第10章-通信接地與防雷解析

第10章通信接地與防雷本章內(nèi)容

·接地系統(tǒng)概要：接地系統(tǒng)的組成、影響接地電阻的因素、接地中關(guān)于電壓的概念、接地的分類作用。

·聯(lián)合接地系統(tǒng)：優(yōu)點(diǎn)、組成、特點(diǎn)。

·通信電源系統(tǒng)的防雷保護(hù)：雷電相關(guān)知識(shí)的介紹、常見(jiàn)防雷元件、系統(tǒng)防雷保護(hù)措施。本章重點(diǎn)

·接地系統(tǒng)的組成、影響接地電阻的因素。

·通信電源系統(tǒng)接地的分類及各自的作用。

·聯(lián)合接地的優(yōu)點(diǎn)和組成特點(diǎn)。

·常見(jiàn)防雷元件。

·通信電源系統(tǒng)防雷保護(hù)原則和措施。本章難點(diǎn)

·交流保護(hù)接地的保護(hù)原理。

·聯(lián)合接地的組成特點(diǎn)。

·雷電危害。本章學(xué)時(shí)數(shù)6課時(shí)。學(xué)習(xí)本章目的和要求

·掌握接地系統(tǒng)的組成和影響接地電阻的主要因素，理解接地系統(tǒng)中幾個(gè)電壓的概念。

·掌握交流工作接地的概念以及作用。

·掌握TN-S接地系統(tǒng)的接法和優(yōu)點(diǎn)。

·掌握直流工作接地的作用，理解采用正極接地的原因。

·掌握聯(lián)合接地的優(yōu)點(diǎn)，理解聯(lián)合接地系統(tǒng)接線方式和均壓的特點(diǎn)。

·了解雷電的相關(guān)知識(shí)，理解常見(jiàn)防雷元件的工作機(jī)理并熟悉它們常用技術(shù)指標(biāo)，掌握通信電源系統(tǒng)防雷保護(hù)原則和措施理解方法。

10.1接地系統(tǒng)概要

在通信局（站）中，接地占有很重要的地位，它不僅關(guān)系到設(shè)備和維護(hù)人員的安全，同時(shí)還直接影響著通信的質(zhì)量。因此，掌握理解接地的基本知識(shí)，正確選擇和維護(hù)接地設(shè)備，具有很重要的意義。

10.1.1接地系統(tǒng)組成

10.1.2接地電阻組成及影響接地電阻的因素

1．接地電阻組成

接地體對(duì)地電阻和接地引線電阻的總和，稱為接地裝置的接地電阻。接地電阻的數(shù)值，等于接地裝置對(duì)地電壓與通過(guò)接地裝置流入大地電流的比值。

接地裝置的接地電阻，一般是由接地引線電阻、接地體本身電阻、接地體與土壤的接觸電阻以及接地體周圍呈現(xiàn)電流區(qū)域內(nèi)的散流電阻四部分組成。

在上述決定接地電阻大小的四個(gè)因素中，接地引線一般是有相應(yīng)截面的良導(dǎo)體，故其電阻值是很小的。而絕大部分的接地體采用鋼管、角鋼、扁鋼或鋼筋等金屬材料，其電阻值也是很小的。接地體與土壤的接觸電阻決定于土壤的濕度、松緊程度及接觸面積的大小，土壤的濕度越高、接觸越緊、接觸面積越大，則接觸電阻就小，反之，接觸電阻就大。電流由接地體向土壤四周擴(kuò)散時(shí)，愈靠近接地體，電流密度愈大，散流電流所遇到阻力愈大，呈現(xiàn)出的電阻值也愈大。也可以看出，電流對(duì)接地電阻的影響最大，所以接地電阻主要由接觸電阻和散流電阻構(gòu)成。

2．影響接地電阻的因素

上面已經(jīng)分析了接地電阻主要由接觸電阻和散流電阻構(gòu)成，所以分析影響接地電阻的因素主要考慮影響接觸電阻和散流電阻的因素。

接觸電阻指接地體與土壤接觸時(shí)所呈現(xiàn)的電阻，在上一節(jié)中已經(jīng)作了描述。下面重點(diǎn)討論散流電阻的問(wèn)題。

散流電阻是電流由接地體向土壤四周擴(kuò)散時(shí)，所遇到的阻力。它和兩個(gè)因素有關(guān)：一是接地體之間的疏密程度?？紤]到保護(hù)電流剛從接地體向大地?cái)U(kuò)散時(shí)，其有限的空間電流密度很大，所以在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)不能將各接地體之間埋設(shè)得過(guò)于緊密，一般埋設(shè)垂直接地體之間間距是其長(zhǎng)度的兩倍以上。二是和土壤本身的電阻有關(guān)。衡量土壤電阻大小的物理量是土壤電阻率。

（2）土壤的溫度

當(dāng)土壤的溫度在0℃以上時(shí)，隨土壤溫度的升高，土壤電阻率減小，但不明顯，當(dāng)土壤溫度上升到100℃時(shí)，由于土壤中水分的蒸發(fā)反而使土壤電阻率有所增加。但是當(dāng)土壤的溫度在0℃以下時(shí)，土壤中水分結(jié)冰，其土壤電阻率急劇上升，而且當(dāng)溫度繼續(xù)下降時(shí)，土壤電阻率增加十分明顯。因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)施工時(shí)，應(yīng)將接地體埋設(shè)在凍土層以下，以避免產(chǎn)生很大的接地電阻。

同時(shí)，我們應(yīng)該考慮到同一接地系統(tǒng)在一年中的不同季節(jié)里，其接地電阻不同，這里面有土壤溫度的因素，還有濕度的因素。

（3）土壤的濕度

土壤電阻率隨著土壤濕度的變化有著明顯的差別，一般地講，濕度增加會(huì)使土壤電阻率明顯減小。所以，一方面接地體的埋設(shè)應(yīng)盡量選擇地勢(shì)低洼、水分較大之處；另一方面，平時(shí)在測(cè)量系統(tǒng)接地電阻時(shí)，應(yīng)選擇在干季測(cè)量，以保證在一年中接地電阻最大的時(shí)間里系統(tǒng)的接地電阻仍然能夠滿足要求。

（4）土壤的密度

土壤的密度即土壤的緊密程度。土壤受到的壓力越大，其內(nèi)部顆粒越緊密，電阻率就會(huì)減小。因此，在接地體的埋設(shè)方法上，不用采取挖掘土壤后再埋入接地體的方法，可以采用直接打入接地體的方法，這樣既施工簡(jiǎn)單，又可以使接地電阻下降。

（5）土壤的化學(xué)成分

土壤中含有酸、堿、鹽等化學(xué)成分時(shí)，其電阻率就會(huì)明顯減小。在實(shí)際工作中，可以用在土壤中滲入食鹽的方法降低土壤電阻率，也可以用其他的化學(xué)降阻劑來(lái)達(dá)到降低土壤電阻率的目的。

10.1.3接地中電壓概念

在接地系統(tǒng)中，由于會(huì)有電荷注入大地，勢(shì)必會(huì)有電壓的存在。很好地理解接地系統(tǒng)中幾個(gè)重要的電壓概念，對(duì)于人身和設(shè)備的安全有很重要的意義。

1．接地的對(duì)地電壓

電氣設(shè)備的接地部分，如接地外殼、接地線或接地體等與大地之間的電位差，稱為接地的對(duì)地電壓Ud，這里的大地指零電位點(diǎn)。

正常情況下，電氣設(shè)備的接地部分是不帶電的，所以其對(duì)地電壓是0V。

當(dāng)有較強(qiáng)電流通過(guò)接地體注入大地時(shí)（如相線碰殼），電流通過(guò)接地體向周圍土壤作半球形擴(kuò)散，并在接地點(diǎn)周圍地面產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)大的電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離的增加迅速下降。試驗(yàn)資料表明，距離接地體20m處，對(duì)地電壓（該處與無(wú)窮遠(yuǎn)處大地的電位差）僅為最大對(duì)地電壓的2％，在工程應(yīng)用上可以認(rèn)為是零電位點(diǎn)，從接地體到零電位點(diǎn)之間的區(qū)域，稱為該接地裝置的接地電流擴(kuò)散區(qū)，若用曲線表示接地體及其周圍及點(diǎn)的對(duì)地電壓，則呈典型的雙曲線形狀。如圖10-2所示。

3．跨步電壓

在電場(chǎng)作用范圍內(nèi)（以接地點(diǎn)為圓心，20m為半徑的圓周），人體如雙腳分開(kāi)站立，則施加于兩腳的電位不同而導(dǎo)致兩腳間存在電位差，此電位差便稱為跨步電壓Uk?？绮诫妷旱拇笮?，隨著與接地體或碰地處之間的距離而變化。距離接地體或碰地處接近，跨步電壓越大，反之則小。如圖10-2所示的Uk和Uk'。

10.1.4接地分類及作用

通信電源接地系統(tǒng)，按帶電性質(zhì)可分為交流接地系統(tǒng)和直流接地系統(tǒng)兩大類。按用途可分為工作接地系統(tǒng)、保護(hù)接地系統(tǒng)和防雷接地系統(tǒng)。而防雷接地系統(tǒng)中又可分為設(shè)備防雷和建筑防雷。下面我們分別來(lái)討論交流接地和直流接地兩大系統(tǒng)。

TN系統(tǒng)是指受電設(shè)備外露導(dǎo)電部分（在正常情況下與帶電部分絕緣的金屬外殼部分）通過(guò)保護(hù)線與電源系統(tǒng)的直接接地點(diǎn)（即交流工作接地）相連。TT系統(tǒng)是指受電設(shè)備外露導(dǎo)電部分通過(guò)保護(hù)線與單獨(dú)的保護(hù)接地裝置相連，與電源系統(tǒng)的直接接地點(diǎn)不相關(guān)。IT系統(tǒng)是指受電設(shè)備外露導(dǎo)電部分通過(guò)保護(hù)線與保護(hù)接地裝置相連，而該電源系統(tǒng)無(wú)直接接地點(diǎn)。由于目前通信電源系統(tǒng)中的交流部分普遍采用TN-S接地保護(hù)方式，下面僅介紹TN系統(tǒng)的幾種方案。

（1）TN-C系統(tǒng)

TN-C系統(tǒng)為三相電源中性線直接接地的系統(tǒng)，通常稱為三相四線制電源系統(tǒng)，其中性線與保護(hù)線是合一的，如圖10-5（a）所示。TN-C系統(tǒng)沒(méi)有專設(shè)PE線（保護(hù)地線），所以受電設(shè)備外露的導(dǎo)電部分直接與N線連接，這樣也能起到保護(hù)作用。

（2）TN-S系統(tǒng)

TN-S系統(tǒng)即為三相五線制配電系統(tǒng)。如圖10-5（b）所示。這是目前通信電源交流供電系統(tǒng)中普遍采用的低壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)。

在TN-S系統(tǒng)中，采用了與電源接地點(diǎn)直接相連的專用PE線（交流保護(hù)線或稱無(wú)流零線，該線上不允許串接任何保護(hù)裝置與電氣設(shè)備），設(shè)備的外露導(dǎo)電部分均與PE線并接，從而將整個(gè)系統(tǒng)的工作線與保護(hù)線完全隔離。

TN-S方案工作可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，安全保護(hù)性能好，應(yīng)用范圍廣。這種方案與TN-C系統(tǒng)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

①一旦中性線斷線，不會(huì)像TN-C系統(tǒng)中那樣，使斷點(diǎn)后的受電設(shè)備外露導(dǎo)電部分可能帶上危險(xiǎn)的相電壓。

②在各相電源正常工作時(shí)，PE線上無(wú)電流（只有當(dāng)設(shè)備外露導(dǎo)電的部分發(fā)生搭電時(shí)PE線上會(huì)有短時(shí)間的保護(hù)電流），而所有設(shè)備外露導(dǎo)電的部分都經(jīng)各自的PE線接地，所有各自PE線上無(wú)電磁干擾。而N線由于正常工作時(shí)經(jīng)常有三相不平衡電流經(jīng)N線泄放于地，TN-C系統(tǒng)不可避免的在電源系統(tǒng)內(nèi)會(huì)存在相互的電磁干擾。

另外，TN-S系統(tǒng)應(yīng)注意的問(wèn)題有：

①TN-S系統(tǒng)中的N線必須與受電設(shè)備的外露導(dǎo)電部分和建筑物鋼筋嚴(yán)格絕緣布放。

②實(shí)際上，從電源直接接地點(diǎn)引出的PE線與受電設(shè)備外露導(dǎo)電部分相連時(shí)，通常必須進(jìn)行重復(fù)接地，防止PE線斷開(kāi)時(shí)，斷點(diǎn)后面發(fā)生碰電的設(shè)備有外殼帶電的危險(xiǎn)。（事實(shí)上在N線和PE線合一的三相四線制電源中重復(fù)接地保護(hù)尤其重要。）

在通信電源系統(tǒng)中需要進(jìn)行接零保護(hù)（實(shí)際上是重復(fù)接地保護(hù)）的有：配電變電器、油機(jī)發(fā)電機(jī)組、交直流電動(dòng)機(jī)的金屬外殼，整流器、配電屏與控制屏的框架，儀表用互感器二次線圈和鐵芯，交流電力電纜接線盒，金屬護(hù)套，穿線鋼管等。

（3）TN-C-S系統(tǒng)

此方案是TN-C和TN-S組合而成，如圖10-5（c）所示。整個(gè)系統(tǒng)中有一部分中性線和保護(hù)線是合一的系統(tǒng)。TN-C-S系統(tǒng)多用于環(huán)境條件較差的場(chǎng)合。

2．直流接地系統(tǒng)

按照性質(zhì)和用途的不同，直接接地系統(tǒng)可分為工作接地和保護(hù)接地兩種。工作接地用于保護(hù)通信設(shè)備和直流通信電源設(shè)備的正常工作；而保護(hù)接地則用于保護(hù)人身和設(shè)備的安全。

在通信電源的直流供電系統(tǒng)中，為了保護(hù)通信設(shè)備的正常運(yùn)行、保障通信質(zhì)量而設(shè)置的電池一極接地，稱為直流工作接地，如?48V、?24V電源的正極接地等。

直流工作接地的作用主要有以下幾點(diǎn)：

①利用大地作良好的參考零電位，保證在各通信設(shè)備間甚至各局（站）間的參考電位沒(méi)有差異，從而保證通信設(shè)備的正常工作。

②減少用戶線路對(duì)地絕緣不良時(shí)引起的通信回路間的串音。

在通信系統(tǒng)中，將直流設(shè)備的金屬外殼和電纜金屬護(hù)套等部分接地，叫直流保護(hù)接地。其作用主要有以下幾點(diǎn)：

①防止直流設(shè)備絕緣損壞時(shí)發(fā)生觸電危險(xiǎn)，保證維護(hù)人員的人身安全。

②減小設(shè)備和線路中的電磁感應(yīng)，保持一個(gè)穩(wěn)定的電位，達(dá)到屏蔽的目的，減小雜音的干擾，以及防止靜電的發(fā)生。

通常情況下，直流的工作接地和保護(hù)接地是合二為一的，但隨著通信設(shè)備向高頻、高速處理方向發(fā)展，對(duì)設(shè)備的屏蔽、防靜電要求越來(lái)越高。

直流接地需連接的有：蓄電池組的一極，通信設(shè)備的機(jī)架或總配線的鐵架，通信電纜金屬隔離層或通信線路保安器，通信機(jī)房防靜電地面等。

直流電源通常采用正極接地的原因，主要是大規(guī)模集成電路所組成的通信設(shè)備的元器件的要求，同時(shí)也為了減小由于電纜金屬外殼或繼電器線圈等絕緣不良，對(duì)電纜芯線、繼電器和其他電器造成的電蝕作用。

另外，在通信電源的接地系統(tǒng)中，還專門設(shè)置了用來(lái)檢查、測(cè)試通信設(shè)備工作接地而埋設(shè)的輔助接地，稱為測(cè)量接地。原因是在進(jìn)行接地電阻測(cè)量時(shí)，可能會(huì)將干擾引入電源系統(tǒng)，同時(shí)接地系統(tǒng)又不能和電源系統(tǒng)脫離。為了解決這一矛盾，專門設(shè)置了測(cè)量接地，它平時(shí)與直流工作接地裝置并聯(lián)使用，當(dāng)需要測(cè)量工作接地的接地電阻時(shí)，將其引線與地線系統(tǒng)脫離，這時(shí)測(cè)量接地代替工作接地運(yùn)行。所以說(shuō)，測(cè)量接地的要求與工作接地的要求是一樣的。

3．防雷接地

在通信局（站）中，通常有兩種防雷接地，一種是為保護(hù)建筑物或天線不受雷擊而專設(shè)的避雷針?lè)览捉拥匮b置，這是由建筑部門設(shè)計(jì)安裝的；另一種是為了防止雷擊過(guò)電壓對(duì)通信設(shè)備或電源設(shè)備的破壞需安裝避雷器而埋設(shè)的防雷接地裝置，如高壓避雷器的下接線端匯接后接到接地裝置。

關(guān)于通信電源防雷的保護(hù)，我們將在本章第3節(jié)介紹。

10.2聯(lián)合接地系統(tǒng)

考慮到各接地系統(tǒng)（交流工作接地、直流工作接地和保護(hù)接地）在電流入地時(shí)可能相互影響，傳統(tǒng)做法是將各接地系統(tǒng)在距離上分開(kāi)20m以上，稱為分設(shè)接地系統(tǒng)。但是隨著外界電磁場(chǎng)干擾日趨增大，分設(shè)接地系統(tǒng)的缺點(diǎn)日趨明顯。在20世紀(jì)90年代開(kāi)始，在國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了聯(lián)合接地系統(tǒng)。

10.2.1聯(lián)合接地的優(yōu)點(diǎn)

為了說(shuō)明聯(lián)合接地的優(yōu)點(diǎn)，我們應(yīng)該從分設(shè)接地系統(tǒng)講起。

1．分設(shè)接地系統(tǒng)

分設(shè)接地系統(tǒng)是指工作接地、保護(hù)接地和防雷接地等各種單設(shè)接地裝置，并要求彼此相距20m。這種方式是我國(guó)50年代至70年代末通信局（站）所采用的傳統(tǒng)接地方式，它存在如下缺點(diǎn)：

①侵入的雷浪涌電流在這些分離的接地之間產(chǎn)生電位差，使裝置設(shè)備產(chǎn)生過(guò)電壓。

②由于外界電磁場(chǎng)干擾日趨增大，如強(qiáng)電進(jìn)城、大功率發(fā)射臺(tái)增多、電氣化鐵道的興建，以及高頻變流器件的應(yīng)用等，使地下雜散電流發(fā)生串?dāng)_，其結(jié)果是增大了對(duì)通信和電源設(shè)備的電磁耦合影響。而現(xiàn)代通信設(shè)備由于集成化程度高，接收靈敏度高，因而提高了環(huán)境電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)。分設(shè)接地系統(tǒng)顯然無(wú)法滿足通信的發(fā)展對(duì)防雷以及提高了的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求。

③接地裝置數(shù)量過(guò)多，受場(chǎng)地限制而導(dǎo)致打入土壤的接地體過(guò)密排列，不能保證相互間所需的安全間隔，易造成接地系統(tǒng)間相互干擾。

④配線復(fù)雜，施工困難。在實(shí)際施工中由于走線架、建筑物內(nèi)鋼筋等導(dǎo)電體的存在，很難把各接地系統(tǒng)真正分開(kāi)，達(dá)不到分設(shè)的目的。

2．聯(lián)合接地系統(tǒng)

目前，美國(guó)、日本和德國(guó)等國(guó)家在通信大樓均采用了聯(lián)合接地的方式。我國(guó)在20世紀(jì)90年代中制定的部頒《通信局（站）電源系統(tǒng)總技術(shù)要求》中明確地規(guī)定了采用聯(lián)合接地的技術(shù)要求。

聯(lián)合接地系統(tǒng)由接地體、接地引入、接地匯集線和接地線所組成，如圖10-6所示。

圖中接地體是由數(shù)根鍍鋅鋼管或角鐵，強(qiáng)行環(huán)繞垂直打入土壤，構(gòu)成垂直接地體。然后用扁鋼以水平狀與鋼管逐一焊接，使之組成水平電極。兩者構(gòu)成環(huán)形電極（稱地網(wǎng)），采用聯(lián)合接地方式的接地體，還包含建筑物基礎(chǔ)部分混凝土內(nèi)的鋼筋。

接地匯集線是指通信大樓內(nèi)分布設(shè)置，且與各機(jī)房接地線相連的接地干線。接地匯集線又分垂直接地總匯集線和水平接地分匯集線兩種，前者是垂直貫穿于建筑體各層樓的接地用主干線，后者是各層通信設(shè)備的接地線與就近水平接地進(jìn)行分匯集的互連線。

接地引入線是接地體與總匯集線之間相連的連接線。

接地線是各層需要進(jìn)行接地的設(shè)備，與水平接地分匯集線之間的連線。

采用聯(lián)合接地方式，在技術(shù)上使整個(gè)大樓內(nèi)的所有接地系統(tǒng)聯(lián)合組成低接地電阻值的均壓網(wǎng)，具有下列優(yōu)點(diǎn)：

①地電位均衡，同層各地線系統(tǒng)電位大體相等，消除危及設(shè)備的電位差。

②公共接地母線為全局建立了基準(zhǔn)零電位點(diǎn)。全局按一點(diǎn)接地原理而用一個(gè)接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生地電位上升時(shí)，各處的地電位一齊上升，在任何時(shí)候，基本上不存在電位差。

③消除了地線系統(tǒng)的干擾。通常依據(jù)各種不同電特性設(shè)計(jì)出多種地線系統(tǒng)，彼此間存在相互影響，而采用一個(gè)接地系統(tǒng)之后，使地線系統(tǒng)做到了無(wú)干擾。

④電磁兼容性能變好。由于強(qiáng)、弱電，高頻及低頻電都等電位，又采用分屏蔽設(shè)備及分支地線等方法，所以提高了電磁兼容性能。

10.2.2聯(lián)合接地的組成

理想的聯(lián)合接地系統(tǒng)是在外界干擾影響時(shí)仍然處于等電位的狀態(tài)，因此要求地網(wǎng)任意兩點(diǎn)之間電位差小到近似為零。

（1）接地體地網(wǎng)

圖10-7所示為接地體地網(wǎng)示意圖。

接地總匯集線有接地匯集環(huán)與匯集排兩種形式，前者安裝于大樓底層，后者安裝于電氣室內(nèi)，接地匯集環(huán)與水平環(huán)形均壓帶逐段相互連接，環(huán)形接地體又與均壓網(wǎng)相連，構(gòu)成均衡電位的接體。再加基礎(chǔ)部分混凝土內(nèi)的鋼筋互相焊接成一個(gè)整體，組成低接地電阻的地網(wǎng)。

接地線網(wǎng)絡(luò)有樹(shù)干形接地地線網(wǎng)、多點(diǎn)接地地線網(wǎng)和一點(diǎn)接地地線網(wǎng)。一點(diǎn)接地地線網(wǎng)是由接地電極系統(tǒng)的一點(diǎn)，放射形接至各主干線，再連接各個(gè)用電設(shè)備系統(tǒng)。

10.3通信電源系統(tǒng)的防雷保護(hù)

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電子電源設(shè)備對(duì)浪涌高脈沖承受能力和耐噪聲能力不斷下降，使電力線路或電源設(shè)備受雷電過(guò)電壓沖擊的事故常有發(fā)生，目前通信電源系統(tǒng)的防雷已經(jīng)成為重要的課題，所以開(kāi)展防雷技術(shù)研討十分重要。

10.3.1雷電分類及危害

雷電的產(chǎn)生原因目前學(xué)術(shù)界仍有爭(zhēng)論，普遍的解釋是地面濕度很大的氣體受熱上升與冷空氣相遇形成積云，由于云層的負(fù)電荷吸附效應(yīng)，在運(yùn)動(dòng)中聚集大量的電荷。當(dāng)不同電荷的積云靠近時(shí)，或帶電積云對(duì)大地的靜電感應(yīng)而產(chǎn)生異性電荷時(shí)，宇宙間將發(fā)生巨大的電脈沖放電，這種現(xiàn)象稱為雷電。

（1）雷電流

據(jù)試驗(yàn)資料報(bào)道，雷電過(guò)電壓產(chǎn)生雷電的沖擊波幅值可高達(dá)1億伏，其電流幅值也高達(dá)幾十萬(wàn)安培。

雷電流波形如圖10-9（a）所示。由圖可見(jiàn)，形如鋸齒波。圖中在0點(diǎn)通過(guò)C點(diǎn)（電流峰值的10％處）和B點(diǎn)（電流峰值的90％處）作一條直線與橫軸相交的點(diǎn)。圖中T1稱為波前時(shí)間指0點(diǎn)到E點(diǎn)（1.25T處）的時(shí)間間隔。T2稱為半峰值時(shí)間指由0點(diǎn)到電流峰值再到峰值下降至一半的時(shí)間間隔。例如較常見(jiàn)的8/20?s模擬雷電流波形（在很多避雷元件上均標(biāo)有8/20?s或10/350?s等），指該雷電流波形為T1=8?s±20％，T2=20?s±20％的典型雷電流。

雷擊分為兩種形式：感應(yīng)雷與直擊雷。感應(yīng)雷是指附近發(fā)生雷擊時(shí)設(shè)備或線路產(chǎn)生靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的雷擊；直擊雷是雷電直接擊中電氣設(shè)備或線路，造成強(qiáng)大的雷電流通過(guò)擊中的物體泄放入地。

直擊雷與感應(yīng)雷波形如圖10-9（b）所示，由圖可見(jiàn)，直擊雷峰值電流可達(dá)75kA以上，所以破壞性很大。大部分雷擊為感應(yīng)雷，其峰值電流較小，一般在15kA以內(nèi)。

依據(jù)雷電活動(dòng)的日期，將發(fā)生雷閃或雷聲的時(shí)間稱為雷暴日。年平均雷暴小于15天的地區(qū)稱為少雷區(qū)，超過(guò)40天的地區(qū)稱為多雷區(qū)。又依據(jù)雷電過(guò)電壓大小及每年平均發(fā)生雷暴過(guò)電壓次數(shù)，可將雷電地區(qū)分為高、中、低區(qū)。

由圖10-9（c）可見(jiàn)，以6kV雷擊過(guò)電壓而論，在低雷區(qū)每年不發(fā)生這種過(guò)電壓雷擊，而在中雷區(qū)每年平均發(fā)生3～4次，在高雷區(qū)每年平均有70次。說(shuō)明同一雷擊過(guò)電壓情況下，高雷區(qū)雷擊次數(shù)最多。

（2）雷擊流的危害

雷電流在放電瞬間浪涌電流高達(dá)1kA～100kA，其上升時(shí)間不到1?s，其能量巨大，可損壞建筑物，中斷通信，危害人身安全。但因遭受直接雷擊范圍小，故在造成的破壞中不是主要的危險(xiǎn)，而其間接危害則不容忽視。

①產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)電流或高壓直擊雷浪涌電流若使天線帶電，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，使附近線路和導(dǎo)電設(shè)備出現(xiàn)閃電的特征。這種電磁輻射作用，破壞性很嚴(yán)重。

②地面雷浪涌電流使地電位上升，依據(jù)地面電阻率與地面電流強(qiáng)度的不同，地面電位上升程度不一。但由于地面過(guò)電位的不斷擴(kuò)散，會(huì)對(duì)周圍電子系統(tǒng)中的設(shè)備造成干擾，甚至被過(guò)壓損壞。

③靜電場(chǎng)增加接近帶電云團(tuán)處周圍靜電場(chǎng)強(qiáng)度可升至50kV/m，置于這種環(huán)境的空中線路電勢(shì)會(huì)驟增，而空氣中的放電火花也會(huì)產(chǎn)生高速電磁脈沖，造成對(duì)電子設(shè)備的干擾。

當(dāng)代微電子設(shè)備的應(yīng)用已十分普及，由于雷浪涌電流的影響而使設(shè)備耐過(guò)壓、耐過(guò)電流水平下降，并已在某些場(chǎng)合造成了雷電災(zāi)害。

（3）雷電流干擾

①直擊雷對(duì)通信大樓的環(huán)境影響?，F(xiàn)代通信大樓雖然已采用鋼框架及鋼筋互連結(jié)構(gòu)，同時(shí)也采用常規(guī)防雷措施，如在大樓房頂上若設(shè)有天線鐵塔時(shí)，在鐵塔上安裝了避雷針，而且避雷針由引線與接地裝置互連；還在大樓頂層安裝了避雷帶和避雷網(wǎng)，又用連線與地相連。因此現(xiàn)代通信大樓已幾乎不再發(fā)生直接雷擊。但是環(huán)境惡劣的移動(dòng)通信站、程控交換模塊局、無(wú)人值守網(wǎng)路終端單元，均可遭受到直擊雷。

據(jù)資料報(bào)道：具有鋼框架及鋼筋互連結(jié)構(gòu)的電信大樓，倘若發(fā)生直擊雷電時(shí)，其雷流涌電流也不可以低估，這種電流從雷擊點(diǎn)侵入，流至大樓的墻、柱、梁、地面的鋼框架和鋼筋中。而經(jīng)避雷針流入的電流不多，絕大部分電流集中從外墻流入（也有少量從立柱中流入）。又發(fā)現(xiàn)在大樓內(nèi)的雷浪涌電流幾乎都從縱向立柱中侵入，而通過(guò)橫向梁侵入的電流十分少。

依據(jù)試驗(yàn)資料，若大樓外墻為混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)時(shí)，由雷浪涌電流產(chǎn)生的樓層間電位差很小，如峰值為200kA，波長(zhǎng)為12?s的浪涌電流層間電位差僅為0.8kV。若在相同條件下大樓外墻無(wú)鋼筋結(jié)構(gòu)時(shí)，層間電位差高達(dá)8.2kV。此外，在雷浪涌電流入侵的柱子附近，還存在著很強(qiáng)的磁場(chǎng)（但是在柱子與柱子之間的磁場(chǎng)有所削弱）。

從過(guò)去遭受直擊雷實(shí)例來(lái)看，當(dāng)大樓的鋼框架或鋼筋侵入雷浪涌電流時(shí)，使設(shè)在同一大樓內(nèi)的各種電氣設(shè)備之間產(chǎn)生電位差，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的磁場(chǎng)。另外還引起地電位上升，所以對(duì)大樓內(nèi)通信裝置或電源設(shè)備及其饋線路造成很大干擾。

②雷擊對(duì)電力電纜的影響。直擊雷的沖擊波作用于電力電纜附近大地時(shí)，雷電流會(huì)使雷擊點(diǎn)周圍土壤電離，并產(chǎn)生電弧，由于電弧形成的熱效應(yīng)，機(jī)械效應(yīng)及磁效應(yīng)等綜合作用而使電纜壓扁，并可導(dǎo)致電纜的內(nèi)外金屬粘連短路。另外，雷擊電纜附近樹(shù)木時(shí)，雷電流又可經(jīng)樹(shù)根向電纜附近土壤放電，也可使電纜損壞。

感應(yīng)雷可在電纜表層與內(nèi)部的導(dǎo)體間產(chǎn)生過(guò)電壓，也會(huì)使電纜內(nèi)部遭受破壞。因?yàn)槔纂娏髟陔娎|附近放電入地時(shí)，電纜周圍位置將形成很強(qiáng)的磁場(chǎng)，進(jìn)而使電纜的內(nèi)外產(chǎn)生很大的感應(yīng)電壓，造成電纜外層擊穿和周圍絕緣層燒壞。

10.3.2常見(jiàn)防雷元件

防雷的基本方法可歸納為“抗”和“泄”。所謂“抗”指各種電器設(shè)備應(yīng)具有一定的絕緣水平，以提高其抵抗雷電破壞的能力；所謂“泄”指使用足夠的避雷元器件，將雷電引向自身從而泄入大地，以消弱雷電的破壞力。實(shí)際的防雷往往是兩者結(jié)合，有效地減小雷電造成的危害。

常見(jiàn)的防雷元器件有接閃器、消雷器和避雷器三類。其中接閃器是專門用來(lái)接收直擊雷的金屬物體。

接閃的金屬桿稱為避雷針，接閃的金屬線稱為避雷線，接閃的金屬帶金屬網(wǎng)稱為避雷帶或避雷網(wǎng)。所有接閃器必須接有接地引下線與接地裝置良好連接。接閃器一般用于建筑防雷。

消雷器是一種新型的主動(dòng)抗雷設(shè)備。它由離子化裝置、地電吸收裝置及聯(lián)接線組成，如圖10-10所示。其工作機(jī)理是金屬針狀電極的尖端放電原理。當(dāng)雷云出現(xiàn)在被保護(hù)物上方時(shí)，將在被保護(hù)物周圍的大地中感應(yīng)出大量的與雷云帶電極性相反的異性電荷，地電吸收裝置將這些異性感應(yīng)電荷收集起來(lái)通過(guò)聯(lián)接線引向針狀電極（離子化裝置）而發(fā)射出去，向雷云方向運(yùn)動(dòng)并與其所帶電荷中和，使雷電場(chǎng)減弱，從而起到了防雷的效果。實(shí)踐證明，使用消雷器后可有效地防止雷害的發(fā)生，并有取代普通避雷針的趨勢(shì)。

避雷器通常是指防護(hù)由于雷電過(guò)電壓沿線路入侵損害被保護(hù)設(shè)備的防雷元件，它與被保護(hù)設(shè)備輸入端并聯(lián)，如圖10-11所示。

常見(jiàn)的避雷器有閥式避雷器、排氣式避雷器和金屬氧化物避雷器等。熄滅，全部滅弧時(shí)間至多0.01s。這時(shí)外部間隙的空氣恢復(fù)了絕緣，使避雷器與系統(tǒng)隔離，恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。排氣式避雷器具有殘壓小的突出優(yōu)點(diǎn)，且簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，但動(dòng)作時(shí)有氣體吹出，因此只用于室外線路，變配電所內(nèi)一般采用閥式避雷器。

3．金屬氧化物避雷器（MOA）

金屬氧化物避雷器又稱為壓敏電阻避雷器。這是一種沒(méi)有火花間隙，只有壓敏電阻片的新型避雷器。壓敏電阻片是由氧化鋅或氧化鉍等金屬氧化物燒結(jié)而成的多晶半導(dǎo)體陶瓷元件，具有理想的閥阻特性。在工頻電壓下，它呈現(xiàn)出極大的電阻，能迅速有效地抑制工頻續(xù)流，因此無(wú)需火花間隙來(lái)熄滅由工頻續(xù)流引起的電?。欢谶^(guò)電壓的情況下，其電阻又變得很小，能很好地泄放雷電流。目前，金屬氧化物避雷器已廣泛用作低壓設(shè)備的防雷保護(hù)。隨著其制造成本的降低，它在高壓系統(tǒng)中也開(kāi)始獲得推廣應(yīng)用。

金屬氧化物避雷器的主要技術(shù)指標(biāo)有：

①壓敏電壓（U1mA）：指通流電流為1mA下的電壓。

②通流容量：指采用可提供短路電流波形（如8/20?s）的沖擊發(fā)生器，所測(cè)量允許通過(guò)的電流值。

③殘壓比：浪涌電流通過(guò)壓敏電阻時(shí)所產(chǎn)生的降壓稱為殘壓，殘壓比是指能流100A時(shí)的殘壓與壓敏電壓的比值，即U100A/U1mA。有時(shí)也可取U3kA/U1mA比值。

壓敏電阻響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)，應(yīng)用范圍寬。但存在殘壓比高，有漏電流，且易老化的缺點(diǎn)。

除此以外，在一些電子電路中，為進(jìn)一步防止雷電的危害損害設(shè)備，還會(huì)加入其他的防雷器件，比如瞬變電壓抑制二極管（TVP）。這種二極管是在穩(wěn)壓管工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其反向恢復(fù)時(shí)間極短（小于1×10?12s），其峰值脈沖功率在0.5kW～5kW范圍，且具有體積小，不易老化的優(yōu)點(diǎn)。

由于防雷保護(hù)的重要性越來(lái)越被有關(guān)方面重視，目前涌現(xiàn)出了更多的防雷器件，它們的保護(hù)性能有了很大的提高。

10.3.3通信電源系統(tǒng)防雷保護(hù)措施

1．防雷區(qū)

由于防護(hù)環(huán)境遭受直擊雷或間接雷破壞的嚴(yán)重程度不同，因此應(yīng)分別采用相應(yīng)措施進(jìn)行防護(hù)，防雷區(qū)是依據(jù)電磁場(chǎng)環(huán)境有明顯改變的交界處而劃分的。通稱為第一級(jí)、第二級(jí)、第三級(jí)和第四級(jí)防雷區(qū)。

第一級(jí)防雷區(qū)：指直擊雷區(qū)，本區(qū)內(nèi)各導(dǎo)電物體一旦遭到雷擊，雷浪涌電流將經(jīng)過(guò)此物體流向大地，在環(huán)境中形成很強(qiáng)的電磁場(chǎng)。

第二級(jí)防雷區(qū)：指間接感應(yīng)雷區(qū)，此區(qū)的物體可以流經(jīng)感應(yīng)雷浪涌電流。這個(gè)電流小于直擊雷流涌電流，但在環(huán)境中仍然存在強(qiáng)電磁場(chǎng)。

第三級(jí)防雷區(qū)：本區(qū)導(dǎo)電物體可能流經(jīng)的雷感應(yīng)電流比第二級(jí)防雷區(qū)小，環(huán)境中磁場(chǎng)已很弱。

第四級(jí)防雷區(qū)：當(dāng)需進(jìn)一步減小雷電流和電磁場(chǎng)時(shí)，應(yīng)引入后續(xù)防雷區(qū)。

2．防雷器的安裝與配合原則

依據(jù)IEC1313－31996文件要求，將建筑物內(nèi)外的電力配電系統(tǒng)和電子設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)，劃分成12個(gè)防雷區(qū)，并將幾個(gè)區(qū)的設(shè)備一起連到等電位連接帶上。

由于各個(gè)防雷區(qū)對(duì)保護(hù)設(shè)備的損壞程度不一，因此對(duì)各區(qū)所安裝的防雷器的數(shù)量和分?jǐn)嗄芰σ笠膊煌?。各局（站）防雷保護(hù)裝置必須合理選擇，且彼此間應(yīng)很好配合。配合原則為：

①借助于限壓型防雷器具有的穩(wěn)壓限流特性，不加任何去耦元件（如電感L）。

②采用電感或電阻作為去耦元件（可分立或采用防雷區(qū)設(shè)備間的電纜具有的電阻和電感），電感用于電源系統(tǒng)，電阻用于通信系統(tǒng)。

在通信局（站），防雷保護(hù)系統(tǒng)的防雷器配合方案為：前續(xù)防雷器具有不連續(xù)電流/電壓特性，后續(xù)防雷器具有防壓特性。在前級(jí)放電間隙出現(xiàn)火花放電，使后續(xù)防雷浪涌電流波形改變，因此后級(jí)防雷器的放電只存在低殘壓的放電。

②通信局（站）交流配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)為了消除直接雷浪涌電流與電網(wǎng)電壓的人波動(dòng)影響，依據(jù)負(fù)荷的性質(zhì)采用分級(jí)衰減雷擊殘壓或能量的方法來(lái)抑制雷電