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通信系統(tǒng)的防雷技術(shù)

文檔作者：馮金成等文檔來(lái)源：河南公安專科學(xué)校通信室廣東公安?？茖W(xué)校計(jì)算機(jī)宣		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年11月04日
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6 1
· 36·
．磷爭(zhēng) 盧 露 ／。愀
電 力 系 統(tǒng)通信 』g97年第3期
通信系統(tǒng)的防雷技術(shù)
河南公安專科學(xué)校通信室 羔
廣東公安?？茖W(xué)校計(jì)算機(jī)宣 馮金成
提要．?dāng)⑹隼纂娊o通信、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)帶來(lái)的嚴(yán)重危害和 ：：： 及其形式。指出感應(yīng)雷是使
通信、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被損壞的主要原因，提出 預(yù)防直擊雷、惑應(yīng)雷的有效措施。
1 前言
雷電會(huì)給人類帶來(lái)災(zāi)害，因此人類很早就與雷
害進(jìn)行斗爭(zhēng)。雷電活動(dòng)從季節(jié)來(lái)說(shuō)以仲夏最活躍，冬
季最少。從地區(qū)分布來(lái)說(shuō)，赤道附近最活躍，隨著緯
度的升高而減少，極地最少。
對(duì)雷電活動(dòng)強(qiáng)弱的評(píng)價(jià)，通常有多種方法，其中
一種方法是使用“雷電日 來(lái)評(píng)價(jià)。所謂“雷電日 ，是
以一年中該地區(qū)能聽(tīng)到雷鳴的天觳來(lái)表示?！袄纂?
日”的天數(shù)越多，表示該地區(qū)雷電活動(dòng)越強(qiáng)，反之則
越弱。我國(guó)平均“雷電日”的分布，大致可分為四個(gè)區(qū)
域：西北地區(qū)通常在15日以下，長(zhǎng)江以北大部分地
區(qū)通常在1 5～4O日之間，長(zhǎng)江以南地區(qū)選4O日以
上，而華南地區(qū)超過(guò)80日 廣東的雷州半島及海南
省是我國(guó)雷電活動(dòng)最劇烈的地區(qū)，年平均雷電日高
達(dá)12O～130日。總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)是雷電活動(dòng)很強(qiáng)的
國(guó)家
大家知道，當(dāng)代社會(huì)越來(lái)越依賴無(wú)線通信、有線
通信、數(shù)據(jù)通信等微電子設(shè)備，而雷電可能會(huì)使這類
設(shè)備受損而影響到千家萬(wàn)戶和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生活的各
個(gè)方面。例如，1992年5月1日長(zhǎng)沙湖南廣播電視
大學(xué)200門程控電話、六臺(tái)計(jì)算機(jī)、多部彩電因遭雷
擊披毀，損失20多萬(wàn)元；1992年9月1 6日深圳國(guó)
際機(jī)場(chǎng)25套通訊、雷達(dá)、導(dǎo)航設(shè)備中有5套因遭雷
擊而受到損壞，幾乎使機(jī)場(chǎng)封c玎；1992年6月22日
我國(guó)國(guó)家氣象中心大型通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
遭雷擊，使硬件損壞、通信中斷，造成的直接經(jīng)濟(jì)損
失為2O多萬(wàn)元。
因此，認(rèn)真研究雷電產(chǎn)生的原因，提高雷電防護(hù)
的技術(shù)水平十分重要。
2 雷電的產(chǎn)生
雷是一種大氣中的放電現(xiàn)象。當(dāng)一部分帶電的
‘
云層與另一部分帶異種電荷的云層之間，或者是一
部分帶電的云層對(duì)大地之間，進(jìn)行迅猛的放電，這種
迅猛的放電過(guò)程產(chǎn)生強(qiáng)烈的閃光，并伴隨巨大的聲
音，我們稱之為雷電。云層之間的放電主要對(duì)飛行器
產(chǎn)生危害；而云層對(duì)地面的放電，則對(duì)建筑物和建筑
物內(nèi)的設(shè)備以及對(duì)人、畜產(chǎn)生巨大的危害，這就是雷
擊。
雷擊有三種主要形式：第一種是帶電的云層與
大地上某一點(diǎn)之間，發(fā)生迅猛的放電現(xiàn)象，叫做 直
擊雷 。第二種是帶電云層發(fā)生直擊雷以后，由于靜
電感應(yīng)作用，使地面某一范圍內(nèi)帶上異種電荷，而地
面上某些范圍由于散流電阻大，出現(xiàn)了高電壓，此時(shí)
高電壓對(duì)微電子設(shè)備發(fā)生閃擊和電磁感應(yīng)現(xiàn)象，這
叫做“感應(yīng)雷”或稱“二次雷” 第三種雷叫 球形雷”。
所謂“球形雷”，是指在雷雨夭，一些帶顏色的火球
(如藍(lán)色、紫色或紅色等)在空中、地面水平方向移動(dòng)
或滾動(dòng)，其直徑由十余厘米至幾十厘米，甚至超過(guò)一
米，它能通過(guò)煙囟、開著的窗戶、門和其它的縫隙進(jìn)
入室內(nèi)，或無(wú)聲地消失，或發(fā)出絲絲的聲音，或發(fā)生
劇烈的爆炸。
不管是那一種雷，都與帶電的云層分不開，帶電
圈1 典型的雷雨云中的電荷分布，
左端按此分布?xì)w納的理想模式
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1997年第3期 電力 系統(tǒng)通信 ·37·
的云層稱為雷云。雷云通常是上層帶正電荷，下層帶
負(fù)電荷。大地被雷擊時(shí)，多數(shù)是負(fù)電荷雷云向大地放
電，少數(shù)是雷云上的正電荷向大地放電。在一塊雷云
發(fā)生的多次雷擊中，最后一次雷擊往往是雷云上的
正電荷向大地放電。從觀測(cè)證明，發(fā)生正電荷向大地
放電的雷擊顯得特別猛烈。圖1為典型的雷云的電
荷分布。
在雷擊中，受雷擊的地點(diǎn)有巨大的電流流過(guò)，稱
為 雷電流”?！袄纂娏鳌狈逯荡蠖紴閹资О?，少數(shù)為
上百千安以至幾百千安。雷電流峰值的大小大體與
土壤電阻率的大小成反比，如圖2所示。
酉電流(kA)
l
＼
、
1
|
、
、
＼
1 2 3 4 5 6 7 8 9 l01ll2l314
× 10‘t'l·c|Ⅱ
圖2雷電流與土壤電阻率的關(guān)條
因?yàn)槔自品浅Ｖ螅碾姾刹荒芤淮?
放完，通常一次雷電包括3～4次放電，重復(fù)放電都
是沿著第一次放電通路進(jìn)行的。第一次放電是由雷
云最低層發(fā)出的，隨后放電是從較高云層、或相鄰區(qū)
域發(fā)出的。一次放電的部時(shí)間可達(dá)十分之幾秒。圖
A
I —— 一
且
一
， I ●一
一 ． 一一
0 80+ 160 240 3：O 400 s c )
圖3 負(fù)閃擊時(shí)的．平均電流波形(Be'rger等，1975)
A一完整記錄的波形，B一放大了的波前帶
3是雷電流的波形。
3 直擊雷的預(yù)防
對(duì)于直擊雷．人們很早就對(duì)它進(jìn)行了研究。早在
I 749年，美國(guó)人富蘭克林就發(fā)明了避雷針。發(fā)展到
現(xiàn)在，除避雷針外，還有避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)等防
直擊雷的裝備。它們都是用金屬材料做成．安裝在建
筑物的最高點(diǎn)，如屋脊或四面屋角等最易受雷擊的
地方。
當(dāng)高空出現(xiàn)雷云的時(shí)候，大地上由于靜電感應(yīng)
作用，必然帶上與雷云相反的電荷。而避雷設(shè)備(避
雷針、避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)等)都處于地面上建筑
物的最高處，與雷云的距離最近，而且與大地有良好
的電氣連接，所以它與大地有相同的電位，比較容易
吸引雷電，而它附近，尤其是比它低的物體受雷擊的
機(jī)會(huì)就大大減少。
通常把避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)等統(tǒng)稱
為接閃器。
雷擊的時(shí)候．雷云通過(guò)接閃器向大地放電的過(guò)
程，可以近似用RC放電過(guò)程來(lái)模擬，如圖4所示。
大地與雷云之間相當(dāng)一個(gè)充了電的電容器．用c表
示；接閃器和大地之問(wèn)連接的電阻(包括連接線的電
阻和接地體的散流電阻)用R表示。
a)冒擊時(shí)雷云與大地 b)雷擊時(shí)的等艘電路囝
圖4 雷擊時(shí)的電氣原理
由等效電路圖可知．雷擊時(shí)電流i與R及接閃
器上的電壓相互關(guān)系適合RC放電方程；
iR— u 一0
因 i— c
故 RC +uc—o
解方程得u 一Ae一
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· 38 - 電力 系統(tǒng)通信 1997年第3期
由式可見(jiàn)，當(dāng)t一0時(shí)，則A就是剛剛發(fā)生閃擊
那一瞬間接閃器對(duì)大地的電壓，也就是雷云對(duì)大地
的電壓；R越小，u 衰減得越快，表示雷擊時(shí)散流得
越快，建筑物的危險(xiǎn)性越小。所以理論上要求避雷設(shè)
備接地電阻越小越好。
然而，即使安裝了很好的避雷裝置，通信系統(tǒng)已
是在其保護(hù)之范圍內(nèi)，但同樣可能會(huì)遭受雷擊。例如
1994年7月5日和7月17日成都某單位兩次遭受
到雷擊，建筑物由于裝有避雷裝鬟，完好無(wú)損，但建
筑物內(nèi)的通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)卻遭到損壞，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)陷于
癱瘓，直接經(jīng)濟(jì)損失巨大。經(jīng)分析，這是感應(yīng)雷的作
用所致。
4 感應(yīng)雷的預(yù)防
據(jù)統(tǒng)計(jì)，直擊雷只占雷擊率的lO％左右，球形
雷發(fā)生的機(jī)率很小，而感應(yīng)雷占雷擊率的近90 ，
危害范圍甚廣。
當(dāng)雷擊發(fā)生后，雷云上所帶的電荷，通過(guò)閃擊與
地面的異種電荷迅速中和。但輸電線路、電信線路上
的感應(yīng)電荷由于局部與大地間的電阻比較大，而不
能在同樣短的時(shí)間內(nèi)相應(yīng)消失；這樣就會(huì)形成局部
感應(yīng)高電壓，其值在高壓架空線路上可選300~ 00
kV，在低壓架空線路上可迭100 kV，電信線路可選
4O～60 kV。這種感應(yīng)高電壓可以沿著線路傳入通
信系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)造成損害
那么，怎樣預(yù)防感應(yīng)雷呢?預(yù)防感應(yīng)雷的方法是
選擇和安裝性能可靠的專用避雷器。圖5是被保護(hù)
物安裝專用避雷器的接線原理圖。
圖5 被保護(hù)物安裝專用避雷器的接線原理圖
由圖5可知，專用避雷器裝設(shè)在被保護(hù)物的引
入端 上端接被保護(hù)物的線路，下端接地 正常時(shí)，
避雷器保持絕緣狀態(tài)，不影響被保護(hù)物的正常運(yùn)行。
當(dāng)產(chǎn)生感應(yīng)雷時(shí)，線路局部形成高電壓，于是避雷器
被擊穿而迅速與大地連接，讓雷電流流入大地。這時(shí)
在被保護(hù)物上的電壓僅僅是雷電流流過(guò)避雷器到地
的“殘壓”。該“殘壓 絕不會(huì)影響被保護(hù)物的安全。雷
電流通過(guò)后，專用避雷器又恢復(fù)絕緣狀態(tài)，被保護(hù)物
正常運(yùn)行。
感應(yīng)雷從電源線路進(jìn)入通信系統(tǒng)的機(jī)率非常
高，所以電源避雷實(shí)際上是通信系統(tǒng)避雷的最重要
的一環(huán)。電源避雷器分并聯(lián)式和串聯(lián)式兩種。表l為
某品牌并聯(lián)電源避雷器的參數(shù)．圖6為電源避雷器
接線示意圖
表l 某品牌電源避雷器參數(shù)。
名 稱 工作交謊 起動(dòng)直流 雷電遵流(kA)
電壓(V) 電壓‘V) 8／2(
單搬電穰避雷器 220 20
三植電{嵋【避雷器
口～2—2O— — 、r噸 一r—+l 捆j電器fl
圖6 電源設(shè)備專用避雷器接線示意圖
感應(yīng)雷從信號(hào)線路進(jìn)入系統(tǒng)的可能性亦很高。
程控電話機(jī)、無(wú)線載波機(jī)、干線放大器、有無(wú)線轉(zhuǎn)接
器等一類弱電電子通信設(shè)備的耐沖擊水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)選不
到感應(yīng)雷的感應(yīng)電壓幅值。例如對(duì)VAX系列通信
接口芯片作沖擊擊穿試驗(yàn)表明，使用10／700 s波
形進(jìn)行5次沖擊，其中芯片MC1488的平均擊穿電
壓是103．75 V，芯片MC1489的平均擊穿電壓99．4
V 一般的簡(jiǎn)單屏蔽是保證不了通信設(shè)備的防雷要
求的。因此要采取信號(hào)避雷技術(shù)，即在信號(hào)線路進(jìn)入
電子設(shè)備之前將雷電沖擊波對(duì)地進(jìn)行抑制和疏導(dǎo)．
就顯得非常有必要。
表2為某品牌計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)避雷器基本參
數(shù)。 ．
表2 為某品牌計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)避雷器基本參數(shù)
特性 侏護(hù) 傳轄 防櫥 葛電 插入
接 口 阻抗 電壓 速率 電壓 通謊 擅耗
(n) (V) (dls) (kV) ‘kA) (dB)
RS-232~C一25針 600 l5 20 k 0．6 ()5
Rs-232一C一9針 20 k
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1997年第3期 電力 系統(tǒng)通信 ·39·
國(guó)內(nèi)有些公司已研制出全方位多功能防雷器。
所謂壘方位多功能防雷器．即同時(shí)具有消雷、防雷、
避雷等多種功能，在其引下線四周360。的壘方位范
圍內(nèi)使感應(yīng)雷擊效應(yīng)及雷電流入地耐的反擊都近乎
為零。其中有的產(chǎn)品還同時(shí)具有自動(dòng)報(bào)警和雷電記
錄等功能，是一種嶄新類型的防雷裝置。
廣州市內(nèi)某一省直屬單位的程控總機(jī)室，雖然
在其建筑物上安裝了避雷針，但是仍然在1995年初
連續(xù)三次遭受雷擊，使程控交換機(jī)遭受到不同程度
的損壞。后來(lái)安裝了電源避雷器和信號(hào)避雷器，有效
地防止了感應(yīng)雷，近兩年來(lái)再未出現(xiàn)遭受雷擊的現(xiàn)
象。
R(0)
p=sxlo2 n·m
d=0．0
＼
{
＼
＼
} 、、
l
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
長(zhǎng)度(m)
圖7 昔形接地體接地電阻值與長(zhǎng)度的關(guān)系
5 良好的接地
不論是預(yù)防直擊雷還是感應(yīng)雷，不論是采用避
雷針還是采用專用避雷器，都必須有良好的接地裝
置。
接地裝置的作用是把雷電流從接閃器盡快地散
流到大地，使之與大地的異種電荷中和。圄此對(duì)接地
裝置的要求是要有足夠小的接地電阻和合理的布
局。
接地電阻又稱散流電阻，它與接地體的形狀、尺
寸、安裝方法和土壤電阻率都有關(guān)系。它們之間有一
整套的計(jì)算公式，本文不一一列出，但有兩個(gè)問(wèn)題應(yīng)
當(dāng)指出
(1)接地體的長(zhǎng)度與接地電阻成減函數(shù)關(guān)系。當(dāng)
垂直接地體長(zhǎng)度在5ITI以內(nèi)，隨接地體長(zhǎng)度的增
加，接地電阻迅速下降；當(dāng)接地體長(zhǎng)度大于5 m時(shí)．
接地電阻下降得很少。工程上多數(shù)垂直接地體選用
1．5～3 rn。實(shí)踐證明，用增加接地體的直徑或表面
積來(lái)降低電阻不是什么好辦法。
圖7為管形接地體接地電阻值與長(zhǎng)度的關(guān)系曲
線，圖8為管形接地體接地電阻值與直徑的關(guān)系曲
線。
(2)接地裝置一般敷設(shè)在深為0 5～1 m的土
壤中。這一深度既能夠使接地裝置免受機(jī)械損壞，同
時(shí)又能夠減少氣候?qū)ν寥离娮杪实挠绊懀膊恢率?
施工的費(fèi)用太大。過(guò)于深埋．對(duì)減少接地電阻意義不
大。
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、、／＼ I
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口 5× 10 n ·T口
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長(zhǎng)度(m)
圖8 管形接地體接地電阻值與直徑的關(guān)系
表3提供一個(gè)人工接地體工頻接地電阻的簡(jiǎn)易
計(jì)算公式。便于對(duì)建筑物的接地體電阻作一估算。
表3 人I接地體I頻接地電阻簡(jiǎn)易計(jì)算式
接地體型式 簡(jiǎn)易計(jì)算 式 備 注
垂直式 R：D．3p 長(zhǎng)度3m左右的接地體
單{鍍承平式 R 0．O3 長(zhǎng)度6D m左右的接地體
復(fù)合式 R=0．5日，s S為大于l m。的閉臺(tái)搔地
(接地阿) 阿．p為土壤電阻率(n-m)
參考文獻(xiàn)
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出版杜，1980。
[2] 王錫林、李瑞宏《計(jì)算機(jī)信息系坑安生與反病毒j
電子工業(yè)出版杜，1995。
L3] 蘇邦札、朱文堅(jiān)《建筑物避雷與接地》華南理工大
學(xué)出版社．1988。
∞ 蚰 ¨ 0

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