通信臺站的雷電防護

王穎瑩　劉　華

[摘 要]目前,通信臺站設備多采用高集成度的微電子電路,由于通信電子設備器件耐過壓、過流的能力弱,對外部電磁干擾敏感,其耐沖擊水平較低,對雷電電磁脈沖較為敏感,容易被浪涌過壓損壞,因此,提高人們防雷意識,加強電子信息設備和系統的雷電電磁脈沖防護工作,是當前防雷工作和理論研究的當務之急。

[關鍵詞]通信臺站 雷電防護 電磁脈沖

近年來,隨著微電子技術、光纖技術和計算機技術在通信設備中的廣泛應用,因雷電電磁脈沖(簡稱LEMP)作用電子設備或系統的直接損失約占雷電災害總損失的80%以上,且呈增長趨勢,因此防雷保護越來越重要。對通信設備更是微電子設備集中使用的通信臺站,必須采取適當的保護措施以避免因過電壓以及所產生的過電流對通信設備、傳輸線路和相關人員造成的危害。

一、雷電對通信臺站的損害

目前,通信臺站設備多采用高集成度的微電子電路,通信電子設備的技術特征是集成度高,器件耐過壓、過流的能力弱,對外部電磁干擾敏感,其耐沖擊水平較低,對雷電電磁脈沖較為敏感,容易被浪涌過壓損壞,因而電子設備很容易遭到LEMP干擾的侵害,輕者導致性能下降,影響系統正常運行;重者可以造成系統癱瘓和人身傷亡事故,損失無法估量。在實際工作中,以雷擊為代表的電磁脈沖對通信系統造成的直接和間接經濟損失已相當嚴重,危害很大。

二、雷電波對通信臺站入侵途徑

雷電是自然界中強大脈沖能量的放電過程,也是最大的電磁干擾源,它一般通過輻射、傳導或其復合方式進行傳播。如LEMP可以通過電力輸電線、信號線、天線饋線、地下線纜、各種金屬管道等導體傳輸。這些導體在傳輸LEMP時,可能由于它們自身的天線效應而再次構成輻射源,或上述導體又有可能會被LEMP強大的電磁場變化感應出過電壓、過電流,以雷電波形式侵入通信系統。

三、雷電對通信臺站入侵方式

雷電波侵入通信臺站的途徑,共有兩類五種方式。

1.雷電擊中通信臺站所在建筑物引起過電壓,有兩個入侵途徑:

A、雷電擊中建筑物外部,在接地電阻上引起暫態電壓降;

B、雷電擊中建筑物外部,在建筑物內部感應出過電壓。

2.遠處雷擊引起過電壓,有三種侵入途徑:

A、雷電擊中遠處電源架空線纜引起過電壓;

B、云層之間的雷電感應到電源架空電纜上形成過電壓;

C、雷電擊中遠處地面,地下通信電纜由于地電位上升或感應引起過電壓。

雷電侵入通信臺站的方式,導致現代防雷技術是在三維空間進行的綜合防雷,其基本措施主要包括接閃、泄流、等電位連接、接地、屏蔽和隔離等,這種對LEMP的綜合防護方法可以概括綜合防雷保護法。

四、通信臺站的LEMP保護

通信臺站的雷害包括直接雷危害和感應雷電磁脈沖危害兩種。直接雷的危害雖大,但通信臺站遭受直擊雷擊的概率很小。由于通信臺站通過電力電纜和各種通信傳輸電纜與外界相連,通信臺站各系統要素之間也有極其復雜的連接網絡(電源網絡、信號網絡及地線網絡等),同時通信臺站設備中大量的集成電路通過金屬導線相連,這些都為感應雷的侵入提供了良好的條件,再加上如接口板損壞、內部通信口損壞、整流模塊損壞等雷害形式,感應雷損害的往往是通信設備的核心器件,會直接影響通信的順暢。因此,通信臺站的防雷重點是對LEMP的防護。為了保障通信系統在遭受LEMP作用時仍能正常運行及確保人身安全,必須要采取相應有效的防護措施。

作為防雷保護第一道防線的接閃器是指專門用來接受直接雷擊的金屬物體,包括避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網等。所有接閃器都必須經過接地引下線與接地裝置相連接,其功能是把雷電流傳導泄入大地,讓大地吸收耗消雷電的能量。

在LEMP的綜合防護措施中,最常用的泄流是指利用放電管或壓敏電阻等電涌保護器件(SPD)在暫態抑制過程中泄放暫態大電流,并進行箝位限壓,從而保護設備或系統。電涌保護器SPD(Surge Protection Device)是指一個連接在線路和設備之間,能安全地將線路上的浪涌電流通過接地系統引入大地,并限制瞬變電壓到設備允許電平的器件或裝置。它實質上是一種過電壓限制器,正常時呈高阻抗,對設備工作無影響;當受到雷擊時,因承受強大雷電流浪涌能量而放電,呈低阻抗狀態,迅速將外來沖擊過量能量全部或部分泄放掉,響應時間極快,且瞬間又能恢復到平時高阻狀態。常見的SPD包括放電間隙、氣體放電管、壓敏電阻、暫態電壓抑制二極管等。

五、通信臺站防雷的基本措施

通信臺站防雷設計的基本思想是就是努力實現等電位,目前主要綜合采用分流、屏蔽、箝位、接地等方法來近似實現系統等電位,絕對的等電位只是一種理想模式。這些措施經多年的實踐證明是行之有效的。

要真正解決通信臺站的防雷問題、必須從我國國情出發,修改和完善有關建筑設計規范,從土建設計開始就應考慮臺站直擊雷和LEMP的防護問題。一些基本的防雷措施應包括:

(一)提高通信臺站建筑設計要求,重要機房的樓層位置應預先確定,機房墻壁、走線槽井等采用鋼筋混凝土澆灌或利用鐵板、鐵網構建,墻面鋼筋焊接牢靠,并與周圍的柱、梁形成良好的電氣連接焊接。

(二)通信臺站主樓樓頂天面,若無通信設施或其它電氣設備,最好不架設避雷針,而用隱埋的避雷網或沿屋頂周邊的避雷帶作為接閃裝置。

(三)通信臺站底層宜構建地線均壓環。進站線纜和所連設備(如電源配電柜和通信電纜總配線架)放在底層或同一樓層,其防雷地線直接接在均壓環上,以減輕外線大電流進站時,對地線系統帶來的影響。

(四)預埋固定機房設備的絕緣支撐架,保證通信設備在安裝時與建筑鋼筋絕緣。

(五)機房設備安裝設計時,應同時考慮設備的防雷裝置設置(包括地線設置、管線屏蔽、接口防雷等),保證設備開通的同時,防雷問題也得到了處理。

(六)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。站內金屬設施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。

(七)接地匯集線(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樓底的總匯集線相連。

六、結束語

雷電可導致的危害多種多樣,目前可以說沒有任何一種產品可以全面防止雷電的危害。隨著更多新技術、新設備在生產經營管理的運用,防雷工作的復雜性、重要性也相應大大增加。與此同時,我們還必須提高對防雷工作的認識,積極研究現代防雷新技術,加強對防雷系統的維護。在雷雨季節前,應對系統進行檢查維護,對運行中的防雷元器件進行檢測;雷雨季節中要加強對防雷元器件外觀的巡視,發現異常應及時處理。如果設備遭受雷擊,應對損壞情況和原因進行調查分析,并根據分析結果,對防雷措施加以改進。隨著科學技術的進步,人類最終一定能找到有效利用雷電蘊藏著的巨大能量的途徑,徹底戰勝雷害。