線路一定距離處有雷電閃擊。

通信設備的感應雷入侵途徑如下[4]：

（1）雷雨天氣時，接地電阻上引起暫態電壓降；

（2）雷電擊中建筑物外部，在建筑物內部感應出過電壓；

（3）雷電擊中遠處電源架空線纜引起過電壓；

（4）雷電擊中遠處地面，地下通信電纜地電位上升或感應引起過電壓。

2 電源監控系統的防雷措施

2.1 電源監控系統的結構

電源監控線路分為電源線和信號線。系統采用機房和監控主機分開，即中心機房和通信局（站）分別位于不同地域。

系統采用逐級匯接、自上而下的結構[5]，包括監控中心（Supervision Center，SC）、監控站（Supervision Station，SS）、監控單元（Supervision Unit，SU）和監控模塊（Supervision Module，SM）。系統組網方式如圖1所示。

圖1 電源監控系統組網方式

2.2 電源監控系統的防雷保護措施

（1）機房之間的信號線防雷。在機房之間的信號線、輔助電源線均應在入口處配置相應的浪涌保護器件（SPD），并可靠接地。在各個機房的入口處設置防雷箱，箱內安裝1個RS-485防雷器和1個輔助電源防雷器，并根據智能設備數量安裝RS-232防雷器，同時使防雷箱與防雷地連接。

（2）交流市電采樣防雷。監控系統需采集低壓配電盤交流市電的電量。交流供電線路除容易受感應雷擊外，還易受操作過電壓影響，因此須在交流變送器前加一個SPD。低壓室的信號線在進入監控主機所在機房時也應設置SPD。

（3）三相交流電源采樣端防雷。三相交流電壓采用多功能交流變送器采樣，為保護多功能變送器和監控設備，必須在多功能交流變送器的入端加裝三相電源防雷器，在多功能交流變送器的輸出端加裝適用于RS-485接口的信號防雷器。

（4）智能設備防雷。智能設備一般由RS-232通信接口與監控主機的多串口卡相連接。在監控設備的通信接口兩端，加裝一個適用于RS-232的信號防雷器。

（5）RS-485防雷。從監控主機起，RS-485總線每超過20 m配置一個防雷器，并將其靠近接地端子安裝，使接地線長度小于1 m，接地線可用2.5 mm2的黃綠線。

整個通信機房中建有地網，機房大樓的主鋼筋與頂層的閃接器連通，下端與地網連接，建筑物中的各種金屬管線實施均壓等電位連接，對具有特殊要求的各種不同的地線進行等電位處理，形成一個法拉第籠式接地系統[6]。經過測試，接地電阻小于1 Ω，完全符合避雷標準。但是，每次雷擊時室內計算機監控系統仍然會受到侵害。究其原因，在于弱電系統處于室內，其受到的雷電干擾顯然不是直擊雷而是感應雷造成的，其由于地網電壓瞬間升高而導致雷電壓反擊。一般情況下，最容易引入雷電的是電源系統，因為它的內阻極低，而電源系統又承擔對各種通信設備供電的工作，通信機房的電源監控系統的信號線和電源線路分布在一起，因此形成了二次雷電感應，從而導致弱電設備受損。

針對上述問題提出以下解決方案。

（1）電源線防雷。根據電源防雷的三級防護原則，在電源線路原有浪涌擬制器的基礎上增加電源防雷器，防止雷電通過電源線路對計算機造成破壞。

（2）信號線防雷。機房監控部分采用信號線連接，信號線防雷包括三個方面。一是信號線和電源線分開布線并加套金屬屏蔽管，金屬屏蔽管盡可能多點接地；二是信號線采用帶有屏蔽的線纜；三是信號線接口使用抗雷擊能力強的接頭。

為提高端口的抗雷擊能力，可以將RS-232接口串接到RS-232至RS-485的轉換器。由于多了一層轉換隔離，因此提高了抗雷擊能力。此外，可以在RS-232接口的兩端加上信號防雷器，對通信接口進行多重保護。信號防雷器可以泄放侵入信號線路上的雷電脈沖，防止雷電波的侵入，保護電源監控系統。

（3）等電位連接。本系統防雷中，采用等電位連接的目的是減小防雷空間內各金屬部件和各系統之間的等電位差，防止雷電反擊。機房內的電源線和監控的信號線通過過壓保護器進行等電位鏈接，機柜和設備的金屬外殼、電源線、信號線的屏蔽體、金屬管線與接地系統進行等電位連接，使雷電流迅速泄流入大地，防止感應雷通過這些金屬導體破壞設備。

3 結 論

雷電作為一種自然現象，人們對它的認識和防范也在不斷提高。在通信設備的防雷工作中，電源監控系統的防雷已經成為一項重要工作，需不斷總結完善防雷措施，努力做到防微杜漸、未雨綢繆，減少其造成的通信設備停機故障隱患，提高通信設備的保障能力。