無線通信設備防雷分析論文

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摘要:目前無線通信已經被廣泛應用于許多領域,但是由于雷電的危害,無線通信設備時刻都處在危險當中。本文探討了無線通信設備的防雷措施。

關鍵字:無線通信設備防雷措施

Abstract:Wirelesscommunicationispopularlyusedinsomearea.Butbecauseofthethunderbreakin,wilelesscommunicationisindangerseverytime.Thisarticleintroducedlightingpreventionmeasureofwilelesscommunicationdevice。

Keywords:wilelesscommunicationdevicelightingpreventionmeasure

一、前言

在我們的生活中會經常見到電閃雷鳴,但是大家知道嗎?全球平均每年要發生1600萬次閃電。雷電具有驚人的能量,每次雷擊所產生的能量大約為55萬千瓦/小時,足以燃點100萬個燈泡1小時、直擊雷電流平均都有34kA。有記錄的最大直擊雷電流為210kA。目前人類尚未能對雷電的能量加以有效利用,而雷害造成的損失卻是巨大的。據統計,在歐美國家每年有20%—30%的電腦故障是因感應雷引起的,在一處電網中每8分鐘便有一個瞬間過電壓產生。全球每年有數以千人死傷于雷擊事故、經濟損失有數十億美元。

所以雷電災害對無線通信設備的危害也是不言而喻的,所以探討有關無線設備的防雷是非常有必要的,這對于無線通信網絡的安全、質量等都有很重要的意義。

二、雷電對無線通信設備損害的原理和主要形式

1.原理

要真正做到對無線設備的防雷首先必須了解雷電對無線通信設備危害產生的原理。以負雷云為例,由于電云負電的感應,使附近地面積累正電荷,地面與雷云之間形成強大的電場。當某處積累的電荷密度很大,激發的電場強度達到空氣游離狀態(空氣擊穿)的臨界值時,雷云便開始向下梯級式放電。接近地面的物體達到一定的距離時,地面物體在強電場作用下產生尖端放電,形成向雷云方向逐漸向上先導放電,二者匯合形成雷電通路,異性電荷劇烈中和形成很大的雷電流,并發出強烈的閃電和雷鳴。雷電發生時,雷電流經架空線路或空中金屬管道等金屬物體產生沖擊電壓,隨物體走向而迅速擴散,形成危害。

2.三種主要形式雷擊破壞的三種主要形式為:

2.1直擊雷

帶電的云層與大地上某一點之間發生迅猛的放電現象,叫做“直擊雷”。直擊雷只發生在雷云對地閃擊時才會對地面造成災害,也就是說直擊雷發生的幾率較低,而且直擊雷發生時一次只能襲擊一個小范圍的目標,但是由于放電現象發生過程迅猛,被直接擊中的目標會由于放電電流過大,造成的損壞程度較大。直擊雷主要對室外物體產生破壞作用,所以把防直擊雷的系統稱為外部防雷系統。

2.2球形雷

簡稱球雷,是一種特殊的雷電現象。一般是橙或紅色,或似紅色火焰的發光球體(也有帶黃色、綠色、藍色或紫色的),直徑約為10~20cm,最大的直徑可達1m,存在的時間大約為百分之幾秒至幾分鐘,一般是1~5s,一旦遇到物體或電氣設備時會產生燃燒或爆炸,其主要是沿建筑物的孔洞或開著的門窗進入室內有的由煙囪或通氣管道滾進樓房,多數沿帶電體消失球形雷一般發生的較少,只有在一些特殊的地理環境或者特殊的基站位置上才會有球形雷的發生。

2.3感應雷

雷電在雷云之間或雷云對地放電時,并在附近的戶外傳輸信號線路、地埋電力線、設備間連接線產生電磁感應并侵入設備,使串聯在線路中間或終端的電子設備遭到損害的放電現象,叫做“二次雷”或稱“感應雷”。感應雷雖然沒有直擊雷猛烈,但其發生的幾率比直擊雷高得多。感應雷不論雷云對地閃擊還是雷云對雷云之間閃擊,都可能發生并造成災害。此外一次雷閃擊都可以在較大的范圍內使多個電子設備同時產生感應雷過電壓現象,并且這種感應高壓可以通過基站供電線和信號中繼線等引入傳輸到很遠,致使雷害范圍擴大。感應雷發生時一般對室內的用電設備和電子元器件起到破壞作用,因此把防止感應雷和雷電電磁脈沖波(LEMP)破壞的系統稱為內部防雷系統。

三、無線電設備防雷措施探討

1.外部防雷外部防雷系統由避雷針、引下線、接地地網等組成,缺一不可。一般防止直擊雷破壞是通過避雷裝置即避雷針、引下線和接地網絡構成完整的電氣通路后將雷電流泄入大地。然而避雷針、引下線和接地裝置的導通只能保護安裝避雷針的物體本身免受直擊雷的損毀,但雷電會通過多種形式及途徑破壞電子設備。對通信基站而言,天饋線系統和機房建筑物容易遭受到直擊雷的襲擊,可以通過合理的設計避雷針的保護角和良好的接地系統起到保護作用。接地體指埋入土壤中或混凝土基礎中作散流用的導體。有人工接地體和自然接地體兩種。接地網是把需要接地的各系統,統一接到一個地網上或者把各系統原來的接地網通過地下或者地上用金屬連接起來,使它們之間成為電氣相通的統一接地網。一定要有一個良好的接地系統,因為所有防雷系統都需要通過接地系統把雷電流泄入大地,從而保護設備和人身安全。如果基站接地系統做得不好,不但會引起設備故障,燒壞元器件,嚴重的還將危害工作人員的生命安全。另外還有防干擾、防靜電等問題都需要建立良好的接地系統來解決。一般整個基站的接地系統有:建筑物地網、鐵塔地、電源地、邏輯地(也稱信號地)、防雷地等。然而,各地網之間必須獨立時,如果相互之間距離達不到規范要求的話,則容易出現地電位反擊事故,因此,各接地系統之間的距離達不到規范的要求時,應盡可能連接在一起,如實際情況不允許直接連接的,可通過地電位均衡器實現等電位連接。

2.內部防雷

有可靠的外部防雷措施同時更需要完善內部防雷措施,內部防雷工程主要由屏蔽、防雷器和等電位連接三部分組成。

(1)屏蔽

每對雙絞線或四對雙絞線都可使用金屬屏蔽,不同的雙絞線或四對雙絞線放在一起可共同使用一個金屬屏蔽。由于金屬屏蔽的趨膚效應產生的吸收和反射作用,可更好的分割周圍的電磁場和減少單獨屏蔽的對絞線之間的串音。

(2)防雷器

防雷器是用一種低壓時呈現高阻開路狀態,高壓時呈現低阻短路狀態,能承受數百安培大電流通過的過壓保護電子器件組合。將防雷器并聯在供電線路、信號傳輸線路上使用。當遇到雷擊和高電壓大電流時其立即呈現短路,將瞬間產生高電壓大電流通過地網泄放到大地中,使設備受到保護。發生雷擊時,直擊雷或者沿著線路進入室內的感應雷會使設備的進線電壓瞬間急速升高,達到幾百甚至上千伏。由于在進線端采用了第一級保護,并聯一個氣態放電管,通過惰性氣體的電離,能轉移大部分的瞬變能量。因為無分布電感電容,通流容量極大,特別適合用于吸收直擊雷,保護后的殘留電壓為二十幾伏,對于集成電路而言,這個電壓還是偏高,還起不到有效保護。另外氣態放電管,反應速度慢,導致其上沖電壓可達到電壓峰值,有鑒于此,增加一級保護,并且在兩極之間采用電感耦合,利用電感電流不能突變的原理,起到一個延遲的作用,為第二級保護贏得時間,并減輕對第二級的壓力。第二級主要是采用固態放電管,它是基于可控硅原理的一種負阻器件,在沖擊電壓作用下,其前沿上沖電壓非常低,顯示出極強的抑制特性,并且響應速度非常快(納秒級),分布電容小,殘壓低于5V,且對電流的吸收能力也相當大,非常適合用于網絡通訊工程、電子部件的防雷保護。

3.微電子設備防雷

3.1天線防雷

完善微波天線防雷擊的保護措施。天線鐵塔設避雷針,并經40mm×4mm鍍鋅扁鋼直接入地,使雷電流沿最短路徑接入接地網,這樣塔上的天線都在其保護范圍內,免受雷電,而且使天線引下線都多點接地。饋線在塔頂與天線連接處接地,進機房前與地網就近接地,進入機房后,與設備連接處接地,饋線與設備接口處,有條件的加裝避雷設備。天線鐵塔和機房之間裝設支撐電纜的金屬過橋或懸掛電纜的鋼絞線。過橋和鋼絞線在電氣上與鐵塔連通,在電纜進入機房外側時,將過橋和鋼絞線、電纜外護層連在一起,并通過最短路徑與接地網相連,盡可能減少經天饋線進入機房的雷電壓幅值。塔燈電源鎧裝帶屏蔽層采用多點接地,并在機房入口處對地加裝氧化鋅無間歇避雷器,并將零線接地。

3.2機房防雷防雷檢測技術人員首先對機房部分的防雷裝置及其安裝工藝、材料規格等進行查看,即查看機房內是否安裝了匯流排(也叫接地匯集線),匯流排的接地引下線是從哪里引入的,匯流排和接地引入線的材料規格是否合乎要求;查看輸電線路是否安裝了電源避雷器,其安裝是否規范和工作是否正常;查看同軸電纜饋線是否安裝了天饋避雷器,其安裝是否規范和工作是否正常。然后測試饋線的金屬外護層、PE線、數字通信設備的機架、模擬通信設備的機架、整流供電設備的機架、內走線架、金屬門窗、空調機正常不帶電的金屬外殼等金屬體是否作了等電位連接。然后測量接地電阻值,并做好記錄和繪制機房防雷平面示意圖。

3.3基站防雷

首先,保護建筑物部分的防雷裝置(接閃器、引下線、接地裝置等)、天面金屬物必須實施可靠的等電位連接。因為當雷電向建筑物閃擊時,雷電流通過接閃器和引下線被迅速釋放入地,強度得到迅速衰減,干擾源的雷電電磁脈沖存在時間極短,不至于產生高的感生電壓,對通信設備有保護作用。

其次,天線的直擊雷防護,主要是安裝避雷針一,最好直接利用天線桿來保護。上文中已經有比較具體的介紹,就不在此累贅了。

同時做好天線桿、同軸電纜饋線、外走線架的等電位連接,能減少各金屬體之間的電位差和防高壓反擊,可以避免雷電波從同軸電纜饋線侵入機房損壞通信設備。作法為:用40mm4mm的鍍鋅扁鋼把天線桿連接,并接到避雷帶上;采用橫截面積36mm的絕緣皮多股銅芯線把同軸電纜饋線的金屬外護層與天線桿連接,并在進人機房的入口處與外走線架連接;用40mm4mm的鍍鋅扁鋼把外走線架每隔5米與避雷帶連接,且不能少于兩處。

此外還有塔接、接地等措施。搭接就是等電位連接。做好等電位連接能減少電位差,并能有效地防范雷電電磁感應的破壞作用。在機房內,打開建筑物內柱(對角兩柱)的一段混凝土,使其露出柱筋,采用橫截面積為50mm的絕緣皮多股銅芯線,從柱子的主筋焊接出接地端子,并連接到匯流排上。匯流排采用面積為120mm銅排制作,采用橫截面積為50mm的絕緣皮多股銅芯線做等電位連接帶,把等電位連接帶沿機房的四周敷設成閉合環(即均壓環),并與匯流排連接。采用橫截面積為35mm的絕緣皮多股銅芯線做等電位連接線(接地連接線),把數字通信設備的機架、模擬通信設備的機架、整流供電設備的機架、空調機的金屬外殼等金屬體相互連接,并連接到等電位連接帶上。同軸電纜饋線的金屬外護層、PE線、金屬門窗也應做等電位連接,用等電位連接線把它們連接到匯流排上。內走線架每隔5m用等電位連接線就近連接到匯流排或等電位連接帶上,但不少于兩處。

接地就是接地裝置。其目的是把雷電流迅速流到大地。采用共地接地系統,即所有接地都與建筑物的基礎接地相連。機房的接地直接利用建筑物的基礎接地裝置。具體做法:采用橫截面為95mm的絕緣皮多股銅芯線作為接地引入線,把接地引入線的一頭與建筑物的基礎預留接地端子相連,另一頭引人機房,并連接到匯流排上。需要增加人工接地體的做法:當建筑物的基礎接地電阻大于1歐姆時,應增加人工接地體,即沿機房建筑物滴水點外,安裝環形接地裝置并與建筑物的基礎預留接地端子相連,此時接地電阻小于5歐姆即可。

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