浅谈抑制雷电浪涌电压和电流的技术措施

马兴

由于雷电对无线通信系统造成危害的主要原因是浪涌电压和电流，因此对其抑制措施也就应根据电路理论中电压、电流遵守的基本规律来解决。

1、直击雷防护技术

直击雷的产生机理是带电雷云和大地之间产生的静电感应及大量异种点荷的急剧中和。根据这一特点，对其有效防护就可采用200年前富兰克林发明的避雷针，也叫接闪器（把避雷针及其变形产品避雷线、避雷带、避雷网等统称为接闪器）。其基本原理是：静电荷在曲率大的物体上的分布大于在曲率小的物体上的分布。也就是前面讲到的大地上的感应电荷容易集中到高出地面的突出物体上。这样通过安装高出地面一定高度的接闪器在其强电场作用下，就容易把雷云吸引到其周围，变地面或屋面上大量电荷和雷云中大量电荷的集中短时中和为相对长时中和，这就有效的避免了由于大量电荷的集中短时中和而产生的弧光和响声，也保证了雷云中的电荷通过接闪器流入大地。

2.感应雷防护技术

由于感应雷是因直击雷放电而在其附近的金属导体上通过电磁感应产生的。感应雷一般可通过两种不同的感应方式侵入导体，一是静电感应：在雷云中的电荷积聚时，附近的导体也会感应上相反的电荷，当雷云对地放电时，雷云中的电荷迅速释放，导体中原来被雷云电场束缚住的静电荷失去雷云对其束缚作用，就会沿导体流动寻找释放通道，这样就在电路中形成电流脉冲；二是电磁感应：在雷云放电时，迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场，位于其附近的导体中就会产生很高的感生电动势和感应电流。实验研究表明：

①由静电感应方式引起的浪涌电流数倍于电磁感应引起的浪涌电流。

②感应雷（浪涌电流）可以通过电力电缆、通信电缆、光纤和天馈线侵入通信设备，而且由于电力电缆的距离长且对雷电波的传输损耗小，所以由电源线侵入的感应雷造成的危害十分突出，据统计约占了通信设施雷击事故的80%。因此，对通信台站进行感应雷防护时，电源应作为重点。

③感应雷还可以通过空间感应侵入通信台站的内部线路，虽然经过建筑物和机壳的屏蔽衰减后其变化电磁场携带能量大为减小，相应在设备线路上造成的感应电压、电流数值也减少了，但由于目前使用的以集成电路为核心元件的设备的抗过压能力很弱，所以对此防护不力也可能造成设备故障。

④感应雷的防护技术措施：

对感应雷根据其形成机理和侵入通信系统方式，宜从以下几方面采取措施来防护：

a.对电源防护：信息产业部发布了专门的通信电源防雷标准，对各种通信站的电源防雷提出了具体要求，主要是两条：一是电力电缆应有金属屏蔽层，且必须以地埋形式进出通信机房。二是在电源上逐级加装电源避雷器，实现多级防护。即在变压器的高压端加装高压避雷器，低压侧加装低压避雷器，在交流配电室和直流配电室分别加装交、直流避雷器。同时还应对进出通信站的其它电力线如照明路灯线、塔灯电力线、非通信设施租用通信电力线等加装避雷器。还要重视避雷器的安装方式，尽可能缩短电力线与避雷器的连线和避雷器与接地汇接板连线的长度，减小引线电感产生的额外残压。 在安装？多级避雷器时，要保证避雷器由前到后顺序泄放，使后级避雷器的动作速度不低于前级，避雷器之间的电力电缆长度不小于15米。

b.传输线防护：传输线主要指的是进出机房的用户线和中继线，光纤和天馈线。目前对低频用户线和中继线采用避雷器基本有效。对光纤的防雷主要是针对其金属护皮和金属芯线，在光纤通过埋地进机房时就把金属护皮和金属芯线连接在机房外的接地汇接排上，而不能接在机房内的设备机架上。天馈线防雷主要是针对同轴电缆，接地的波导管本身就有良好的防雷作用不需再加避雷器。同轴电缆天馈线应加装相应的高频避雷器，避雷器的地线应就近与机房的接地汇接排相连。天馈线的顶端通过铁塔接地，在入机房处，接到机房外的接地汇接排上。如果天馈线较长，在其中间每隔25米与走线架或铁塔相连在一起。

c. 联合地网：通信机房、变电房、铁塔的接地极应连接在一起，组成联合地网，即为通信台站内所有设备共用的接地装置。如果是框架结构的机房，建筑物的基础钢筋就是很好的环型接地网，应充分利用。对接地网的接地电阻部颁标准已对不同类型的通信系统作了具体规定，其阻值为1～ 20欧。对这一数值规定，从防雷技术的角度看，要求已不那么严格，而是强调接地系统的布置，这在《建筑物防雷设计规范》（GB50057—94）中已有体现。关于接地技术，早期的通信台站建设中往往采用分离地网，要求交流地、直流地、保护地、数据地、防雷地等都采用单独的接地装置。其目的是想避免各系统的干扰通过地网耦合，但现在认为联合地网更经济有效。这是因为分离地网要求的条件太苛刻，地网须相距20米以上才认为实现了分离，而现代通信站需要五、六个这样的独立地网，在寸土寸金的年代很难办到。另外，从技术角度看，分离地网在泄放雷电流时因接地线和接地电阻的大小差异，各接地系统还会产生电位差，这反而危害相互连接着的通信设备。联合地网通过合理的布置接地线可以实现通信设备间的等电位。

d. 设备接地：通信台站内所有设备的金属外壳都应接地，金属走线架、水管等金属物也必须接地。台站内金属物良好的接地不但是用电安全的要求，也是屏蔽雷电感应、均衡设备电位的重要措施。接地有单点接地、多点接地和混合接地三种方式。从抗干扰的角度讲，低频通信设备宜用单点接地，高频通信宜用多点接地，高、低频混合通信设备宜采用混合接地，像发射机就属高低频混合接地。但目前部颁标准统一规定各种通信台站都用单点接地方式，接地线的要求是粗、短、直，还要兼顾到泄放设备短路电流和泄放雷电流的能力。设备短路电流由电源电压和接地阻抗决定，部颁标准推荐使用35-95平方毫米的多股铜线。而泄放雷电流只需大于16平方毫米的铜线即可。

e. 接地汇集线的布置要求：接地汇集线（也叫汇流排）应布置在靠近避雷器的地方，以使避雷器的接地连接线最短，各楼层的分汇集线应直接与机房外的总汇集线相连，这样才能保证实现整个系统接地的单点接地方式。当机房楼层高于30米时，高于30米部分的分汇集线应与建筑物均压环相连，以防止侧击。对于接地汇集线，采用多重互连防雷效果更好，宜在通信机房积极采用。

通过以上分析，可以清楚地看到，当无线通信系统严格按照部颁规范设计施工时，对雷电的防护作用非常有效，但由于现代通信系统中，各子系统一般是采用独立接地方式，且各子系统的接地电阻数值也不完全相同，这样在遇雷电产生的浪涌电压时，即使在很小的接地电阻上也会形成很大的电压降，导致各子系统从形式上看似处于等电位，实质各接地点具有很大的电位差，这样就容易对接地点处于低电位的子系统造成“低电位反击”现象。造成设备对地绝缘击穿和人员触电事故。采用避雷器，就是利用低阻值导线，把各子系统接地点通过避雷器互联在一起，这样在雷电产生的大浪涌电压到来时，通过避雷器中的微电子电路的控制作用，也叫 “箝位”功能，强制性把各子系统接地点电位统一到同一数值；采用瞬间分流技术，是把设备的电源端口，信号端口通过避雷器和进机房的电源线、信号线串接在一起，在雷电产生的浪涌大电流进入机房入口时，通过避雷器中的微电子电路的控制作用，迅速将大浪涌电流导入大地，浪涌大电流过去后又恢复系统的正常工作状态。从而达到弥补现代通信系统中各子系统采用独立接地带来的雷电安全隐患，达到保护人身安全和设备安全目的。

总之，随着电子技术的飞速发展，通信设备种类日益繁多，保护通信设备安全也随之提到一个很重要的高度。就目前防雷电灾害技术还处于发展阶段，特别是防浪涌大电流和高电压的瞬间分流和等电位理论还主要停留在定性上，作定量分析的工作還需在实践中不断地进行探索和研究。