通信系统过电压产生的原因与防护

摘要：叙述在通信系统中过电压产生的原因、雷电的形成、防护的措施以及各种防护器件。

关键词：过电压雷电防护器件

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

随着经济和科技的发展，人们对现代化的通信手段的依赖程度越来越强烈。现代通信正向大规模、高速度、网络化方向发展。这就要求通信设备和通信网络能够安全可靠的运行。但在日常工作中由于雷击和电磁感应等各种原因产生的过电压，时常破坏和干扰通讯系统及其附属设施（如交换机、远端模块、传真机、电话机、调制解调器、开关电源、机房空调等），造成财产损失、设备停用，严重时甚至威胁维护人员和用户的人身安全，给通信部门和用户带来巨大损失。因此，如何防止过电压的产生，减轻过电压造成的危害，一直是通信部门十分关注的问题。在具体的维护工作中，我们应针对不同的过电压产生的原因，采取相应的保护措施，以确保通信设备安全可靠的运行。

2过电压产生的原因

过电压的产生有多种原因，其中最常见的是静电放电、电磁感应等。

静电放电所产生的过电压中，最具代表性的是雷击过电压。电磁感应过电压包括雷电感应过电压和其它感应过电压等。

2.1雷击过电压的形成

密集于大地上空的带有大量正电荷或负电荷的云，称为雷云。当雷云中的电荷聚集量很大且具有较高的电场强度时，周围的正、负雷云之间或雷云与大地之间，可能发生强烈的放电现象，称之为雷电现象。

图1 实验中的雷电波波形

习惯上把大地的电位视为零，雷云的电位远高于大地的电位，由于静电感应而使大地感应出大量的与雷云电荷异号的电荷，两者类似于一个巨大的空间电容器。雷云中的电荷分布并不均匀，常常形成多处电荷聚集中心，当它的电场强度达到（25～30）kV/cm时，雷云就会开始向大地方向击穿空气，形成一个导电的空气通道，称为雷电先导。当雷电先导进展到离地面100m～300m时，地面上感应出来的异号电荷也在相对集中，尤其是向地面上较高的突出物上集中，于是形成了迎雷先导。迎雷先导和雷电先导在空中相互靠近，当两者接触时，正、负电荷强烈中和，出现极大的电流并伴有雷鸣和闪光，这就是雷电的主放电阶段，时间很短，一般为50μs～100μs。主放电阶段过后，雷云中的剩余电荷沿主放电通道继续流向大地，称为放电的余辉阶段，时间约为0.03s～0.15s，但电流较小，约几百安。

雷电波具有很高的电压幅值和电流幅值，前者难以测量，后者则可测得雷电流的幅值和增长速率（即雷电流陡度），这两个参数是防雷设计的重要依据。图1是在实验中得到的雷电波的波形，从图中可以看出雷电流从先导放电开始到最大值时间很短，一般约1μs～4μs，称为波头the；雷电流从最大幅值开始衰减，到幅值之半所经历的时间tta称为波尾，约需数十微秒。波头和波尾的整体波形为雷电流波形，通常可用斜角波头表示。雷电流（或雷电压）波形是一种脉冲

图2感应过电压冲击波的形成过程

（a）架空线上的束缚电荷(b)冲击涌流波，所以常称为冲击波，它是有极性的。

雷电流陡度a=di/dt，是波头部分的增长速度，单位为kA/μs。雷电流陡度越大，产生的过电压（u=Ldi/dt）越大，对电气设备绝缘的破坏性越严重。如何设法降低雷电流的陡度是防雷设计中的关键。

2.2雷电感应过电压的形成

在架空线路附近发生对地雷击时，架空导线上有可能感应出很高的电压，其幅值可达300V～400V，对电气绝缘的破坏性很大，必须设法加以防范。

在雷云放电的起始阶段，雷电先导中有大量电荷向地面挺进，这些电荷形成的电场对架空导线发生静电感应，于是导线上逐渐聚集起大量与雷云电荷异号的束缚电荷Q，见图2(a）。由于架空导线与大地间形成电容C，所以导线对地的雷电感应电压U可用下式表示

U=Q/C

在雷云放电的同时，架空导线上的束缚电荷因失去外界束缚力而变为自由电荷（形成感应雷电流），在雷电感应电压U的作用下以电磁波的传播速度沿导线向两侧冲击涌流，如图2（b）所示，通常称为感应冲击波，这就是感应过电压冲击波的形成过程。感应过电压冲击波沿架空导线侵入设备后，对电气设备的绝缘有很大破坏性。

感应过电压的幅值与雷电流的幅值成正比、与雷击地点到导线的垂直距离s成反比。若s≤65m，则导线上出现的过电压可认为是直击雷形成的过电压。

图3单支避雷针的保护范围

2.3其它感应过电压

对于通讯线路来讲，感应过电压不仅仅是雷电感应过电压。当通讯线路与电力电缆敷设于同一电缆管道中，当电流流过电力电缆时，在电力电缆周围就会产生一个电磁场，这一电磁场能在通讯线路中感应出干扰电压，这个干扰电压虽功率较低，但其持续时间实际上是无限的。特别是当电力电缆漏电时，对通讯电缆的危害将更大，因此在工程中应合理敷设电缆，尽量将不同类型的电缆管道分开。

从以上过电压产生的原因可以看出，直击雷过电压对通信建筑、无线基站、无线系统的铁塔、天馈线、发射机等高大建筑物和通信设备有较大的危害；而感应过电压对交换机、配线架、远端模块、变压器、开关电源、传真机、电话机等构成危害。这就要求对不同的设备，不同的过电压产生的原因，采取不同的防护措施。

3过电压的防护

3.1雷电过电压的防护

直击雷的防护一般采用避雷针、避雷线、避雷网等来保护被保护对象。

（1）避雷针

避雷针是一种高出被保护物的金属针，它的作用是将雷电吸引到金属针上来并安全地导入大地，从而保护附近的被保护物免遭雷击。当雷电先导通道向地面迅速发展而距避雷针顶部较近时，雷云中的电荷即被引向避雷针而导入地中。避雷针在结构上一般由接闪器、引下线及接地体3个主要部分组成。接闪器是避雷针顶部直接与雷云闪络放电的部件，一般用1m～2m长的镀锌钢管(直径大于12mm)或镀锌圆钢管(直径大于20mm)做成，镀锌的目的在于防腐蚀和防锈；引下线采用经过防腐蚀处理的圆钢（直径大于8mm）或扁钢(截面积大于12mm×4mm)，一般应沿支持构架或建筑物外墙以最短路径下地，尽量减小雷电流在引下线上产生的电压降；接地体是埋入地下土壤中的接地装置，用来向大地泄放雷电流的。

图4单支避雷线的保护范围