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防雷与接地（上） 摘要：文中对雷电的发生及危害，尤其对通信电源设备的危害进行了分析，怎样防护进行了论述。同时介绍了接地系统的分类、技术要求与建造方法等。 主题词：通信电源 雷电防护 避雷器 接地 接地装置 1、引言
随着通信事业的迅速发展，电子器件等高新技术产品被广泛的应用。例如：程控交换机、数字通信设备、微机管理设备等。通信方式越来越先进，通信功能越来越完备。然而，这些先进的电子设备承受瞬间过电压的能力却非常低。这就要求我们增加预防雷电和感应电压对设备的损毁意识。
另外，有数据统计显示，有85％以上的雷电和感应过电压对通信设备损坏是通过供电系统侵入的。因此，也是应重点防护的。
2、雷电的形成与危害
2.1 雷电的形成
雷电的形成是由于空中运动的云层（团）受到高能射线或高空电离层带电粒子的作用逐渐积累了大量电荷，当带有正负电荷的云层（团）靠近时，或带电云层（团）接近地面时通过潮湿的空气都会发生巨大能量的电脉冲放电，同时发生强烈的闪光伴巨响，这就是雷。
雷云放电，有时是在云团与云团之间，云层与云层之间进行；有时是在雷云与大地之间发生，并常通过地面物体对大地放电，这就是落地雷。第一种雷多是线状雷，即放电痕迹呈现线状或线形树枝状。后一种常出现带形雷、链形雷或球形雷。
雷电的形成，常与当地地形、大气气流、温湿度和地球纬度有关。一般山区比平原多；沿海比腹地多；温湿度高比温湿度低地区多；低纬度比高纬度地区多。
但是,雷电发生较少的地区和季节往往由于其电核积聚时间长,运动速度快、路程远，积累的能量强。当其形成雷雨过程时，将通过地面物体对大地以强大电流放电。
我省发生的几次通信局（站）遭严重雷击事故均在秋高气爽的干燥季节。
2.2 雷电的种类
雷云放电时,具有放电时间短(µS级)、放电电流极大（几十至几百kA）、感应电压极高（可达几十kV）等特点。
雷电的种类主要有以下几种：直接雷、感应雷和雷电波。
a. 直接雷(或称直击雷):雷云放电直接通过建筑物或地面设备,强大的雷电流经过这些物体入地,在瞬间产生很大的机械振动力和高温高热使物体遭到破坏。当雷电流通过物体时，必然有电阻或电感存在，所以就产生很大的电压降和感应电压，使绝缘破坏、产生火花、引起燃烧、爆炸等。
b. 感应雷：是在雷击发生附近电磁感应的结果，可分为静电感应和电磁感应两种。
静电感应是由于云层中电荷的感应使建筑物顶部积聚起极性相反的电荷，当电场强度达到一定程度时（25～30kV/cm²）,就会放电,放电过程开始后,放电通路中的电荷迅速中和,但建筑物顶部极性相反的电荷却来不及流散入地,因而形成很高的电位,故易将顶部损坏,在内部将金属设备烧损或引起火灾。
电磁感应是当雷电流通过金属导体入地时，形成了一个迅速变化的强磁场，使处于附近的输电线路或电器设备产生感应过电压，将线路或设备的绝缘击穿，导致供电中断或设备损坏。
c.雷电波：雷云放电时会产生一股冲击波，这种冲击波常沿着架空线缆或管道传播，
对设备造成冲击破坏作用。
2.3雷电对通信电源及其供电设备的危害
雷电对通信电源及其供电设备造成的危害大部分是感应雷产生的过电压和地电位升高反击通信电源及其用电设备。
据资料显示，当某处供电线路的雷击电流为80kA时，该处线路上的瞬间感应电压可达25kV。如果某通信局（站）距离落雷处不是很远，那么，如此高的感应过电压即使经过线路衰减也仍然具有相当的强度，从而击穿电源设备绝缘，损坏电源及其供电设备，造成供电异常或中断、损坏其供电的通信设备等严重故障。此外，由于现在通信局（站）接地系统大多采用联合接地方式，这样雷电流经接地装置入地时，地电位将瞬间升高。假设某局（站）联合接地系统接地电阻值为1Ω，雷电流瞬间最大值为20kA，那么地电位就升高20kV。试想，如此高的地电位会怎样反击通信电源及其供电的通信设备！
3.雷电的防护与常用防雷器件
引雷入地是雷电防护最基本的措施。另外还有等电位法和雷云驱散法。等电位法是在构筑建筑物时将所有导电物体（如钢筋、金属管道、金属门窗等）均用导体联接成一体，使其感应任何电场时均无电位差，建筑体也就不会遭雷击。雷云驱散法是笔者听到有的西方国家用导弹将雷云驱散以防止雷击。
3.1通信电源设备的雷电防护
三级防雷是通信电源设备必要的防护措施。由于通信局（站）的建筑物及机房内的电源设备及其他通信设备遭受直击雷或感应雷破坏的程度不同，所以对局（站）内的通信系统，应按雷击电磁场及电压、电流冲击波在通信系统各个交界处具有不同的强度分别采用相应的措施进行分级保护，这样才能使雷击的损失减少到最低程度。
如果将整个通信局（站）做为一个防雷的被保护整体（包括建筑物），一般是按建筑物整体、出入局（站）的电力电缆、机房内通信电源的交流配电设备及整流器的先后顺序将局（站）的通信电源系统划分为四级防雷保护区。第Ⅰ级防雷保护设施主要包括通信局（站）建设物顶端的避雷针、避雷网、建筑物墙内的钢框架及钢筋互连结构，局（站）内每层楼的接地汇集线，贯穿整个局（站）楼接地总汇集线，接地引入线及接地网等如图1所示的联合接地方式。
第Ⅰ级防雷保护设施主要是与通信局（站）的主体建筑一同设计并且要求一同施工完成。第Ⅰ级防雷保护设施主要是用来防止直击雷对通信局（站）主体建筑造成破坏。直击雷一旦与避雷针或避雷网发生雷击放电时，雷击浪涌电流将经过建筑物内的钢框架及钢筋互连结构流入接地引入线，最后经接地网泻放回大地。在雷击电流经过的导电体周围将产生很强的电磁场。
第Ⅱ级防雷保护主要对非直接的感应雷的防护措施，在第Ⅱ级防雷保护区内的设备由于感应雷击的电磁耦合将会感应出的浪涌电压，由于处在此保护区内的通信设备装有防雷过压保护装置，所以雷击感应的浪涌电压经过防雷过压保护装置以脉冲电流的形势释放掉，这个脉冲电流的波形一般为8/20μS。最大峰値电流不会超过20kA。通信局（站）入局的电力电缆，规定埋设于地下进入局内，其金属铠装护套应就近接地，电缆的芯线对保护地加装避雷器。如图2所示。此防雷保护对于上述直击雷保护系统来说可算是第Ⅱ级防雷保护。但对于通信电源设备来说则是第Ⅰ级防雷保护（该避雷器有时装在入局的交流配电屏内）。
通信电源的第Ⅱ级防雷保护一般装在高频开关整流器的交流配电屏内。由于前面防雷保护的衰减，到达开关电源交流配电屏输入端的浪涌电压将被限制在4kV以下。因此开关电源交流配电屏输入端承受的雷击浪涌电压及浪涌电流都会明显减小，这一级的防雷保护器的通流量一般在15kA以下，残压在1.3kV-1.5kV,就可以对电源设备进行有效的保护。
通信电源的第Ⅲ级防雷保护一般在高频开关整流器整流模块的输入电路并联金属氧化锌压敏电阻，把尖峰电压的能量吸收掉，从而使整流模块得到保护。如图3所示。
3.2常用防雷器件
a.避雷针 由接闪器、引下线和接地体三部分组成。
b.避雷线 由悬挂在空中的接地导线、支持物和接地引下线组成。
c.避雷带和避雷网 普遍用来保护高层建筑免遭直击雷和感应雷的作用。
d.避雷器 用来防护变、配电所及其它建筑物内的设备免遭感应雷的作用。
3.3电源常用防雷器及技术参数
a. 阀式避雷器 ：又称阀型避雷器，由火花间隙和阀片组成，装在密封的瓷套管内。火花间隙用铜片冲制而成，每对间隙用云母垫圈隔开。正常情况下，火花间隙阻止线路上工频电流流过，但在雷电过电压作用下，火花间隙被击穿放电。阀片是用陶料粘固起来的电工用金刚砂（碳化硅）颗粒组成的。这种阀片具有非线性特性，正常电压时，阀片电阻很大；过电压时，阀片电阻变得很小。因此阀型避雷器在线路上出现过电压时，其火花间隙击穿，阀片能使雷电流顺畅地向大地泄放。当过电压一消失，线路上恢复工频电压时，阀片又呈现很大的电阻，使火花间隙的绝缘迅速恢复而切断工频续流，从而保护线路恢复正常运行。
必须注意：雷电流流过阀片电阻要产生电压降，这就是残余的过电压，称为残压。这个残压要加在被保护的设备上，如超过设备绝缘允许的耐压值，设备绝缘仍要被击穿。
b.排气式避雷器 ：通称管型避雷器，由产气管、内部间隙和外部间隙等三部分组成。产气管由纤维、有机玻璃或塑料制成。内部间隙装在产气管内，一个电极为棒形，另一个电极为环形。
当线路上遭到雷击或感应雷时，过电压使排气式避雷器的外部间隙和内部间隙被击穿，强大的雷电流通过接地装置入地。但是，随之通过避雷器的是供电系统的工频续流，其值也很大。雷电流和工频续流在管子内部间隙发生强烈电弧，使管子内温度急剧升高，产生大量灭弧气体。由于管子容积很小，这些气体的压力很大，因而从管口喷出，强烈吹弧，在电流第一次过零时电弧既可熄灭，全部灭弧时间至多0.01s。这时外部间隙的空气恢复了绝缘，使避雷器于系统隔离，恢复系统的正常运行。
排气式避雷器具有残压低的突出优点，且简单经济，但动作时有气体排出，因此只用于室外供电线路上。
c.金属氧化物避雷器 ：又称压敏避雷器，这是一种没有放电间隙只有压敏电阻片的新型避雷器。压敏电阻片是由氧化锌或氧化铋等金属氧化物烧结而成的多晶半导体陶瓷元件，具有理想的阀阻特性。在工频电压下，它呈现极大的电阻，能迅速有效地抑制工频续流；而在过电压下，其电阻又变得很小，能很好地泄放雷电流。
压敏避雷器的几项技术参数：
① 压敏电压（U1mA）
当温度为20℃,湿度为65%条件下，在压敏电阻上有1mA直流电流流过的时候，加在压敏电阻上的电压称压敏电压。另外还有一个连续工作电压Uc，一般压敏电压
U1mA=1.1x√2— Uc
② 漏电流
在压敏电阻的两端施加0.8倍的压敏电压，测其回路电流，一般不得大于30µA.太大则说明其内部电容值较大，不应采用。另外，漏电流必须稳定，不允许工作一段时间后自动升高。
③ 残压
对压敏电阻施加8/20µs模拟雷电冲击电流后，测其两端电压，不同的冲击电流值对应相应的残压。残压与压敏电压成正比例关系，压敏电压越高，则对应于相同的冲击电流时，残压越高。
④ 通流容量
简称通流量，指对应于模拟雷电冲击电流（8/20µs波形），其额定的模拟雷电流通过的能力。例如某避雷器额定通流量为20kA，则能通过20kA的冲击电流。
⑤ 响应时间
响应时间是指避雷器两端加上冲击电压到阀片完全导通所用的时间。对于压敏电阻一般响应时间应≤50ns,对于同一电压等级的避雷器，用相同冲击电流，响应时间越短，残压越低。
以上是通信电源常用避雷器的几项重要的技术参数，会经常用到。
（下编 待续）
参 考 文 献
1.《实用电工技术问答1000题》 内蒙古人民出版社 1980
2．李 崇 建 《通信电源技术标准及测量》 北京邮电大学出版社 2002
3．王 云 《通信电源的雷电防护》 电信学习报 2002 第28期
4．侯 振 义 《避雷器及其装置》 《UPS应用》 2002 总 第15期
5.C.C.I.T.T HANDBOOK ON EARTHING OF TELECOMMUNICATION INSTALLATIONS Third draft
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IP卡
狗仔卡
发表于 2005-5-19 17:26:00
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