開關(guān)電源監(jiān)控系統(tǒng)的防雷措施

吳向陽，郭 明，趙廣超，馬向東

（河南洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471000）

0 引 言

通信設(shè)備中廣泛應(yīng)用了微電子技術(shù)、智能設(shè)備和計算機(jī)技術(shù)等，致使其過電壓、過電流防范措施要求越來越高，防雷保護(hù)也越來越重要。通信數(shù)據(jù)線路上雷電、強(qiáng)電、靜電以及操作引起的瞬間過壓造成的危害時常發(fā)生，必須采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，避免因過電壓產(chǎn)生過電流對通信設(shè)備、傳輸線路等造成危害[1]。通信機(jī)房及鐵塔安裝了避雷針、避雷帶或避雷網(wǎng)，采取聯(lián)合接地的方式，具備了良好的防雷和抗外界電磁干擾的性能。但是，通信設(shè)備有時還會遭受過壓、過流而損壞，還會威脅操作維護(hù)人員的人身安全。文章論述了雷電的產(chǎn)生和它的破壞作用，提出了電源監(jiān)控系統(tǒng)的防雷措施。

1 雷電產(chǎn)生及危害

1.1 雷電的產(chǎn)生

雷電形成需要多種復(fù)雜的條件，如地面濕度很大的氣體受熱上升，與冷空氣相遇形成積云，并在運(yùn)動中集聚了大量電荷等[2]。當(dāng)不同電荷的積云靠近時，或者帶電積云對大地因靜電感應(yīng)而產(chǎn)生異性電荷時，宇宙間將發(fā)生巨大的電脈沖放電而產(chǎn)生雷電。

1.2 雷電的種類及危害

（1）直擊雷。它是帶電的云層與大地上某一點(diǎn)之間迅猛的放電，峰值有幾十千伏，乃至幾十萬伏。

（2）雷電感應(yīng)，或稱“二次雷”。雖然它的危害沒有直擊雷大，但它發(fā)生的概率也很高。直擊雷可以在很大區(qū)域的多個小范圍內(nèi)同時發(fā)生雷電感應(yīng)，可以通過電力線、電話線、網(wǎng)絡(luò)線等金屬導(dǎo)線傳輸?shù)绞覂?nèi)，進(jìn)一步擴(kuò)大災(zāi)害。直擊雷放電電流瞬間高達(dá)幾百千安，其瞬間產(chǎn)生巨大的能量可導(dǎo)致電力停電和通信中斷，甚至危及人身安全。直擊雷雖然危害性很大，但因室內(nèi)設(shè)備或系統(tǒng)遭受直擊雷擊的概率和范圍較小，故直擊雷危害室內(nèi)安全的概率很小，危害更大的是直擊雷導(dǎo)致的雷電感應(yīng)。

雷電感應(yīng)通常有兩種表現(xiàn)形式[3]。第一種，靜電感應(yīng)。在室外電力線上空出現(xiàn)帶電云層時，由于靜電感應(yīng)，電力上會聚集大量正電荷。一旦云層發(fā)生放電，負(fù)電荷便會迅速釋放，此時導(dǎo)線上的大量正電荷依然存在，沿著導(dǎo)體流動尋找釋放通道，并以雷電波的形式沿著導(dǎo)線經(jīng)設(shè)備入地而損壞設(shè)備。第二種，電磁感應(yīng)。雷云由于它的頻率高、強(qiáng)度大，迅速變化的雷電流在其周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬變電磁場。放電時，附近導(dǎo)體上會產(chǎn)生感生電動勢，從而產(chǎn)生的感應(yīng)電壓可能擊穿與導(dǎo)體相連的設(shè)備。

通信設(shè)備因雷擊造成的故障，大部分是由于雷電電磁脈沖波從戶外傳輸線路侵入而造成的，如雷電直擊電力線路、傳輸線路，或者在距離電力線路、傳輸線路一定距離處有雷電閃擊。

通信設(shè)備的感應(yīng)雷入侵途徑如下[4]：

（1）雷雨天氣時，接地電阻上引起暫態(tài)電壓降；

（2）雷電擊中建筑物外部，在建筑物內(nèi)部感應(yīng)出過電壓；

（3）雷電擊中遠(yuǎn)處電源架空線纜引起過電壓；

（4）雷電擊中遠(yuǎn)處地面，地下通信電纜地電位上升或感應(yīng)引起過電壓。

2 電源監(jiān)控系統(tǒng)的防雷措施

2.1 電源監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

電源監(jiān)控線路分為電源線和信號線。系統(tǒng)采用機(jī)房和監(jiān)控主機(jī)分開，即中心機(jī)房和通信局（站）分別位于不同地域。

系統(tǒng)采用逐級匯接、自上而下的結(jié)構(gòu)[5]，包括監(jiān)控中心（Supervision Center，SC）、監(jiān)控站（Supervision Station，SS）、監(jiān)控單元（Supervision Unit，SU）和監(jiān)控模塊（Supervision Module，SM）。系統(tǒng)組網(wǎng)方式如圖1所示。

圖1 電源監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方式

2.2 電源監(jiān)控系統(tǒng)的防雷保護(hù)措施

（1）機(jī)房之間的信號線防雷。在機(jī)房之間的信號線、輔助電源線均應(yīng)在入口處配置相應(yīng)的浪涌保護(hù)器件（SPD），并可靠接地。在各個機(jī)房的入口處設(shè)置防雷箱，箱內(nèi)安裝1個RS-485防雷器和1個輔助電源防雷器，并根據(jù)智能設(shè)備數(shù)量安裝RS-232防雷器，同時使防雷箱與防雷地連接。

（2）交流市電采樣防雷。監(jiān)控系統(tǒng)需采集低壓配電盤交流市電的電量。交流供電線路除容易受感應(yīng)雷擊外，還易受操作過電壓影響，因此須在交流變送器前加一個SPD。低壓室的信號線在進(jìn)入監(jiān)控主機(jī)所在機(jī)房時也應(yīng)設(shè)置SPD。

（3）三相交流電源采樣端防雷。三相交流電壓采用多功能交流變送器采樣，為保護(hù)多功能變送器和監(jiān)控設(shè)備，必須在多功能交流變送器的入端加裝三相電源防雷器，在多功能交流變送器的輸出端加裝適用于RS-485接口的信號防雷器。

（4）智能設(shè)備防雷。智能設(shè)備一般由RS-232通信接口與監(jiān)控主機(jī)的多串口卡相連接。在監(jiān)控設(shè)備的通信接口兩端，加裝一個適用于RS-232的信號防雷器。

（5）RS-485防雷。從監(jiān)控主機(jī)起，RS-485總線每超過20 m配置一個防雷器，并將其靠近接地端子安裝，使接地線長度小于1 m，接地線可用2.5 mm2的黃綠線。

整個通信機(jī)房中建有地網(wǎng)，機(jī)房大樓的主鋼筋與頂層的閃接器連通，下端與地網(wǎng)連接，建筑物中的各種金屬管線實施均壓等電位連接，對具有特殊要求的各種不同的地線進(jìn)行等電位處理，形成一個法拉第籠式接地系統(tǒng)[6]。經(jīng)過測試，接地電阻小于1 Ω，完全符合避雷標(biāo)準(zhǔn)。但是，每次雷擊時室內(nèi)計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)仍然會受到侵害。究其原因，在于弱電系統(tǒng)處于室內(nèi)，其受到的雷電干擾顯然不是直擊雷而是感應(yīng)雷造成的，其由于地網(wǎng)電壓瞬間升高而導(dǎo)致雷電壓反擊。一般情況下，最容易引入雷電的是電源系統(tǒng)，因為它的內(nèi)阻極低，而電源系統(tǒng)又承擔(dān)對各種通信設(shè)備供電的工作，通信機(jī)房的電源監(jiān)控系統(tǒng)的信號線和電源線路分布在一起，因此形成了二次雷電感應(yīng)，從而導(dǎo)致弱電設(shè)備受損。

針對上述問題提出以下解決方案。

（1）電源線防雷。根據(jù)電源防雷的三級防護(hù)原則，在電源線路原有浪涌擬制器的基礎(chǔ)上增加電源防雷器，防止雷電通過電源線路對計算機(jī)造成破壞。

（2）信號線防雷。機(jī)房監(jiān)控部分采用信號線連接，信號線防雷包括三個方面。一是信號線和電源線分開布線并加套金屬屏蔽管，金屬屏蔽管盡可能多點(diǎn)接地；二是信號線采用帶有屏蔽的線纜；三是信號線接口使用抗雷擊能力強(qiáng)的接頭。

為提高端口的抗雷擊能力，可以將RS-232接口串接到RS-232至RS-485的轉(zhuǎn)換器。由于多了一層轉(zhuǎn)換隔離，因此提高了抗雷擊能力。此外，可以在RS-232接口的兩端加上信號防雷器，對通信接口進(jìn)行多重保護(hù)。信號防雷器可以泄放侵入信號線路上的雷電脈沖，防止雷電波的侵入，保護(hù)電源監(jiān)控系統(tǒng)。

（3）等電位連接。本系統(tǒng)防雷中，采用等電位連接的目的是減小防雷空間內(nèi)各金屬部件和各系統(tǒng)之間的等電位差，防止雷電反擊。機(jī)房內(nèi)的電源線和監(jiān)控的信號線通過過壓保護(hù)器進(jìn)行等電位鏈接，機(jī)柜和設(shè)備的金屬外殼、電源線、信號線的屏蔽體、金屬管線與接地系統(tǒng)進(jìn)行等電位連接，使雷電流迅速泄流入大地，防止感應(yīng)雷通過這些金屬導(dǎo)體破壞設(shè)備。

3 結(jié) 論

雷電作為一種自然現(xiàn)象，人們對它的認(rèn)識和防范也在不斷提高。在通信設(shè)備的防雷工作中，電源監(jiān)控系統(tǒng)的防雷已經(jīng)成為一項重要工作，需不斷總結(jié)完善防雷措施，努力做到防微杜漸、未雨綢繆，減少其造成的通信設(shè)備停機(jī)故障隱患，提高通信設(shè)備的保障能力。