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1、通信网络雷电防护产品及应用 第 1 页 共 11 页通信网络雷电防护产品及应用田继清 张锦旸雷电及浪涌灾害是一种低概率、高危害性的事故，在发生时往往导致严重的生命和财产损失。随着人类文明的发展，社会财富日益增加，现代计算机通信网络的规模迅速扩大，大量支撑人类社会活动的智能化设备越来越多，这些设备对雷电及过电压灾害的承受能力较差，使得雷电及过电压事故发生的频率以及造成的损害迅速增加，需要积极的加以预防。雷电放电及浪涌电压电流产生的过程十分复杂，防护技术牵涉到的技术范畴广泛。世界各地的科学技术人员经过长期深入的研究和试验，在防雷产品的设计、制造、应用等方面积累了大量的经验，总结出一整套雷电及过电压
2、事故防护的方法，各种技术标准的制定为防护工作提供了具体的指导和要求，提供了充分的技术支持。从事防雷产品设计开发、生产制造、销售安装、运行维护以及防雷工程设计、施工的企业，应当认真学习这些知识，努力使我们的工作走上专业化的轨道。一、雷一、雷电电灾害基本知灾害基本知识识对通信网络设备来说，雷电现象造成的瞬间过电压是一个主要的威胁，同时由于各种工业活动也会在通信网络中产生浪涌过电压电流，它们都有可能对网络设备造成毁灭性的破坏。雷电直接击中地面物体或人体时雷电将直接通过地面物体或人体放电形成通信网络雷电防护产品及应用 第 2 页 共 11 页雷击电流，这种雷击形式称为直接雷击。在直接雷击发生的时候，被
3、雷电击中的目标通过峰值极大的雷电流，在瞬间产生了巨大的热量、机械应力、电动力和电磁辐射。导致人员伤亡、建筑物损坏、设备结构分解、电路及金属构件熔化、微电子电路损坏等事故，产生巨大的破坏作用。此外，直接雷击的部分电流将沿着与被击中物体相连接的金属管道、线路传递到很远的地方，从而使被破坏的区域扩大。在雷电放电过程中由于瞬间放电产生了强烈的电磁脉冲，在邻近的设备或电子线路上感应了幅值和变化速率都很高的浪涌电压电流，对某些电子设备产生毁灭性的破坏，这种雷击现象称为间接雷击或感应雷击。我们知道从电工学的观点来看建筑物本体的属于不良导体，但在静电学中建筑物一类物体对静电荷来说属于导体，它不能阻止静电荷的移
4、动。在雷电放电之前，低沉的雷雨云与地面形成了电场强度较大的局部电场，在地表面的物体（如建筑物、外露设备等）上聚集了大量的电荷，使得局部电场强度进一步升高。当雷电放电发生时，云-地之间的电荷迅速中和。由于建筑物本体的导电性能较差，聚集的电荷不能迅速分散使得原来电位相同的地面物体之间产生了很高的电位差，从而引发闪烁放电。尽管这种放电产生的能量较小，但对于脆弱的电子设备来说，往往造成灾难性的损害。此外，由对地电流产生的磁场辐射会在邻近金属环路上感应出很高的电压，如果环路存在断点，有可能会在断开处产生放电而对周围物品造成伤害。直接雷击或感应雷击都有可能产生浪涌电压电流，浪涌可以沿着各种导体传播数十公里
5、仍具有破坏能力，对连接在该线路上的设备造成伤害，这种形式被称为远端雷击或浪涌放电形式。浪涌放电发生在非雷电放电现场，容易被忽略，往往使人猝不及防造成损失。通信网络线路附近往往平行敷设有动力设备电力电缆，如果线路间距不够或缺乏良好的屏蔽，在动力设备操作期间会在通信网络线通信网络雷电防护产品及应用 第 3 页 共 11 页路中感应出浪涌电压电流，如果这种浪涌电压的幅值或变化速率超出电子设备所能承受的水平，将会对电子设备造成永久性的损伤。雷电放电期间，由于接地电阻不可能完全消失，在雷电放电电流较大时，会引起地线系统电位急剧上升，从而在设备内部产生电位差破环设备的电气绝缘结构造成损害，这种现象被称为雷
6、电反击。雷电及浪涌冲击对通信网络的影响还表现在干扰正常通信内容，增加误码乱码几率，甚至使通信网络陷于瘫痪状态。根据有关统计，通信局站因中继电路遭受雷电及浪涌冲击造成设备损坏的事故时有发生。湖南、福建、浙江三省部分移动通信基站 1992 年至 1997 年间共发生雷害事故 84 起（资料引自文献 3），其中电源系统占 23.8%，损坏设备包括配电屏、电源稳压器、电源模块等；中继电路占 64.3%，损坏设备包括 2M 接口板、PCM 板、交换机用户板、话路盘等。当移动机站设备使用接入网 2M 线路时，遭受雷击的概率更高，对通信网络的正常运行造成了巨大的破坏。二、雷二、雷电电及浪涌防及浪涌防护护方法
7、方法雷电及浪涌电压电流具有极高的或、极高的幅值，与具有极高内阻的dtdi dtdu电流源相近的电流特性，所有的防护措施都需要围绕这些方面展开。雷电及浪涌防护的基本原则是使雷电及浪涌所包含的能量按照预先设定好的方式和途径顺利的泄放。通信网络雷电防护产品及应用 第 4 页 共 11 页图 1 雷电放电电流参数根据大量的观测统计数据，IEC、IEEE、GB 等标准体系做出了总结归纳，对雷电及浪涌保护工作做出了严格的规范，主要采用的方法包括接闪、均压连接、接地、分流、屏蔽和躲避。根据标准“IEC1312-1 雷电电磁脉冲的防护”的介绍，首次雷击的电流为 10/350S,在建筑物保护级别为级时，设计需要
8、防护的直接雷击的峰值电流为 200kA（雷电冲击电流定义见图 1）。当雷电直接击中建筑物时预计最大将有 50%的雷电流经过与建筑物外部相联接的各种金属管线导体进入建筑物内部，每个导体上承受的电流等于总电流除以导体总数。如果导体被屏蔽良好的金属管道包复，在计算时认为有 70%的电流被屏蔽层分摊。标准中还包括许多在防护工程设计施工时必须遵守的内容，我们在开展防护工作前应当充分熟悉这些技术标准。为了同时满足设备运行与雷电防护的要求，所有防护设备都必须能够很好的解决正常状态与防护状态自动转换的问题。非线性元件具有的阶跃特性能很好的满足这些要求，所以防护设备中都包含有非线性元件，这些元件的性能对防护通信
9、网络雷电防护产品及应用 第 5 页 共 11 页效果起着关键的作用。衡量防护元器件性能的主要指标有：1、 额定工作电压 Un：防护元器件能保持高阻状态的电压，当防护元器件两端电压低于额定电压时对被保护线路和设备的影响很小。2、 残压（电压保护水平）Up：防护元器件在通过标称放电电流时两端的电压峰值。残压数值与与防护元器件的类型有关，与其额定工作电压的高低有关。3、 标称放电电流 In：防护元器件能多次承受的放电电流，其数值与电流波形密切相关。4、 响应时间 Ta：从施加电压至通过防护元器件两端的电压达到动作电压时所需要的时间。由于大部分防护元器件的动作电压（转折电压）定义点的电流是 1mA，所
10、以也可以说响应时间是从施加电压至通过防护元器件的电流达到 1mA 时所需要的时间。5、 泄漏电流：在额定工作电压下，通过防护元器件的电流。泄漏电流与元器件的额定工作电压有直接的关系。6、 反向恢复时间 trr：通过防护元器件的电流从正向转变为负向过程中的过零点至负向电流从峰值下降到规定数值时的时间。在高频和高速通信网络上使用的防护设备需要反向恢复时间较短的防护器件。7、 结间电容 Cj：半导体防护元器件两端之间的电容。在高频和高速通信网络上使用的防护设备需要电容较低的防护器件。通信网络雷电防护产品及应用 第 6 页 共 11 页从动作特性来分，所有防护元器件可分为开关型和箝位型，它们的伏安特性
11、分别在图 2、图 3 表示出来。间隙类防护元件属于开关型（也称为能量转移型）防护元件，包括敞开式放电间隙、密闭式放电间隙、气体放电管等。气体在一定电场强度下的绝缘性能良好，元件两端电压随被保护线路电压变化而变化，防护元件对被保护线路没有任何影响。当元件两端电压超出一定限度时，气体发生击穿产生电弧，元件的负阻特性使得元件两端电压急剧下降至一个相当低的水平，将被保护线路上的过电压电流泄放掉，达到保护的目的。间隙类的防护元件的优点是：通流容量大，性能稳定可靠，正常状态下保护电极之间的阻抗非常大。缺点是：响应时间较长，在100nS 以上；存在断续流问题，在电源线路上使用时必须考虑避免电源短路的问题；密
12、闭式放电间隙的防护性能随时间的推移会缓慢劣化，需要定期检查。在防护电流较大的设备、等电位连接、天线馈线、高频或高速通信线路前端防护设备上经常使用此类防护元件。IV图 2 开关型防护元器件伏安特性通信网络雷电防护产品及应用 第 7 页 共 11 页氧化锌压敏电阻是一种箝位型（也叫稳压型或能量吸收型）的防护元件，包括单片型、组合型和模块型等结构。其伏安特性与稳压二极管的特性相近，在两端电压超过动作电压时，元件阻抗迅速下降将元件两端的过电压电流泄放掉，从而保护线路上的设备。氧化锌压敏电阻的响应时间为数十纳秒，标称放电电流从数百安到数十千安，组合型氧化锌压敏电阻的标称放电电流有高达数百千安的品种。主要
13、缺点是存在泄漏电流，且泄漏电流的数值会随工作时间延长和承受冲击的次数增加而不断增加，最终由于过热而损坏，因此需要定期检查、更换。用于防护用途的半导体器件种类较多，按照其防护特性可分为开关型（也称为能量转移型）的半导体器件和箝位型（也叫稳压型或能量吸收型）的半导体器件。开关型的半导体器件包括半导体放电管、可控硅等，其特点与间隙型放电管接近，响应时间可达到 1nS 级，残压低，长时间应用的稳定性较好，但两级间的电容量较大，无法适应高频或高速通信网络的要求，在低速通信网络中常用来代替间隙型气体放电管。箝位型的半导体器件包括瞬态抑制二极管（TVS）、半导体稳压二极管等，具有响应速度达到 1nS 级，箝
14、位电压低，器件两级间的电容较小适用于高速通信网络等优点。缺点是防护能力较低，只能用次级防护或精细防护设备上。IV图 3 箝位型防护元器件伏安特性通信网络雷电防护产品及应用 第 8 页 共 11 页热敏保护元件是利用雷电及浪涌电流通过元件时产生的热量使元件阻抗发生阶跃达到防护作用的。一般使用正温度系数的热敏元件串接在通信网络中，在受到冲击使阻抗升高以阻断电路，常用的元件有熔断器，PTC 等。三、防雷三、防雷产产品在通信网品在通信网络络上的上的应应用用通信网络雷电及浪涌防护产品是针对特定的要求来设计的，技术指标繁多，在选用时需要认真分析。目前在通信网络中使用的主要防护设备有：用于 2MHz以下音频
15、通信线路的 MDF 保安单元，用于 15MHz 以下接入网线路的 xDSL 浪涌保护器，用于百兆局域网的宽带网络浪涌保护器，用于控制系统、低速网络的数据线浪涌保护器，用于天馈回路的天馈防雷器等。表 1 为部分通信防护产品的参数，图 4 给出了这些通信防护设备的应用示例。表 1 部分通信网络防雷产品参数（参照广东天乐通信设备有限公司产品资料）产品型号名称标称放电电流电压保护水平传输指标适用网络 SPQ01-KJ xDSL 网络浪涌保护器100A, 10/1000S 3kA ,8/20S400V,100V/S3 30V,100V/S插损0.5dB, 回损 16dB(15MH)用于HDSL/ADSL/SDSL/ VDSL等传输系统中的终 端单元 SPQ01-BI 宽带 网络浪涌保护器3kA ,8/20S 全模式保护35V, 标称放电电流时插损0.5dB (100MHz)用于百兆宽带网络中与局 外电缆相连
