通信系統(tǒng)過電壓產生的原因與防護

摘要：敘述在通信系統(tǒng)中過電壓產生的原因、雷電的形成、防護的措施以及各種防護器件。

關鍵詞：過電壓雷電防護器件

Emerging Reason and Protection of Over Voltage in Communication System

Abstract: This paper presents emerging reasons of over voltage,forms of lightning,protection measures as well as all kinds of protection devices.

Keywords:Over voltage,Lightning,Protection,Devices

　　1引言

隨著經濟和科技的發(fā)展，人們對現(xiàn)代化的通信手段的依賴程度越來越強烈。現(xiàn)代通信正向大規(guī)模、高速度、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。這就要求通信設備和通信網(wǎng)絡能夠安全可靠的運行。但在日常工作中由于雷擊和電磁感應等各種原因產生的過電壓，時常破壞和干擾通訊系統(tǒng)及其附屬設施（如交換機、遠端模塊、傳真機、電話機、調制解調器、開關電源、機房空調等），造成財產損失、設備停用，嚴重時甚至威脅維護人員和用戶的人身安全，給通信部門和用戶帶來巨大損失。因此，如何防止過電壓的產生，減輕過電壓造成的危害，一直是通信部門十分關注的問題。在具體的維護工作中，我們應針對不同的過電壓產生的原因，采取相應的保護措施，以確保通信設備安全可靠的運行。

2過電壓產生的原因

過電壓的產生有多種原因，其中最常見的是靜電放電、電磁感應等。

靜電放電所產生的過電壓中，最具代表性的是雷擊過電壓。電磁感應過電壓包括雷電感應過電壓和其它感應過電壓等。

2.1雷擊過電壓的形成

密集于大地上空的帶有大量正電荷或負電荷的云，稱為雷云。當雷云中的電荷聚集量很大且具有較高的電場強度時，周圍的正、負雷云之間或雷云與大地之間，可能發(fā)生強烈的放電現(xiàn)象，稱之為雷電現(xiàn)象。

圖1 實驗中的雷電波波形

習慣上把大地的電位視為零，雷云的電位遠高于大地的電位，由于靜電感應而使大地感應出大量的與雷云電荷異號的電荷，兩者類似于一個巨大的空間電容器。雷云中的電荷分布并不均勻，常常形成多處電荷聚集中心，當它的電場強度達到（25～30）kV/cm時，雷云就會開始向大地方向擊穿空氣，形成一個導電的空氣通道，稱為雷電先導。當雷電先導進展到離地面100m～300m時，地面上感應出來的異號電荷也在相對集中，尤其是向地面上較高的突出物上集中，于是形成了迎雷先導。迎雷先導和雷電先導在空中相互靠近，當兩者接觸時，正、負電荷強烈中和，出現(xiàn)極大的電流并伴有雷鳴和閃光，這就是雷電的主放電階段，時間很短，一般為50μs～100μs。主放電階段過后，雷云中的剩余電荷沿主放電通道繼續(xù)流向大地，稱為放電的余輝階段，時間約為0.03s～0.15s，但電流較小，約幾百安。

雷電波具有很高的電壓幅值和電流幅值，前者難以測量，后者則可測得雷電流的幅值和增長速率（即雷電流陡度），這兩個參數(shù)是防雷設計的重要依據(jù)。圖1是在實驗中得到的雷電波的波形，從圖中可以看出雷電流從先導放電開始到最大值時間很短，一般約1μs～4μs，稱為波頭the；雷電流從最大幅值開始衰減，到幅值之半所經歷的時間tta稱為波尾，約需數(shù)十微秒。波頭和波尾的整體波形為雷電流波形，通?？捎眯苯遣^表示。雷電流（或雷電壓）波形是一種脈沖

圖2感應過電壓沖擊波的形成過程

（a）架空線上的束縛電荷(b)沖擊涌流波，所以常稱為沖擊波，它是有極性的。

雷電流陡度a=di/dt，是波頭部分的增長速度，單位為kA/μs。雷電流陡度越大，產生的過電壓（u=Ldi/dt）越大，對電氣設備絕緣的破壞性越嚴重。如何設法降低雷電流的陡度是防雷設計中的關鍵。

2.2雷電感應過電壓的形成

在架空線路附近發(fā)生對地雷擊時，架空導線上有可能感應出很高的電壓，其幅值可達300V～400V，對電氣絕緣的破壞性很大，必須設法加以防范。

在雷云放電的起始階段，雷電先導中有大量電荷向地面挺進，這些電荷形成的電場對架空導線發(fā)生靜電感應，于是導線上逐漸聚集起大量與雷云電荷異號的束縛電荷Q，見圖2(a）。由于架空導線與大地間形成電容C，所以導線對地的雷電感應電壓U可用下式表示

U=Q/C

在雷云放電的同時，架空導線上的束縛電荷因失去外界束縛力而變?yōu)樽杂呻姾桑ㄐ纬筛袘纂娏鳎?，在雷電感應電壓U的作用下以電磁波的傳播速度沿導線向兩側沖擊涌流，如圖2（b）所示，通常稱為感應沖擊波，這就是感應過電壓沖擊波的形成過程。感應過電壓沖擊波沿架空導線侵入設備后，對電氣設備的絕緣有很大破壞性。

感應過電壓的幅值與雷電流的幅值成正比、與雷擊地點到導線的垂直距離s成反比。若s≤65m，則導線上出現(xiàn)的過電壓可認為是直擊雷形成的過電壓。

圖3單支避雷針的保護范圍

2.3其它感應過電壓

對于通訊線路來講，感應過電壓不僅僅是雷電感應過電壓。當通訊線路與電力電纜敷設于同一電纜管道中，當電流流過電力電纜時，在電力電纜周圍就會產生一個電磁場，這一電磁場能在通訊線路中感應出干擾電壓，這個干擾電壓雖功率較低，但其持續(xù)時間實際上是無限的。特別是當電力電纜漏電時，對通訊電纜的危害將更大，因此在工程中應合理敷設電纜，盡量將不同類型的電纜管道分開。

從以上過電壓產生的原因可以看出，直擊雷過電壓對通信建筑、無線基站、無線系統(tǒng)的鐵塔、天饋線、發(fā)射機等高大建筑物和通信設備有較大的危害；而感應過電壓對交換機、配線架、遠端模塊、變壓器、開關電源、傳真機、電話機等構成危害。這就要求對不同的設備，不同的過電壓產生的原因，采取不同的防護措施。

3過電壓的防護

3.1雷電過電壓的防護

直擊雷的防護一般采用避雷針、避雷線、避雷網(wǎng)等來保護被保護對象。

（1）避雷針

避雷針是一種高出被保護物的金屬針，它的作用是將雷電吸引到金屬針上來并安全地導入大地，從而保護附近的被保護物免遭雷擊。當雷電先導通道向地面迅速發(fā)展而距避雷針頂部較近時，雷云中的電荷即被引向避雷針而導入地中。避雷針在結構上一般由接閃器、引下線及接地體3個主要部分組成。接閃器是避雷針頂部直接與雷云閃絡放電的部件，一般用1m～2m長的鍍鋅鋼管(直徑大于12mm)或鍍鋅圓鋼管(直徑大于20mm)做成，鍍鋅的目的在于防腐蝕和防銹；引下線采用經過防腐蝕處理的圓鋼（直徑大于8mm）或扁鋼(截面積大于12mm×4mm)，一般應沿支持構架或建筑物外墻以最短路徑下地，盡量減小雷電流在引下線上產生的電壓降；接地體是埋入地下土壤中的接地裝置，用來向大地泄放雷電流的。

圖4單支避雷線的保護范圍