雷電波對通信設(shè)備的危害研究

梁正 林惠嬌 馮永栩 文華

摘? ?要：科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展使得通信設(shè)備的應(yīng)用已越來越廣泛，無線通信技術(shù)也已普及，但通信系統(tǒng)的計算和傳輸部分還是離不開精密設(shè)備，因此對通信設(shè)備的保護仍需受到重視。文章研究雷電波對通信設(shè)備造成危害的原理及其對目前通信設(shè)備造成的威脅和損害，探索科學(xué)、有效的防雷技術(shù)應(yīng)用，以期對通信設(shè)備的正常工作和安全運轉(zhuǎn)提供保障。

關(guān)鍵詞：電子;電波傳播;通信

1? ? 雷電波對通信設(shè)備的損害

信息時代技術(shù)的發(fā)展，使得移動電話、無線通信已成為人們彼此交流不可或缺的紐帶，要保證通信技術(shù)的正常應(yīng)用，就必須保證移動電話等設(shè)備能在通信基站的信號輻射范圍以內(nèi)使用。至今為止，我國三大通信公司已建成的基站數(shù)量已有數(shù)十萬個，且一般會在地勢高的地方選址建站，這樣建成的基站可帶來更好的通信效果。但也因此通信公司需要重點防護雷電波對通信設(shè)備的損害，為了確保通信安全，積極應(yīng)對雷電波損害問題至關(guān)重要。

雷電在自然界中很常見，也可以說是一種自然災(zāi)害，通常會為人們的生活與生產(chǎn)活動帶來巨大的不便和安全隱患。雷電發(fā)生時產(chǎn)生的強對流會對樹木、建筑等造成破壞，也會對人和動物的生命產(chǎn)生威脅，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)火災(zāi)，對生命和財產(chǎn)都會造成無法挽回的損失。通信系統(tǒng)的特殊性，使其受到雷電的損害比其他傳統(tǒng)行業(yè)大得多。雷電的產(chǎn)生無法受到人為的控制，因此，只能著重探究雷電防護措施，降低或避免雷電對通信設(shè)備造成的損害，從而保護設(shè)備線路的良好運轉(zhuǎn)，保障通信系統(tǒng)的正常運行。

從雷電波類型來看，其對通信設(shè)備造成的危害有以下幾種：（1）直擊雷。雷電會與建筑物、地面、設(shè)備等產(chǎn)生直接接觸，在此過程中產(chǎn)生的電、熱、機械效應(yīng)，會直接摧毀沒有防雷設(shè)施的房屋建筑、通信設(shè)備等，甚至?xí)ぷ魅藛T構(gòu)成生命威脅。（2）高壓雷電波。雷電通過金屬管道，例如架空線路等，會產(chǎn)生雷電波并沿著管線入侵到建筑物內(nèi)部，對通信設(shè)備造成破壞。（3）雷電感應(yīng)。閃電放電過程中會在臨近的導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)現(xiàn)象，例如靜電和電磁感應(yīng)，以此干擾損害基站里的通信設(shè)備。（4）電磁脈沖[1]。主要通過閃電擊中防雷設(shè)備或建筑后產(chǎn)生的效應(yīng)，對通信設(shè)備造成破壞。如果不能采取科學(xué)、有效的防范措施，雷電波很可能會對工作人員的生命安全構(gòu)成威脅。而要做好通信設(shè)備的雷電防護工作，就要首先明白雷電波損害的原理及其造成的危害，再分別采用針對性的防雷技術(shù)和措施來降低雷電波對設(shè)備帶來的損害。

2? ? 通信設(shè)備受到雷電波的損害及其原理

雷電現(xiàn)象產(chǎn)生時形成的各種類型的雷電波影響，都會對通信設(shè)備和正常的通信系統(tǒng)運轉(zhuǎn)造成不同程度的損害，其中感應(yīng)雷擊是幾種雷電波類型中對通信設(shè)備影響最大的，也是各類安全事故的首要防護對象。雷電波產(chǎn)生時會引發(fā)一些感應(yīng)現(xiàn)象，比如靜電或電磁感應(yīng)，這類感應(yīng)現(xiàn)象主要通過過電壓或過電流，沿著各類信息傳輸接口進入通信系統(tǒng)，對通信設(shè)備帶來損害，并導(dǎo)致多種嚴(yán)重事故發(fā)生。傳統(tǒng)防雷措施主要是在各個建筑屋頂裝置避雷針，采取將雷電轉(zhuǎn)引至地下的方式保護建筑物內(nèi)的各種設(shè)備，但通過避雷針轉(zhuǎn)引的電流，可能產(chǎn)生二次雷擊，同樣會造成設(shè)備破壞、人員傷亡等安全事故，因此存在一定的局限性。除此之外，傳統(tǒng)的防雷技術(shù)過于依賴避雷針，未對區(qū)域和地域特點進行綜合考量，存在單一性，不適用于雷電多發(fā)區(qū)域及本身就遭受過嚴(yán)重破壞的地域。

雷擊波還可以入侵電網(wǎng)，造成電氣化設(shè)備的大面積損失，甚至危及相關(guān)員工的生命。由雷電波產(chǎn)生的強大輻射場，進一步引發(fā)高能電子脈沖產(chǎn)生，在通信線路和電子設(shè)備中產(chǎn)生過量的電流和電壓，對通信設(shè)備造成巨大的損失。如果避雷設(shè)備沒有按照安裝標(biāo)準(zhǔn)裝置，雷電波可能沿接地裝置重新流回通信設(shè)備中，從而擊穿通信設(shè)備的電路系統(tǒng)。如果出現(xiàn)二次放電，那么其他因素引起的爆炸或者火災(zāi)同樣會造成致命的傷害。如果絕緣被損壞，則會導(dǎo)致高壓向低壓轉(zhuǎn)換，使觸電范圍進一步擴大，會增加受損害的風(fēng)險。

電云負(fù)電感應(yīng)產(chǎn)生后，會在附近的地表累積一定量的正電荷，從而在地面和雷云之間形成電廠。如果電荷密度值達(dá)到某特定臨界值，就會出現(xiàn)向下的雷云梯級式放電現(xiàn)象。如果恰好雷云和地面物體間還有一段距離，在強電場的影響下，地面物體會出現(xiàn)尖端放電，并形成緩慢向上的雷云放電現(xiàn)象，這兩者的出現(xiàn)會形成雷電通路。雷電的出現(xiàn)會產(chǎn)生雷電波，并通過空中金屬物體的傳導(dǎo)產(chǎn)生極大的沖擊電壓，沿導(dǎo)線或通過感應(yīng)對通信設(shè)備造成雷電波損害。當(dāng)雷電波接觸到通信設(shè)備時，會對設(shè)備的正常工作產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞性影響，甚至損毀部分微電子設(shè)備，傳統(tǒng)的避雷針等面對強大的雷電波損毀無法起到保護作用。計算機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口等是通信設(shè)備的薄弱部分，尤其對雷電波產(chǎn)生的電磁現(xiàn)象較為敏感，即使這類設(shè)備距離雷電現(xiàn)象產(chǎn)生的地點很遠(yuǎn)，也會受到一定的危害。一旦通信系統(tǒng)部分設(shè)備受到損毀，就會限制通信系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，例如由雷電波導(dǎo)致的通信中斷、通信設(shè)備損壞等事故，甚至還會造成人員損傷。

3? ? 通信設(shè)備雷電波防護措施

雷電現(xiàn)象很常見，其自身具有很強大的能量，但人類還未能對這種天然的能量進行有效的利用，現(xiàn)階段的首要任務(wù)仍是對雷電造成的損害做好最大程度的防護工作。一般來講，防止雷電的方式主要有4種：（1）進行疏導(dǎo)，即合理設(shè)置使得電荷能夠按量轉(zhuǎn)至地下，保證通信設(shè)備或通信基站不會受到雷電的損害，實現(xiàn)防護目的。（2）合理隔離，在進行雷電波防護的時候，可通過將保護物和雷電信號之間的距離合理化設(shè)置來達(dá)到隔離的目的。（3）等位設(shè)置，即將燈塔、工作地和公共地等區(qū)域的電位進行合理設(shè)置，使其處于同等電位中。（4）消除電荷，中和雷云釋放出來的異性電荷，達(dá)到防止雷電形成的目的。依據(jù)上述幾種方式，本文建議采取以下幾種有效技術(shù)，對通信設(shè)備進行雷電防護。

3.1? 雷電波監(jiān)測和預(yù)警

結(jié)合大量研究和分析結(jié)果可知，科學(xué)、有效的雷電波監(jiān)測系統(tǒng)和預(yù)警體系的建立，對于雷電波特征、范圍與頻度的研究，以及降低雷電波對通信設(shè)備的危害都起到一定的推動作用。提升雷電波監(jiān)測系統(tǒng)和預(yù)警體系準(zhǔn)確性和時效性，會為雷電防護工作爭取到極其重要的時間，使其可以預(yù)先進行雷電防護，最大限度地降低損害程度，從而保證了通信設(shè)備的安全。

3.2? 機房設(shè)備、整體線路的防護措施

機房是通信設(shè)備核心的部分，對雷電波極其敏感，是雷電防護工作的重點，因此需要采取的防護措施也更加復(fù)雜，同樣也需要更多手段對其進行綜合防護。機房應(yīng)布置在通信基站最中間的位置，且需要避開用來引下線的柱子。根據(jù)位置和分布，機房的雷電防護系統(tǒng)由內(nèi)部和外部防護系統(tǒng)組成。外部防護系統(tǒng)主要有接地系統(tǒng)、空氣截雷系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)在對機房進行選址和構(gòu)建時就應(yīng)該受到重視，并在當(dāng)時完成布置;而需要結(jié)合屏蔽等體系的內(nèi)部系統(tǒng)，主要對易受雷電損害的設(shè)備進行過電壓保護裝置的布置，在設(shè)備受威脅之時就可快速釋放能量，達(dá)到保護設(shè)備安全的目的。

整體線路防護措施是在計算機系統(tǒng)線路的進口處，按電子設(shè)備和信號線不同的敏感度安裝不同的避雷器，一般是采取二級以上的過流和過電壓保護，在線路遇到雷電波入侵時可立刻將其引至地下，保證通信系統(tǒng)線路的安全，及日常工作的正常運轉(zhuǎn)。除此之外，通信系統(tǒng)供電線路應(yīng)采取多級（三級）保護措施，因為很多事故主要都是雷電波入侵供電線路造成的，多級防護有助于降低過電壓至通信設(shè)備的安全承受范圍內(nèi)。

3.3? 放射性避雷裝置的安裝

在通信塔中裝置避雷針是一種便利、經(jīng)濟的防護方式，然而這種措施的防護力度十分有限。為了達(dá)到更加有效的雷電防護，可在部分通信設(shè)備中裝置放射性避雷器。通常，放射源是放射性避雷器的核心，可使放射性避雷器周圍的空氣中形成較多的電離電子。在雷電場的作用下，如果提高這些電子的運行速度，會促使空氣中形成多級雪崩電離，所產(chǎn)生的電子流和電場強度之間會呈現(xiàn)正比關(guān)系，且電流是憑借放射源指至雷云，還能通過不斷中和和釋放空間電荷，達(dá)到消除已有低電場的目的[2]。如果在此過程中產(chǎn)生高電場，這種裝置還能將其降至低電場，達(dá)到消散雷電波的目的，實現(xiàn)雷電防范。該裝置還有一個好處就是防護范圍廣，其防護半徑可達(dá)260 mm，且能保證對人身無損害產(chǎn)生。

3.4? 增設(shè)天線桿

天線桿的合理運用能有效防護天線受到直擊雷的危害。首先，將天線桿通過40 mm×40 mm的鍍鋅扁鋼連起來，再引至避雷帶上;其次，將同軸電纜饋線的外金屬保護層用截面為36 mm的絕緣多股銅芯線與天線桿連接起來，使入口處與外走線架始終保持連接;此外，每隔5 m，需將外走線架和避雷帶通過鍍鋅扁鋼連起來，至少需保證兩處連接;最后，確保等電位連接同軸電纜饋線、外走線架和電線桿，從而對高壓的反擊做到有效防護，進而避免其對通信設(shè)備造成破壞。借助這種措施，也能很好地避免通信設(shè)備受到雷擊的破壞。

3.5? 內(nèi)部的防雷措施

對雷電波進行外部防護要可靠，對內(nèi)部的雷電波防護更不能掉以輕心。對內(nèi)進行雷電波防護的措施主要有以下幾個方式：（1）進行屏蔽，如果對一對或四對雙絞線采用金屬屏蔽進行屏蔽，就可將其放置在同一位置，即利用一個金屬屏蔽來實現(xiàn)這一目的。（2）使用避雷器，其在高壓下會出現(xiàn)低阻短路，而在低壓下，會出現(xiàn)高阻開路，此時百安培的電流均可無阻通過。合理使用避雷針，可以實現(xiàn)傳輸線路和供電線路呈并聯(lián)關(guān)系，雷擊發(fā)生時，就會及時造成短路，使電流迅速導(dǎo)入地下，減少雷擊波對通信設(shè)備造成的破壞。

4? ? 結(jié)語

社會通信技術(shù)的飛速發(fā)展使得通信設(shè)備的作用不斷凸顯出來，為了能減少雷電波對通信設(shè)備造成的破壞，本文針對通信設(shè)備的運行情況及其具體受到雷電波影響的情況，提出較為合理的雷電防護措施，從而能確保通信設(shè)備在雷電發(fā)生時保持穩(wěn)定，滿足通信系統(tǒng)正常運行的基本要求。選擇適合的雷電防護措施時需要綜合考慮多方面因素，同時，需要結(jié)合防護對象和區(qū)域的特征，來確定合適的防護計劃[3]。通信設(shè)備除了會受到雷電波的直接影響之外，還容易受到伴隨雷電波產(chǎn)生的多個電磁現(xiàn)象的影響，因此通信設(shè)備的雷電防護措施需要具備多層次、多方面的特征，而不限于避雷針和接地等傳統(tǒng)措施。

以上種種都表明，通信設(shè)備的雷電防護工作是一個長期的過程，從最初建設(shè)通信基地的選址開始，就要避免選取雷電多發(fā)區(qū)或曾有重大雷電事故的區(qū)域。此外，要考慮外部防護系統(tǒng)的搭建，比如機房位置的選擇、綜合路線的布置等;通信設(shè)備的連接過程中要對設(shè)備擺放位置、接頭和線材的選擇等操作環(huán)節(jié)進行重點排查，構(gòu)建結(jié)構(gòu)合理的內(nèi)部防護系統(tǒng)。最后，在日常工作中需保證雷電預(yù)警等提前防護措施?？偠灾?，通信系統(tǒng)是一個綜合性系統(tǒng)，對其進行雷電防護需對各個部分各個環(huán)節(jié)進行考慮，只有最終采取合適的防護措施，才能實現(xiàn)更全面的雷電防護效果。

[參考文獻(xiàn)]

[1]羅凱，唐小波，熊亮，等.對通信電源設(shè)備防雷保護技術(shù)的研究[J].中國新通信，2019（21）：33.

[2]王明磊，任杰.雷電對移動通信基站的危害及其防護[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊，2018（18）：97.

[3]吳同.通信導(dǎo)航設(shè)備的防雷技術(shù)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（9）：37.

Study on the damage of lightning wave to communication equipment

Liang Zheng1， Lin Huijiao1， Feng Yongxu1， Wen Hua2

（1.China Research Institute of Radiowave Propagation， Guangzhou 510630， China;

2.China Mobile Communications Group Corporation， Guangzhou 510335， China）

Abstract：With the continuous development of science and technology， communication equipment has been used more and more widely， and wireless communication technology has become popular， therefore， the protection of communication equipment should be paid more attention to. In this paper， the principle of the damage caused by lightning wave to communication equipment and the threat and damage to current communication equipment are studied， and the application of scientific and effective lightning protection technology is explored， in order to ensure the normal work and provide safe operation of the communication equipment.

Key words：electronics; radio wave propagation; communications