浅析交换接入网雷击损坏的机理及防护

浅析交换接入网雷击损坏的机理及防护
【摘要】阐述了雷电的基本概念和雷击损坏的原理，尤其从接地阻抗，设备的电位差，地线连接等方面，介绍通讯设备受雷击损坏的原因以及防护方法。

【关键词】雷电，雷击
近年来，随着通信行业的迅猛发展，通信设备安全，稳定，可靠地运行已成为日常维护工作的重中之重。

尤其是在夏天雷雨季节来临时，交换设备的防汛，防雷检查更是不能忽视。

一但雷电击中通信设备，就会使部分元器件击穿或烧毁，严重的会导致整个通信局（站）通信中断，给用户和企业都带来不可估量的毁失和影响。

日益突出的通信设备防雷问题已引起设备制造商和通信运营商的高度重视。

一、雷电的基本概念
雷电是由于空气的流动，使部分云层因摩擦而带上电荷。

当带正电荷的云层与带负电荷的云层靠近时，就会将中间的空气击穿，形成强大的电流，出现闪电和雷声，这种雷叫高空雷。

这种雷电对通讯设备的破坏力较弱，只对架空的电缆产生一定的感应雷电流，且这种雷电流的量级很小。

当带电云层靠近地面或接地的导体时，电位差将把空气击穿，并泄放电荷，对地形成强大的雷电流。

如果带电云层接近与通讯设备相连的导体，如用户电缆、中继电缆、电源线等时，强大的雷电流就会通过这些电缆。

由于电力线架设高，较容易受到这样的雷击。

这种雷击我们称为直接雷。

直接雷的破坏力非常巨大，电流可达200KA，甚至更大。

当带电云层对地放电时，强大的雷电流将在其周围产生很大的冲击磁场，使磁场周围的导体感应产生电流。

由于雷电流的强度非常大，感应的电流也可能很大，这样的雷击也很容易造成通讯设备的损坏，这种雷我们称之为感应雷。

很多情况虽然雷电直接打到通讯设备的电缆（如用户线）上，但由于电缆在进入机房前通过长距离的穿管（金属导电管，且良好接地）或（和）埋地，雷电流将会在电缆周围形成强大的磁场，使外层的金属管、其它平行走线的电缆，以及周围的大地（大地为良导体）感应出较大的电流，雷电流的绝大部分能量以热的形式消耗在大地中，受直接雷击的电缆自身的雷电流强度则大大降低，这样的雷击我们也看成是感应雷击。

感应雷的雷电流强度通常在1KA以内。

由于使用环境的原因，用户电缆、中继电缆通常不易遭到直接雷击，这些电缆在进入机房通讯设备前通常都经过了穿管、埋地处理都，因此，对这些信号线的防护只需考虑感应雷强度。

雷击电流的波形范围主要是：上升时间在0.2～200uS，半波时间在10～2000uS之间，能量（功率谱）分布在几百Hz到几百KHz之间，其中绝大部分能量集中在10KHz～30KHz。

通常带电云层的电荷量巨大，电势高，放电电阻相对很大，放电形式近似于恒流源放电。

当雷击通过高阻电路时，会产生很高的电压。

因此，对直接雷、直接感应雷（指需要防护的接口电缆被雷电流感应的情况），防护要求应考虑接口的过电流能力。

二、损坏的原理
某局的中继板被打坏了，现场了解发现，交换机和传输设备相距很近，相连的E1电缆也只有2～3米的长度，不能确定雷击损坏的原因；还有这样的讨论：“这个接口需不需要做雷击浪涌实验”，“不需要，这个接口线的长度最多只有10来米，没有必要做了”。

这些误解都是因对雷击损坏的原理不够了解的结果，相信很维护人员都有这样的错误认识，由此可能产生的结果是：很多应该做雷击防护的接口没有做或防护等级不够；对系统接地、设备间等电位不够重视；对部分雷击事故，事后不能准确分析事故原因，消除问题根源。

那么，究竟雷击损坏有哪些途径，哪些接口（端口）需要雷击防护，如何防护和防护等级如何确定呢。

下面我就从接地阻抗的概念开始，介绍通讯设备受雷击损坏的原因，以及防护方法。

1、接地体的接地电阻。

接地电阻大家都不陌生，任何接地都存在接地电阻。

通常说的接地电阻是指接地体与大地按一定测试方法下电阻关系。

由于接地体通常是通讯设备的电位参考点，其电位变化对机房内接在同一接地体的设备间电位没有影响，因此，从防雷角度讲，接地体的接地电阻对防雷影响一般不大。

但如果机房内有多个接地体，不同设备分别接到不同的接地体上，这种情况接地电阻就比较重要了。

2、接地线阻抗。

在上面的分析中，我们没有考虑接地线的阻抗，即把接地线电阻（阻抗）看成为0。

由于雷击是频率较高的冲击电流，接地线的阻抗与直流电阻差异很大。

一根10mm2、10米长的接地线，其直流电阻与阻抗相同，约为0.018欧姆，但对于交流电，其阻抗与直流电阻有很大的差异。

首先，接地线存在电感，对于我们通常使用的接地线，等效电感约为1.4uH/m。

假设雷电流的主要能量为15KHz，这根10米的接地线的感抗为2πfL，即为1.32欧姆，是它的直流阻抗的73倍多；其次，由于我们的接地导线通常都是圆导线，通过交流电流后，磁场的对称性使导线内部圆心位置的电流为零，从导线的金属外皮到圆心，电流不断减小，直至为零，电流的频率越高，电流越集中在导线的表层，真这种现象叫集肤效应（又叫趋肤效应）。

由于集肤效应的存在，对于雷电流，接地线的通流面积大大减小，其交流电阻远大于直流电阻。

三、雷击的防雷
从上面的分析看，雷击损坏都是由于雷电流的存在，使得电路之间出现电位差，将器件击穿，或使器件进入闩锁状态而损坏。

因此，雷击防护可从三方面下手解决，第一是分流法，即切断雷电流，不让雷电流流入通讯设备内，也就不会
引起电位差；第二种方法是从系统上考虑接地，合理分配雷电流及其形成的电位差，使耐压能力低的接口上的雷击电位差尽量小，让耐压能力强的接口分配较多的电压；第三是提高接口的耐压能力。

第一种方式包括使用带保安单元的配线架，安装避雷器等。

这种方法主要用在前级防护上，让大的雷电流在进入通讯设备前得到很大的分流衰减。

从我们上面的分析看，通讯设备内（配线架后的设备）如果出现200A左右的雷电流，就会在电路之间产生数百伏的电压，这样的高压对常用接口及单板上的防护电路来说都很难承受。

前面谈到，电缆上的感应雷电流的强度可达1KA，甚至更大，没有前级分流防护，后面的两种方法都很难发挥作用。

分流法采用低阻将雷电流泄放到大地，因此泄放回路的阻抗非常重要，这方面的分析计算前面已介绍了很多。

我们在前期的防雷整改调查中发现，部分局站的配线架没有使用保安单元，配线架接地情况很差，接地线很长，接地电阻大，有的根本没有接地，防雷整改中应重点检查。

防雷器的使用以前较少，其原理与保安单元相同，使用时首先要合理选择避雷器的参数和型号规格，要注意避雷器泄流地线长度和接地位置，否则可能会降低防护效果，甚至起不到防护作用。

第二种方法是从系统接地上合理分配雷击造成的过电压，这种方法费用低，可在现成的系统上进行整改，而且改善效果较好。

该方法包括机架间进行地线互连，如用接地短线将传输设备的地与交换地相连接，主控机架的地与用户机架地短接。

但由于同一机房或局站的各个设备可能来自不同的设备供应商，很多方案不能按需要进行实施。

从前面的分析看到，由于接地线阻抗引起的地电位差是雷击损坏的主要原因，如果通过阻抗很小的接地网将电源、配线架和通讯设备互连起来，就会大大降低设备间的地电位差。

四、交换接入网防雷整改总体要求
对于雷击事故的调查表明，目前雷击事故基本都可以通过规范施工避免，主要原因有：
1、用户电缆配线架未接地或接地不规范（连接点不正确）、保安单元未安装或失效等致使雷电从用户电缆侧串入；
2、与传输系统不共地或传输系统接地不良，导致雷电从E1线串入，致使远端模块的中继板损坏；
3、交流无防雷设备，或防雷器件失效后未及时更换，致使从雷电从交流电源口串入，致使交换设备故障；
4、地线不符合规范，包括线径过细（网上发现只有2平方的）、过长，连接
处腐蚀，中间有断点等；
5、信号线、电源线、地线互相缠绕走线，雷电感应串入；
6、网上老设备未按新接地规范连接，致使本身防护性能不足，抗雷击性能差。

（新规范要求联合接地、GND/PGND机柜内短接、机柜间短接）
针对以上问题，制定如下防雷整改措施（重点为远端模块）：（1）配线架接地检查；（2）交换E1避雷器安装；（3）U口避雷器安装；（4）电源口防雷检查；（5）系统地线的检查整改
五、结束语
近年来，通讯设备遭雷击的现象时有发生，造成部分元器件被击穿或烧毁，严重的导致整个局点通信中断，破坏了通讯设备的安全稳定运行。

因此了通讯设备雷电和防雷知识，对设备维护人员是非常重要的。

参考文献：
[1]《通信局（站）接地设计暂行技术规定（综合楼部分）》中华人民共和国邮电部部标准。