通信電源及其電子設(shè)備的防雷技術(shù)研究

陳若男，李 智，王福安，馮妍妍

（國(guó)家電網(wǎng)鄭州供電公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，多個(gè)行業(yè)開始對(duì)電子信息技術(shù)和電子設(shè)備加以利用，有效提升了工作效率，然而電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有特殊性，受到弱電設(shè)備的干擾情況較多，加之耐電壓水平偏低，因此容易受到雷電感應(yīng)的影響，甚至導(dǎo)致電子設(shè)備受到破壞。如今諸多電氣設(shè)備的利用及室外電線常年暴露等問題容易加大雷擊發(fā)生概率，嚴(yán)重威脅人們生命和財(cái)產(chǎn)安全，所以顯示器需要積極探索防雷技術(shù)的利用，以下對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析。

1 雷電對(duì)通信電源和電子設(shè)備的影響

雷電產(chǎn)生大量電能與物體直接接觸后會(huì)導(dǎo)致物體產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬間電流并轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而對(duì)物體造成嚴(yán)重破壞。由于電源通常采取交流電網(wǎng)供電方法，因此更容易受到破壞。通常來(lái)講，通信電源具有良好的耐過(guò)壓能力，當(dāng)瞬間電壓超出3 000 V必須安裝避雷器，如果未超過(guò)該范圍，那么電源自身可以承受電流，確保設(shè)備處于安全使用狀態(tài)[1]。

雷電發(fā)生后會(huì)影響電磁脈沖雷場(chǎng)附近線路，可能出現(xiàn)瞬態(tài)浪涌高電壓，然后通過(guò)電子設(shè)備中的電力傳輸線、天線饋線以及信號(hào)線等連接電路到達(dá)電子設(shè)備內(nèi)部，進(jìn)而破壞電子設(shè)備，通過(guò)接閃器雷電能量會(huì)傳輸?shù)酱蟮?。由于雷電產(chǎn)生的電流較大，會(huì)導(dǎo)致接閃器引下線及地面產(chǎn)生大量電壓，并在電流周邊形成變化磁場(chǎng)，之后磁場(chǎng)內(nèi)部的導(dǎo)體感應(yīng)產(chǎn)生大量電動(dòng)勢(shì)，一旦防雷裝置與電子設(shè)備絕緣距離不足或者接地不良將會(huì)導(dǎo)致反擊發(fā)電，進(jìn)而破壞電子設(shè)備。

2 雷電防護(hù)的基本原則

2.1 系統(tǒng)防護(hù)原則

對(duì)于通信設(shè)備的防雷來(lái)說(shuō)是一個(gè)系統(tǒng)工程，涵蓋外部防雷系統(tǒng)及內(nèi)部防雷系統(tǒng)，二者為有機(jī)統(tǒng)一整體。其中，外部防雷的主要作用是防直擊雷，組成部分包括引下線、接閃器以及接地裝置。對(duì)于內(nèi)部防雷來(lái)說(shuō)，主要組成部分包括防反擊、防雷電感應(yīng)、防雷電波侵入，其主要價(jià)值在于外部防雷系統(tǒng)之外的附加措施。通過(guò)以上方法可以降低雷電流，在防雷空間內(nèi)產(chǎn)生的電磁效應(yīng)起到避免雷電破壞機(jī)房電氣設(shè)備或者電子設(shè)備的作用，而外部房地系統(tǒng)無(wú)法保證該效果。整體雷電防護(hù)原則如下，需要將多數(shù)雷電流經(jīng)過(guò)避雷針傳輸?shù)降叵?，達(dá)到泄流效果，之后阻塞沿著電源線或者數(shù)據(jù)線信號(hào)線傳入電壓波，最后導(dǎo)致被保護(hù)設(shè)備上的浪涌過(guò)壓幅值受到限制[2,3]。

2.2 概率防護(hù)原則

一方面，雷電放電具有隨機(jī)性特點(diǎn)。雷電參數(shù)自身具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，所以在具有統(tǒng)計(jì)特征的雷電參數(shù)基礎(chǔ)上采取的防護(hù)措施不能達(dá)到100%保護(hù)的效果，如直擊雷的繞擊特性、雷電流幅值、波形。另一方面，防雷器件不能有效消除全部干擾電壓或者電流，采取保護(hù)措施的主要是由于干擾導(dǎo)致的大部分能量不會(huì)擴(kuò)散到裝置易損部位，不會(huì)對(duì)工作人員造成威脅。此外，防雷裝置不能對(duì)雷閃的形成產(chǎn)生阻止作用。

2.3 多級(jí)防護(hù)原則

根據(jù)防雷器的劃分原則制定多級(jí)防護(hù)原則，主要用于電力系統(tǒng)防雷，效果較好。具體說(shuō)來(lái)，從0級(jí)保護(hù)區(qū)到較內(nèi)層保護(hù)區(qū)需要采取分級(jí)保護(hù)方法，電源系統(tǒng)可分為I～I(xiàn)V級(jí)保護(hù)，可以將過(guò)電壓降至設(shè)備能承受的水平。信息系統(tǒng)主要分為粗保護(hù)和精細(xì)保護(hù)，其中精細(xì)保護(hù)選擇要根據(jù)電子設(shè)備的敏感度，而粗保護(hù)量級(jí)主要根據(jù)所屬保護(hù)區(qū)的級(jí)別而定[4]。

3 通信電源防雷技術(shù)的保護(hù)

3.1 一級(jí)防雷技術(shù)保護(hù)

采用一級(jí)防雷保護(hù)措施主要是避免雷電擊中架空線路或者電流隨著架空線路繼續(xù)破壞室內(nèi)裝備，一般為了降低雷電電流需要利用25 kA標(biāo)秤電線，以此吸收從架空線路前端進(jìn)入的雷電高壓脈沖，進(jìn)而避免通信設(shè)備產(chǎn)生瞬間高壓脈沖破壞整個(gè)配電系統(tǒng)。一級(jí)保護(hù)是防雷系統(tǒng)中的總保護(hù)，可以確保通信配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，最大程度降低受到雷電攻擊的可能[5]。

3.2 二級(jí)防雷技術(shù)保護(hù)

針對(duì)配電系統(tǒng)內(nèi)部采取二級(jí)防雷措施，主要是利用一臺(tái)三相電源防雷器，將其安裝到配電系統(tǒng)電源柜內(nèi)部，然后使用20 kA標(biāo)成電線吸收配電箱的出現(xiàn)的高壓脈沖，雷電脈沖感應(yīng)內(nèi)部過(guò)高電壓，以此確保配電系統(tǒng)設(shè)備安全運(yùn)行。

3.3 三級(jí)防雷技術(shù)保護(hù)

該技術(shù)主要針對(duì)直流電源系統(tǒng)，可以將直流電源防雷器安裝到直流電源柜中，之后利用10 kA標(biāo)秤電線吸收雷電電壓脈沖，產(chǎn)生瞬間高壓脈沖能夠降低分配電前端電流經(jīng)過(guò)時(shí)的電壓強(qiáng)度，使分配系統(tǒng)不超過(guò)安全電壓[6]。

4 如何在通信系統(tǒng)中利用防雷技術(shù)

4.1 電源系統(tǒng)的防雷

有研究發(fā)現(xiàn)，電子設(shè)備受到的雷擊中80%在于雷電波入侵電源，由此凸顯出電源線路的防雷作用。一般以電源防雷器作為電源線路的防雷裝置，不同性質(zhì)的電源防雷器的作用不同，主要性能指標(biāo)包括通流容量、鉗位電壓以及響應(yīng)時(shí)間。電源防雷器工作原理就是在電子設(shè)備遭雷擊的過(guò)程中將瞬間雷電波鉗放置到安全電壓表上，之后采取分級(jí)防護(hù)的方法，在配電線路上設(shè)置二級(jí)至三級(jí)電源防雷器，使得電流不超過(guò)10 kA，由此避免通信電源被破壞，達(dá)到保護(hù)電子設(shè)備的作用。

4.2 光纖的防雷

進(jìn)入機(jī)房的光纜將光纜金屬加強(qiáng)筋，在機(jī)房?jī)?nèi)部可靠連接到機(jī)房保護(hù)接地排上，光纖在外部暴露空間架空走線，所以光線內(nèi)部的基礎(chǔ)加強(qiáng)筋能夠感應(yīng)高強(qiáng)度雷擊過(guò)電壓。如果未能對(duì)加強(qiáng)筋進(jìn)行接地處理，那么可能會(huì)在雷擊過(guò)程中絕緣擊穿接地物體，并瞬間產(chǎn)生高溫，甚至?xí)诨饫w[7]。

4.3 天饋和信號(hào)的防雷

為了達(dá)到信號(hào)或者信息傳遞目標(biāo)，通信系統(tǒng)必須和外界的線路連接，其中包括電話線及天饋線。這些從外部接收的信號(hào)或者發(fā)射信號(hào)接口都有受到雷電浪涌沖擊的可能，需要安裝防雷器進(jìn)而泄放感應(yīng)雷電流設(shè)計(jì)等電位，其中包括通信信號(hào)電路、天饋電路以及控制信號(hào)電路，并且信號(hào)的兩側(cè)都需要安裝天饋防雷器和信號(hào)防雷器。

4.4 接地電阻

設(shè)備接地的路徑如下，從設(shè)備接地線觸發(fā)依次連接接地、排接地總線，之后與引入線接地體連接，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接大地。從防雷角度講，不管是機(jī)房接地還是設(shè)備內(nèi)部接地，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)都需要保證等電位連接效果[8]。

5 電子設(shè)備防雷措施

5.1 精密儀器分級(jí)保護(hù)

一方面是根據(jù)國(guó)家規(guī)定的電信電源防雷保護(hù)采取三級(jí)保護(hù)制度，另一方面是設(shè)備分級(jí)保護(hù)，也就是保護(hù)通信電源系統(tǒng)。通過(guò)最初布置防雷設(shè)備達(dá)到這一目標(biāo)，并且形成更加精細(xì)的保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)。由于監(jiān)控系統(tǒng)承擔(dān)防雷設(shè)備安全和電源設(shè)備安全，需要采取更加細(xì)致的保護(hù)措施，根據(jù)電子設(shè)備敏感情況合理確定保護(hù)等級(jí)，對(duì)精密儀器的工作和質(zhì)量有著更高要求。通信系統(tǒng)為最終保護(hù)對(duì)象，在整個(gè)系統(tǒng)中必須關(guān)注設(shè)備的安全性，使其發(fā)揮出良好的防雷功能，避免精密儀器受雷擊后失去保護(hù)作用，造成經(jīng)濟(jì)損失[9]。

5.2 合理選擇電源防雷設(shè)備

通信電源防雷設(shè)備在不同環(huán)境及功能強(qiáng)度需求不同時(shí)存在差異。通信設(shè)備中所用的防雷設(shè)備可在短時(shí)間內(nèi)釋放雷電感應(yīng)，產(chǎn)生沖擊能量傳輸?shù)降孛?，進(jìn)而減少不同設(shè)備結(jié)構(gòu)的電位差，保護(hù)電路設(shè)備。電源系統(tǒng)防雷裝置如圖1所示，進(jìn)行防雷設(shè)備的安裝主要考慮如何保護(hù)設(shè)備，避免對(duì)通信造成影響。受雷電影響，電氣設(shè)備和高壓設(shè)備之間放電，要求根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件及通信電源和電子設(shè)備精度合理選擇不同標(biāo)準(zhǔn)的防雷設(shè)備，通常通信電源為普通電源避雷器，為了節(jié)約成本，在滿足使用要求的前提下要選擇高一等級(jí)的產(chǎn)品。

圖1 電源系統(tǒng)防雷裝置

5.3 定期檢測(cè)防雷器

在日常工作中需要檢查防雷設(shè)施及動(dòng)力避雷器的工作狀態(tài)。由于雷擊引起的高壓電流傳輸?shù)降孛?，通過(guò)引導(dǎo)的形式可以避免雷擊風(fēng)險(xiǎn)，然而防雷設(shè)備受多次雷擊后會(huì)出現(xiàn)老化情況，所以一般防雷設(shè)施的使用壽命較短。在測(cè)試過(guò)程中，技術(shù)人員需要密切關(guān)注避雷器指示燈的工作狀態(tài)，在雷雨天氣下工作人員如果發(fā)現(xiàn)指示燈不正常閃爍說(shuō)明避雷器存在故障，該情況下要及時(shí)采取緊急措施，有效采取通信電源保護(hù)的多級(jí)技術(shù)做好防備工作[10]。非雷雨天氣下同樣要定期檢查避雷設(shè)備運(yùn)行情況，在晴好天氣下完成設(shè)備的檢修或者更換工作。電力避雷器能夠保護(hù)通信電源，降低高強(qiáng)度電流。為了提升避雷器的監(jiān)測(cè)效果，技術(shù)人員通常利用中位數(shù)50作為避雷顯示器的目標(biāo)值，如果數(shù)值超過(guò)中間值則說(shuō)明電流偏大，需要采取相關(guān)措施解決。防雷器檢測(cè)如圖2所示。

圖2 防雷器檢測(cè)

6 結(jié) 論

防雷工程在建筑行業(yè)、通信工程中受到高度關(guān)注，防雷技術(shù)的研究也在不斷深入。通信電源和電子設(shè)備的合理技術(shù)具有綜合性特點(diǎn)和專業(yè)性特征，而通信電源和電子設(shè)備防雷技術(shù)作為一門全新技術(shù)，需要投入大量人力物力和財(cái)力才能有效避免通信電源和電子設(shè)備不受到雷擊，有效保障群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)社會(huì)和諧發(fā)展。當(dāng)前我國(guó)防雷技術(shù)的研究逐漸深入，在實(shí)際應(yīng)用中不斷完善，今后需要繼續(xù)加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)研發(fā)，以此促進(jìn)社會(huì)的健康發(fā)展。