通信系統(tǒng)過電壓產(chǎn)生的原因與防護

摘要：敘述在通信系統(tǒng)中過電壓產(chǎn)生的原因、雷電的形成、防護的措施以及各種防護器件。

關鍵詞：過電壓雷電防護器件

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

隨著經(jīng)濟和科技的發(fā)展，人們對現(xiàn)代化的通信手段的依賴程度越來越強烈。現(xiàn)代通信正向大規(guī)模、高速度、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。這就要求通信設備和通信網(wǎng)絡能夠安全可靠的運行。但在日常工作中由于雷擊和電磁感應等各種原因產(chǎn)生的過電壓，時常破壞和干擾通訊系統(tǒng)及其附屬設施（如交換機、遠端模塊、傳真機、電話機、調制解調器、開關電源、機房空調等），造成財產(chǎn)損失、設備停用，嚴重時甚至威脅維護人員和用戶的人身安全，給通信部門和用戶帶來巨大損失。因此，如何防止過電壓的產(chǎn)生，減輕過電壓造成的危害，一直是通信部門十分關注的問題。在具體的維護工作中，我們應針對不同的過電壓產(chǎn)生的原因，采取相應的保護措施，以確保通信設備安全可靠的運行。

2過電壓產(chǎn)生的原因

過電壓的產(chǎn)生有多種原因，其中最常見的是靜電放電、電磁感應等。

靜電放電所產(chǎn)生的過電壓中，最具代表性的是雷擊過電壓。電磁感應過電壓包括雷電感應過電壓和其它感應過電壓等。

2.1雷擊過電壓的形成

密集于大地上空的帶有大量正電荷或負電荷的云，稱為雷云。當雷云中的電荷聚集量很大且具有較高的電場強度時，周圍的正、負雷云之間或雷云與大地之間，可能發(fā)生強烈的放電現(xiàn)象，稱之為雷電現(xiàn)象。

圖1 實驗中的雷電波波形

習慣上把大地的電位視為零，雷云的電位遠高于大地的電位，由于靜電感應而使大地感應出大量的與雷云電荷異號的電荷，兩者類似于一個巨大的空間電容器。雷云中的電荷分布并不均勻，常常形成多處電荷聚集中心，當它的電場強度達到（25～30）kV/cm時，雷云就會開始向大地方向擊穿空氣，形成一個導電的空氣通道，稱為雷電先導。當雷電先導進展到離地面100m～300m時，地面上感應出來的異號電荷也在相對集中，尤其是向地面上較高的突出物上集中，于是形成了迎雷先導。迎雷先導和雷電先導在空中相互靠近，當兩者接觸時，正、負電荷強烈中和，出現(xiàn)極大的電流并伴有雷鳴和閃光，這就是雷電的主放電階段，時間很短，一般為50μs～100μs。主放電階段過后，雷云中的剩余電荷沿主放電通道繼續(xù)流向大地，稱為放電的余輝階段，時間約為0.03s～0.15s，但電流較小，約幾百安。

雷電波具有很高的電壓幅值和電流幅值，前者難以測量，后者則可測得雷電流的幅值和增長速率（即雷電流陡度），這兩個參數(shù)是防雷設計的重要依據(jù)。圖1是在實驗中得到的雷電波的波形，從圖中可以看出雷電流從先導放電開始到最大值時間很短，一般約1μs～4μs，稱為波頭the；雷電流從最大幅值開始衰減，到幅值之半所經(jīng)歷的時間tta稱為波尾，約需數(shù)十微秒。波頭和波尾的整體波形為雷電流波形，通常可用斜角波頭表示。雷電流（或雷電壓）波形是一種脈沖

圖2感應過電壓沖擊波的形成過程

（a）架空線上的束縛電荷(b)沖擊涌流波，所以常稱為沖擊波，它是有極性的。

雷電流陡度a=di/dt，是波頭部分的增長速度，單位為kA/μs。雷電流陡度越大，產(chǎn)生的過電壓（u=Ldi/dt）越大，對電氣設備絕緣的破壞性越嚴重。如何設法降低雷電流的陡度是防雷設計中的關鍵。

2.2雷電感應過電壓的形成

在架空線路附近發(fā)生對地雷擊時，架空導線上有可能感應出很高的電壓，其幅值可達300V～400V，對電氣絕緣的破壞性很大，必須設法加以防范。

在雷云放電的起始階段，雷電先導中有大量電荷向地面挺進，這些電荷形成的電場對架空導線發(fā)生靜電感應，于是導線上逐漸聚集起大量與雷云電荷異號的束縛電荷Q，見圖2(a）。由于架空導線與大地間形成電容C，所以導線對地的雷電感應電壓U可用下式表示

U=Q/C

在雷云放電的同時，架空導線上的束縛電荷因失去外界束縛力而變?yōu)樽杂呻姾桑ㄐ纬筛袘纂娏鳎诶纂姼袘妷篣的作用下以電磁波的傳播速度沿導線向兩側沖擊涌流，如圖2（b）所示，通常稱為感應沖擊波，這就是感應過電壓沖擊波的形成過程。感應過電壓沖擊波沿架空導線侵入設備后，對電氣設備的絕緣有很大破壞性。

感應過電壓的幅值與雷電流的幅值成正比、與雷擊地點到導線的垂直距離s成反比。若s≤65m，則導線上出現(xiàn)的過電壓可認為是直擊雷形成的過電壓。

圖3單支避雷針的保護范圍

2.3其它感應過電壓

對于通訊線路來講，感應過電壓不僅僅是雷電感應過電壓。當通訊線路與電力電纜敷設于同一電纜管道中，當電流流過電力電纜時，在電力電纜周圍就會產(chǎn)生一個電磁場，這一電磁場能在通訊線路中感應出干擾電壓，這個干擾電壓雖功率較低，但其持續(xù)時間實際上是無限的。特別是當電力電纜漏電時，對通訊電纜的危害將更大，因此在工程中應合理敷設電纜，盡量將不同類型的電纜管道分開。

從以上過電壓產(chǎn)生的原因可以看出，直擊雷過電壓對通信建筑、無線基站、無線系統(tǒng)的鐵塔、天饋線、發(fā)射機等高大建筑物和通信設備有較大的危害；而感應過電壓對交換機、配線架、遠端模塊、變壓器、開關電源、傳真機、電話機等構成危害。這就要求對不同的設備，不同的過電壓產(chǎn)生的原因，采取不同的防護措施。

3過電壓的防護

3.1雷電過電壓的防護

直擊雷的防護一般采用避雷針、避雷線、避雷網(wǎng)等來保護被保護對象。

（1）避雷針

避雷針是一種高出被保護物的金屬針，它的作用是將雷電吸引到金屬針上來并安全地導入大地，從而保護附近的被保護物免遭雷擊。當雷電先導通道向地面迅速發(fā)展而距避雷針頂部較近時，雷云中的電荷即被引向避雷針而導入地中。避雷針在結構上一般由接閃器、引下線及接地體3個主要部分組成。接閃器是避雷針頂部直接與雷云閃絡放電的部件，一般用1m～2m長的鍍鋅鋼管(直徑大于12mm)或鍍鋅圓鋼管(直徑大于20mm)做成，鍍鋅的目的在于防腐蝕和防銹；引下線采用經(jīng)過防腐蝕處理的圓鋼（直徑大于8mm）或扁鋼(截面積大于12mm×4mm)，一般應沿支持構架或建筑物外墻以最短路徑下地，盡量減小雷電流在引下線上產(chǎn)生的電壓降；接地體是埋入地下土壤中的接地裝置，用來向大地泄放雷電流的。

圖4單支避雷線的保護范圍

避雷針的保護范圍是根據(jù)模型實驗結果而確定的，所謂保護范圍是指被保護物在此空間范圍內不會遭受雷擊。單支避雷針的保護范圍是以避雷針為軸的折線圓錐體，跟雨傘有些相似，如圖3所示。折線的確定方法是：A點為避雷針的頂點，避雷針高度為h；B－B′水平線距地面高度為h/2；C（C′）點是地平面上距避雷針（垂直線）1.5h的點；自A點作－45°及225°斜線與B－B′水平線的交點B（B′）。聯(lián)結ABC和AB′C′折線所包圍的空間即為單支避雷針的保護范圍，在地面上的保護半徑r=1.5h。

被保護物的高度系指建筑物最高點的高度，被保護物必須完全處于折線錐體的范圍之內，這樣才不致于遭受雷擊。對單支避雷針保護不理想的情況，還可以采用兩支或多支避雷針保護，具體的計算方法與單支避雷針類似。

（2）避雷線

避雷線主要用來保護傳輸線路，它由懸掛在被保護物上方的鋼絞線、接地引下線和接地體3個主要部分組成。

單支避雷線的保護范圍如圖4所示。由避雷線向兩側作與垂直面成25°的斜面，即構成保護范圍的上部空間；在h/2處轉折，與地面上離避雷線水平距離為h的直線相連的平面，構成了保護范圍的下部空間，總體保護范圍如同一個屋脊形空間，被保護物必須處于該保護空間之內。

比較圖3和圖4可知，同樣高度的避雷針和避雷線，避雷針的保護半徑（寬度）較大，在地面上保護半徑約為避雷線保護寬度的1.5倍，因為避雷針先導的能力大于避雷線。

（3）避雷網(wǎng)、帶

避雷網(wǎng)是在被保護建筑物屋頂上連結成的金屬網(wǎng)格，用引下線接至接地體。金屬網(wǎng)格可用直徑大于8mm的鋼筋或截面大于12mm×4mm的扁鋼焊接而成，其邊長不宜超過6m～10m。對于屋脊、屋角、屋檐、檐角等易受雷擊的部位，宜采用避雷網(wǎng)防護直擊雷。避雷網(wǎng)還有防護雷電感應的作用。

避雷帶是在建筑物的邊緣及凸出部分裝設的金屬鋼帶，利用澆灌在建筑物上的支持鐵夾加以固定。支持鐵夾高出屋面約100mm～150mm，每兩支鐵夾間的距離為1m～1.5m；鋼帶一般采用直徑大于8mm的圓鋼或截面積大于12mm×4mm的扁鋼。避雷帶同樣需經(jīng)引下線接至接地體，還可以與建筑物的鋼筋焊接在一起，以減小接地電阻。

防雷設施用的接地體，其效果和作用的大小可用沖擊接地電阻Rsh來表達，Rsh愈小則說明該接地體的效果和作用愈好。所謂沖擊接地電阻，就是通過接地體引泄雷電流時的電阻。由于接地體引泄雷電流時電流密度很大，使接地體周圍土壤的電場強度增大，所以接地體周圍將產(chǎn)生局部火花放電。在火花放電范圍內，土壤中的電壓降有所減小，相當于增大了接地體的尺寸，因此沖擊接地電阻比工頻接地電阻要小些。即

圖5避雷針與被保護物間的距離

Rsh=ashRE

式中RE——工頻接地電阻（可測得）；

ash——沖擊系數(shù)，一般小于1。

獨立避雷針均應有獨立的接地體，按規(guī)定沖擊接地電阻宜小于10Ω。放雷設施在雷雨季節(jié)必須處于良好的運行狀況，接閃器與引下線之間，引下線與接地體之間應可靠連接；還應特別注意避雷針（線）與被保護物之間的距離，防止雷電流產(chǎn)生的高電位對被保護物發(fā)生反擊現(xiàn)象。例如，在圖5中避雷針距被保護物的最近點A之電位為

uA=uR＋uL=iRsh＋Ldi/dt

式中uR——雷電流在接地體上產(chǎn)生電位的電阻分量；

uL——雷電流在h段引下線上產(chǎn)生的電感壓降（即電位的電感分量，忽略引下線電阻）；

圖6雷電沖擊波

Rsh——接地體電阻；

L——h段引下線的電感；

i——雷電流，設計時可取150kA。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，工程上可按下式確定安全空氣距離Ssaf

Ssaf≥0.3Rsh＋0.12h

式中Ssaf——安全空氣距離，m。

為保證安全可靠，避雷針（線）的安全空氣距離Ssaf不得小于5m。

為了防止避雷針（線）接地體在土壤中對被保護物接地體發(fā)生閃絡，兩接地體之間必須保持足夠的地中距離SE，通常可按下式確定

SE≥0.3Rsh

要求SE不小于3m。

3.2感應過電壓的防護

（1）雷電沖擊波的特性

當傳輸線路遭受雷擊后，在導線上產(chǎn)生雷電沖擊波并以電磁波速度向導線兩側流動，這種流動的沖擊波又叫行波。如果忽略導線的分布電阻和導線對地電導，僅考慮導線的分布電感L0和分布電容C0，當行波經(jīng)過導線時，在L0中形成磁場，能量為L0i2/2；在C0中形成電場，能量為C0u2/2。隨著電流和電壓沖擊波對L0和C0的充放電變化，相當于行波沿無損導線向前傳播。

設行波在某一瞬間的電位分布如圖6所示，若A、B兩點之間距離x=vt，B點對地電位為零，則A、B兩點間的電感為L0x=L0vt，于是A點電位為

uA=L0vtdi/dt=L0vta

式中v—行波速度；

a=di/dt—電流沖擊波的陡度。

同時，A點電位還與A點在dx段的對地電容C0dx充電電荷量有關。設單位長度導線上的電荷量為q，則導線在dx段上的電荷量為qdx。因此

uA=qdx/C0dx=q/C0

電流i可用電荷量的變化率來表示，即

i=qdx/dt=qd(vt)/dt=qv=at

故uA=at/vC0

又因uA=L0vta

由此可得

在架空傳輸線路中若假定為無損導線，則可認為，雷電沖擊波（行波）在無損導線中的行進速度與電磁波的傳播速度相同（即光速）。如果導線與地之間充填其它介質，例如用絕緣紙、塑料或其它介質充填的電纜等，則雷電沖擊波在導線上的傳播速度將降低。另外，實際的導線總有分布電阻和對地電容，當發(fā)生過電壓時還會產(chǎn)生電暈而造成能量損耗，所以行波在傳播過程中必然會逐漸衰減和變形，波幅值和波陡度會逐漸減小。

由此，在架空線路的終端串接大電感或并聯(lián)電容器，可以拉平?jīng)_擊波的波頭，對防雷是有利的，但不解決根本問題。關鍵是降低沖擊波的幅值，把它抑制到規(guī)定的數(shù)值以下。

(2)感應過電壓的防護

過電壓產(chǎn)生的同時往往伴隨著過電流的產(chǎn)生，因此在實施保護時要從限制過電壓和限制過電流兩方面考慮：即電壓限制和電流限制。

①電壓限制:從原理上講是應用“非線性效應”，使得在正常工作時在帶電導體和一個補償導體（通常是地）之間有一條開路的電路。保護元件起作用后，電荷散逸使得電壓衰減。在這個過程中可能短暫地產(chǎn)生強電流，電壓限制元件的放電能力必須調整到要釋放電流的值。

常見的幾種電壓限制元件及其工作特性如下：

?過電壓放電器/氣體放電管：過電壓放電器/氣體放電管是具有一定氣密的玻璃或陶瓷外殼，中間充滿穩(wěn)定的氣體，如氖或氬，并保持一定壓力。電極表面涂以發(fā)射劑以減少電子發(fā)射能。這些措施使得動作電壓可以調整(一般是70伏到幾千伏)，而且可保持在一個確定的誤差范圍內。

當電壓升高至放電電壓Ua之前，GDT（氣體放電管）是一個絕緣體（電阻Riso>100MΩ）。當電壓升高到大于放電電壓后，過電流大部分泄入大地，產(chǎn)生電弧放電，電壓會降低到幾乎與電流大小無關的電弧電壓（10V～25V）。當電流下降到低于低限值時，放電器會熄滅電弧并恢復其原來的高電阻狀態(tài)。GDT通常是安裝在承受運行電壓的線路支線上，因此就有放電器不能熄弧的風險。所以對熄弧性能有一定的要求。GDT的能量吸收能力與其它電壓限制裝置相比是非常高的。放電特性也受電壓上升速度的影響。

這種裝置的兩電極和三電極型應用于電訊工業(yè)中。三電極型專門為成對線路設計，可以理解為帶一個公共電弧室的兩個組合電極的放電器。這種設計可確保在兩個室中同時產(chǎn)生電弧，因而當兩條線中同時發(fā)生干擾時，可以獲得最優(yōu)的共模干擾抑制。

?變阻器/VDR：變阻器是陶瓷元件，其應用越來越廣。例如，將氧化鋅（與其它添加劑一起）在一定條件下燒結，電阻就會受電壓的強烈影響。這個特性也是其名字（電壓變阻器）的由來。電壓變阻器（VDR）也叫變阻器。電流（I）隨著電壓（U）的上升而急劇上升。正式的關系由公式I=aKU表達，其中K是與幾何形狀有關的元件常數(shù)，a是一個非線性指數(shù)。

變阻器的典型特性是當處于工作電壓時，壓敏電阻值極大；在雷電波侵入作用下，它的電阻值甚小，向大地泄放電流。由于電流過大，因此變阻器內部發(fā)熱量很大。變阻器在遠高于其額定電壓的情形下運行一般只可能保持很短的一段時間。

?齊納二極管：雙向齊納二極管具有與變阻器類似的導電特性，對正向和反向電流在電流/電壓特性上有一個拐點。非線性指數(shù)比變阻器要高，使二極管的“開通”更為急劇，因而可以有效地規(guī)定限制電壓。

其結構是兩個二極管反向串聯(lián)，可獲得對稱性。運作于“反向”方式下的二極管PN結阻擋層一般可阻止電流經(jīng)過。當電場強度超過一定水平時，電子就會脫離其晶格束縛（即齊納效應），而已經(jīng)大大加速的帶電粒子會從晶格中推出更多的粒子（即雪崩效應）。結果就是阻擋層的“突破”并產(chǎn)生電流。這個“突破”電壓稱為齊納電壓Uz，電壓穩(wěn)定效應則是由于當電壓大于Uz時，很大的電流變化只產(chǎn)生很小的電壓變化。齊納二極管的穩(wěn)壓效應比變阻器要好。

齊納二極管的能量吸收比變阻器小，因為其阻擋層比變阻器層要薄得多。因此齊納二極管的負荷承受能力要低得多，由此所出現(xiàn)的過熱情況可以部分地用壓制成形的金屬電極補償，電極可以散掉熱量，但也增加了體積。抑制二極管是一種特別的保護二極管，具有很短的反應時間及很高的尖峰電流負荷承受能力。

?閘流二極管：由于放電電流中伴有很大的電壓降，變阻器和二極管必須吸收大量的能量。在保護設備起作用之后，容許把故障電壓降低到遠低于保護電平的值，甚至低于運行電壓，以便減少能量的轉換。這種特性類似于放電器的“火花放電”。

在半導體元件中，上述特性可以在閘流二極管中觀察到。閘流二極管開始會阻塞，直到達到放電電壓時，電壓下降至幾伏并產(chǎn)生放電電流。當電流下降到最小值時，閘流二極管會重新阻塞，并恢復其原來的斷路狀態(tài)。與GDT一樣，在這種情況下，必須滿足干擾清除后會安全停止放電的要求。閘流二極管有單向和雙向元件。其特點是高尖峰電流和短反應時間，因而特別適用于較高的保護電平（幾十伏到幾百伏）。

設計相同的齊納和閘流二極管其限制電壓與容許放電電流的關系取決于半導體。這些二極管的結構和尺寸決定了能吸收的功率大小。隨著限制電壓的提高，齊納二極管的容許電流呈雙曲線下降，然而閘流二極管的容許電流幾乎是恒定的。其原因是，在閘流二極管放電以后，電壓降幾乎與電流大小無關。由此可見，在結構體積相同的情況下，齊納二極管較適用于低的限制電壓，而閘流二極管則適用于高的限制電壓，其分界點是50V左右。

?熱敏電阻：以上所討論的元件其功能都是基于純電壓效應。熱敏電阻在溫度升高時電阻會減少。與任何電阻一樣，電流所產(chǎn)生的電能損耗會使熱敏電阻升溫。升溫使電阻下降，電流升高。結果就形成了與穩(wěn)壓元件相似的電流/電壓關系。但是只有在反應時間之后，這種效應才會發(fā)生。所以保護作用受到元件熱慣性的影響。

②限流元件的電流限制特性有兩個功能：第一、當超過電流限值時，無條件地切斷電路或者加以限制；第二、去耦與/或抑制短暫電壓/電流尖峰（大部分情況下與電壓限制元件一起使用）。

?電阻：電阻是去耦的最簡單方式，一般沒有斷路的功能。電壓尖峰所產(chǎn)生的短暫電流尖峰會在電阻上產(chǎn)生相應的壓降，因而減少了干擾的影響。去耦元件常常與電壓限制元件一起用于電路中而作為串聯(lián)的電阻器。

在應用中最大允許串聯(lián)電阻常常受到很大的限制（限制為幾歐）。一方面，要求在工作電流下的電壓降低；另一方面，要求在工作電流下保護電阻器不會過載，由于去耦效應與電阻值成比例，所以使用電感器應該有所幫助。

?保險絲：保險絲是傳統(tǒng)的電流限制元件，是由導電熔絲構成，置于線路中受保護元件的前邊。熔絲具有一定的電阻，熔絲的溫度在一定電流下會上升（溫度取決于熱容量、輻射和散熱），直到熔絲熔化，從而實現(xiàn)保護。

?電感：電感（線圈）可對短暫尖峰具有很高的去耦效應，而同時保持很低的直流電阻。但也有一個缺點：其阻抗隨頻率而變，因而嚴重損害保護元件的傳輸性能。

?PTC（正溫度系數(shù)）電阻器：通常是陶瓷元件，在正常溫度下呈現(xiàn)歐姆特性，因此像電阻器一樣是去耦元件。溫度升高時，初始電阻基本保持不變。當超過一個特定的溫度后，電阻急劇上升（上升104倍～106倍），當溫度再升高時，電阻的上升又變平緩。溫度上升可能由于外部加熱也可以由電流產(chǎn)生的內部加熱。在內部加熱方面，PTC電阻器與保險絲相似，不同的是當故障清除以后，PTC電阻器能自動地接通線路。因此，這種元件可以提供過電流保護而不需要太多的維護。

4結語

以上僅就過電壓的產(chǎn)生和保護在原理上進行了分析，在實際工作中過電壓的防護是一項重要的工作。防護措施的好壞直接影響設備的安全運行和經(jīng)濟效益以及人身安全。根據(jù)不同的設備要采取不同的防護措施，對重要的設備要采取多項措施和多級保護，以確保防護措施的可靠性及安全性，盡量將過電壓產(chǎn)生的危害降低到最小。