无线通信设备防雷分析论文

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摘要:目前无线通信已经被广泛应用于许多领域,但是由于雷电的危害,无线通信设备时刻都处在危险当中。本文探讨了无线通信设备的防雷措施。

关键字:无线通信设备防雷措施

Abstract:Wirelesscommunicationispopularlyusedinsomearea.Butbecauseofthethunderbreakin,wilelesscommunicationisindangerseverytime.Thisarticleintroducedlightingpreventionmeasureofwilelesscommunicationdevice。

Keywords:wilelesscommunicationdevicelightingpreventionmeasure

一、前言

在我们的生活中会经常见到电闪雷鸣,但是大家知道吗?全球平均每年要发生1600万次闪电。雷电具有惊人的能量,每次雷击所产生的能量大约为55万千瓦/小时,足以燃点100万个灯泡1小时、直击雷电流平均都有34kA。有记录的最大直击雷电流为210kA。目前人类尚未能对雷电的能量加以有效利用,而雷害造成的损失却是巨大的。据统计,在欧美国家每年有20%—30%的电脑故障是因感应雷引起的,在一处电网中每8分钟便有一个瞬间过电压产生。全球每年有数以千人死伤于雷击事故、经济损失有数十亿美元。

所以雷电灾害对无线通信设备的危害也是不言而喻的,所以探讨有关无线设备的防雷是非常有必要的,这对于无线通信网络的安全、质量等都有很重要的意义。

二、雷电对无线通信设备损害的原理和主要形式

1.原理

要真正做到对无线设备的防雷首先必须了解雷电对无线通信设备危害产生的原理。以负雷云为例,由于电云负电的感应,使附近地面积累正电荷,地面与雷云之间形成强大的电场。当某处积累的电荷密度很大,激发的电场强度达到空气游离状态(空气击穿)的临界值时,雷云便开始向下梯级式放电。接近地面的物体达到一定的距离时,地面物体在强电场作用下产生尖端放电,形成向雷云方向逐渐向上先导放电,二者汇合形成雷电通路,异性电荷剧烈中和形成很大的雷电流,并发出强烈的闪电和雷鸣。雷电发生时,雷电流经架空线路或空中金属管道等金属物体产生冲击电压,随物体走向而迅速扩散,形成危害。

2.三种主要形式雷击破坏的三种主要形式为:

2.1直击雷

带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象,叫做“直击雷”。直击雷只发生在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害,也就是说直击雷发生的几率较低,而且直击雷发生时一次只能袭击一个小范围的目标,但是由于放电现象发生过程迅猛,被直接击中的目标会由于放电电流过大,造成的损坏程度较大。直击雷主要对室外物体产生破坏作用,所以把防直击雷的系统称为外部防雷系统。

2.2球形雷

简称球雷,是一种特殊的雷电现象。一般是橙或红色,或似红色火焰的发光球体(也有带黄色、绿色、蓝色或紫色的),直径约为10~20cm,最大的直径可达1m,存在的时间大约为百分之几秒至几分钟,一般是1~5s,一旦遇到物体或电气设备时会产生燃烧或爆炸,其主要是沿建筑物的孔洞或开着的门窗进入室内有的由烟囱或通气管道滚进楼房,多数沿带电体消失球形雷一般发生的较少,只有在一些特殊的地理环境或者特殊的基站位置上才会有球形雷的发生。

2.3感应雷

雷电在雷云之间或雷云对地放电时,并在附近的户外传输信号线路、地埋电力线、设备间连接线产生电磁感应并侵入设备,使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害的放电现象,叫做“二次雷”或称“感应雷”。感应雷虽然没有直击雷猛烈,但其发生的几率比直击雷高得多。感应雷不论雷云对地闪击还是雷云对雷云之间闪击,都可能发生并造成灾害。此外一次雷闪击都可以在较大的范围内使多个电子设备同时产生感应雷过电压现象,并且这种感应高压可以通过基站供电线和信号中继线等引入传输到很远,致使雷害范围扩大。感应雷发生时一般对室内的用电设备和电子元器件起到破坏作用,因此把防止感应雷和雷电电磁脉冲波(LEMP)破坏的系统称为内部防雷系统。

三、无线电设备防雷措施探讨

1.外部防雷外部防雷系统由避雷针、引下线、接地地网等组成,缺一不可。一般防止直击雷破坏是通过避雷装置即避雷针、引下线和接地网络构成完整的电气通路后将雷电流泄入大地。然而避雷针、引下线和接地装置的导通只能保护安装避雷针的物体本身免受直击雷的损毁,但雷电会通过多种形式及途径破坏电子设备。对通信基站而言,天馈线系统和机房建筑物容易遭受到直击雷的袭击,可以通过合理的设计避雷针的保护角和良好的接地系统起到保护作用。接地体指埋入土壤中或混凝土基础中作散流用的导体。有人工接地体和自然接地体两种。接地网是把需要接地的各系统,统一接到一个地网上或者把各系统原来的接地网通过地下或者地上用金属连接起来,使它们之间成为电气相通的统一接地网。一定要有一个良好的接地系统,因为所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄入大地,从而保护设备和人身安全。如果基站接地系统做得不好,不但会引起设备故障,烧坏元器件,严重的还将危害工作人员的生命安全。另外还有防干扰、防静电等问题都需要建立良好的接地系统来解决。一般整个基站的接地系统有:建筑物地网、铁塔地、电源地、逻辑地(也称信号地)、防雷地等。然而,各地网之间必须独立时,如果相互之间距离达不到规范要求的话,则容易出现地电位反击事故,因此,各接地系统之间的距离达不到规范的要求时,应尽可能连接在一起,如实际情况不允许直接连接的,可通过地电位均衡器实现等电位连接。

2.内部防雷

有可靠的外部防雷措施同时更需要完善内部防雷措施,内部防雷工程主要由屏蔽、防雷器和等电位连接三部分组成。

(1)屏蔽

每对双绞线或四对双绞线都可使用金属屏蔽,不同的双绞线或四对双绞线放在一起可共同使用一个金属屏蔽。由于金属屏蔽的趋肤效应产生的吸收和反射作用,可更好的分割周围的电磁场和减少单独屏蔽的对绞线之间的串音。

(2)防雷器

防雷器是用一种低压时呈现高阻开路状态,高压时呈现低阻短路状态,能承受数百安培大电流通过的过压保护电子器件组合。将防雷器并联在供电线路、信号传输线路上使用。当遇到雷击和高电压大电流时其立即呈现短路,将瞬间产生高电压大电流通过地网泄放到大地中,使设备受到保护。发生雷击时,直击雷或者沿着线路进入室内的感应雷会使设备的进线电压瞬间急速升高,达到几百甚至上千伏。由于在进线端采用了第一级保护,并联一个气态放电管,通过惰性气体的电离,能转移大部分的瞬变能量。因为无分布电感电容,通流容量极大,特别适合用于吸收直击雷,保护后的残留电压为二十几伏,对于集成电路而言,这个电压还是偏高,还起不到有效保护。另外气态放电管,反应速度慢,导致其上冲电压可达到电压峰值,有鉴于此,增加一级保护,并且在两极之间采用电感耦合,利用电感电流不能突变的原理,起到一个延迟的作用,为第二级保护赢得时间,并减轻对第二级的压力。第二级主要是采用固态放电管,它是基于可控硅原理的一种负阻器件,在冲击电压作用下,其前沿上冲电压非常低,显示出极强的抑制特性,并且响应速度非常快(纳秒级),分布电容小,残压低于5V,且对电流的吸收能力也相当大,非常适合用于网络通讯工程、电子部件的防雷保护。

3.微电子设备防雷

3.1天线防雷

完善微波天线防雷击的保护措施。天线铁塔设避雷针,并经40mm×4mm镀锌扁钢直接入地,使雷电流沿最短路径接入接地网,这样塔上的天线都在其保护范围内,免受雷电,而且使天线引下线都多点接地。馈线在塔顶与天线连接处接地,进机房前与地网就近接地,进入机房后,与设备连接处接地,馈线与设备接口处,有条件的加装避雷设备。天线铁塔和机房之间装设支撑电缆的金属过桥或悬挂电缆的钢绞线。过桥和钢绞线在电气上与铁塔连通,在电缆进入机房外侧时,将过桥和钢绞线、电缆外护层连在一起,并通过最短路径与接地网相连,尽可能减少经天馈线进入机房的雷电压幅值。塔灯电源铠装带屏蔽层采用多点接地,并在机房入口处对地加装氧化锌无间歇避雷器,并将零线接地。

3.2机房防雷防雷检测技术人员首先对机房部分的防雷装置及其安装工艺、材料规格等进行查看,即查看机房内是否安装了汇流排(也叫接地汇集线),汇流排的接地引下线是从哪里引入的,汇流排和接地引入线的材料规格是否合乎要求;查看输电线路是否安装了电源避雷器,其安装是否规范和工作是否正常;查看同轴电缆馈线是否安装了天馈避雷器,其安装是否规范和工作是否正常。然后测试馈线的金属外护层、PE线、数字通信设备的机架、模拟通信设备的机架、整流供电设备的机架、内走线架、金属门窗、空调机正常不带电的金属外壳等金属体是否作了等电位连接。然后测量接地电阻值,并做好记录和绘制机房防雷平面示意图。

3.3基站防雷

首先,保护建筑物部分的防雷装置(接闪器、引下线、接地装置等)、天面金属物必须实施可靠的等电位连接。因为当雷电向建筑物闪击时,雷电流通过接闪器和引下线被迅速释放入地,强度得到迅速衰减,干扰源的雷电电磁脉冲存在时间极短,不至于产生高的感生电压,对通信设备有保护作用。

其次,天线的直击雷防护,主要是安装避雷针一,最好直接利用天线杆来保护。上文中已经有比较具体的介绍,就不在此累赘了。

同时做好天线杆、同轴电缆馈线、外走线架的等电位连接,能减少各金属体之间的电位差和防高压反击,可以避免雷电波从同轴电缆馈线侵入机房损坏通信设备。作法为:用40mm4mm的镀锌扁钢把天线杆连接,并接到避雷带上;采用横截面积36mm的绝缘皮多股铜芯线把同轴电缆馈线的金属外护层与天线杆连接,并在进人机房的入口处与外走线架连接;用40mm4mm的镀锌扁钢把外走线架每隔5米与避雷带连接,且不能少于两处。

此外还有塔接、接地等措施。搭接就是等电位连接。做好等电位连接能减少电位差,并能有效地防范雷电电磁感应的破坏作用。在机房内,打开建筑物内柱(对角两柱)的一段混凝土,使其露出柱筋,采用横截面积为50mm的绝缘皮多股铜芯线,从柱子的主筋焊接出接地端子,并连接到汇流排上。汇流排采用面积为120mm铜排制作,采用横截面积为50mm的绝缘皮多股铜芯线做等电位连接带,把等电位连接带沿机房的四周敷设成闭合环(即均压环),并与汇流排连接。采用横截面积为35mm的绝缘皮多股铜芯线做等电位连接线(接地连接线),把数字通信设备的机架、模拟通信设备的机架、整流供电设备的机架、空调机的金属外壳等金属体相互连接,并连接到等电位连接带上。同轴电缆馈线的金属外护层、PE线、金属门窗也应做等电位连接,用等电位连接线把它们连接到汇流排上。内走线架每隔5m用等电位连接线就近连接到汇流排或等电位连接带上,但不少于两处。

接地就是接地装置。其目的是把雷电流迅速流到大地。采用共地接地系统,即所有接地都与建筑物的基础接地相连。机房的接地直接利用建筑物的基础接地装置。具体做法:采用横截面为95mm的绝缘皮多股铜芯线作为接地引入线,把接地引入线的一头与建筑物的基础预留接地端子相连,另一头引人机房,并连接到汇流排上。需要增加人工接地体的做法:当建筑物的基础接地电阻大于1欧姆时,应增加人工接地体,即沿机房建筑物滴水点外,安装环形接地装置并与建筑物的基础预留接地端子相连,此时接地电阻小于5欧姆即可。

参考文献:

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