雷电与通信电源的安全防护措施

（一）雷电的产生

雷电是一种自然现象，雷电源于异性电荷群体间的起电机制。这里所说的电荷群体既可以是带大量正、负极性电荷的雷云，也可以是附有大量感应电荷的大地或物体表面。我们知道，异性电荷群体间存在着电场，当电荷量增大或电荷间距缩小时，电场强度将增大，若场强增大到超过空气的击穿场强（一般为500～600kV/m2）后，就会发生大气放电现象，伴随着强烈的光和声音，这便是人们常说的电闪雷鸣。

（二）雷电参数

1.雷电流波形

雷电流是一个非周期的微秒级（μs）瞬态电流，常用“波头时间/波长时间”来表示。波头时间是指雷电波从始点到峰值的时间，波长时间是指从始点经过波峰下降到半峰值的时间。必须注意的是，雷电流在导线上传输后，由于受到传播特性的影响，其波头时间和波长时间都将变长。

在IEC标准、国标及原邮电部通信电源入网检测细则中，规定的模仿雷电波形有10/350μs电流波、8/20μs电流波、1.2/50μs电压波或10/700μs电压波等。这里的10/350μs电流波，是指波头时间为10μs、波长时间为350μs的冲击电流波；余下类同。

2.雷电流峰值

雷电流峰值的单位为kA（千安），其数值一般以统计概率形式给出。若以P（i）表示雷电流超过i的概率，则有：

P（i）＝e-bi

b为统计常数，在我国大部分地区b＝0.021A-l，在西北及东北省份少雷地区，可取b＝0.042kA-1。

表5-2给出了我国雷电流概率，[1-P（i）]即表示雷电流不大于i的概率。

表5-2　我国雷电流峰值概率表

3.年雷暴日数和年雷暴时数

雷暴日数是一个气象统计数，它规定为若24h内凭听觉听到一次以上的雷声就叫作一个雷暴日。某地区在一年中所记录到的雷暴日数就作为该地区的年雷暴日数。

年雷暴时数的概念与年雷暴日数类似，它更能反映某地区落雷的频度。

年雷暴日数和年雷暴时数是衡量雷害程度的主要参数，一般在当地的气象部门保存有记录数据。

（三）雷击种类

我国的雷种主要有直击雷、球雷、感应雷和雷电侵入波四种。

直击雷是雷电与地面、树木、铁塔或其他建筑物等直接放电形成的，这种雷击的能量很大，雷击后一般会留下烧焦、坑洞，突出部分被削掉等痕迹。

球雷是一种紫色或灰紫色的滚动雷，它能沿地面滚动或在空中飘动，能从门窗、烟囱等孔洞缝隙窜入室内，遇到人体或物体容易发生爆炸。

感应雷是指感应过压。雷击于电线或电气设备附近时，由于静电和电磁感应将在电线或电气设备上形成过电压。没听到雷声，并不意味着没有雷击。

雷电侵入波是雷电发生时，雷电流经架空电线或空中金属管道等金属体产生冲击电压，冲击电压又随金属体的走向而迅速扩散，以致造成危害。

危害通信电源的雷击，大部分是雷电侵入波或感应雷。若通信电源遭直击雷或球雷，安装在附近的其他电气（电信）设备一般也将被损坏。

（四）我国雷暴活动的特征

各国的雷电多发地区随各自的地貌、气象和地质条件而异。我国幅员辽阔，不同地区的雷电活动相差较大。

1.我国平均年雷暴日的地理分布特征

东经105°以东地区的平均年雷暴日具有随纬度减小而递增的趋势，这种趋势在长江以北地区不显著，而在长江以南地区却较为明显。如东北地区的平均年雷暴日约20～50日，多数地区为30～40日，长江两岸地区增至约40～50日，而两广地区则递增至70～100日。海南省平均年雷暴日一般大于100日，其中部可超过120日，这是我国平均年雷暴日最高的地区。

东南沿海地区的平均年雷暴日偏低于同纬度离海岸稍远地区的数值，而小岛屿的平均年雷暴日又偏低于同纬度沿海地区的数值。这种趋势在纬度较高时不明显，反之亦然。如纬度较低的广东汕头的平均年雷暴日为53日，同纬度偏西约200km的惠阳则为88日，两者相差35日，又如海南南面陵水地区平均年雷暴日为85日，但纬度更低的西沙岛仅为35日，两者相差达50日。

西北广大地区，如新疆、甘肃和内蒙古的沙漠和戈壁滩，以及青海省柴达木盆地等地区，因气候干旱，平均年雷暴日较低，一般不超过20日。其中新疆准格尔盆地古尔班通古特沙漠、塔里木盆地塔克拉玛干沙漠和青海柴达木盆地等广大地区的平均年雷暴日低于10日，青海冷湖地区仅2日，它可能为我国平均年雷暴日最低的地区。但是，新疆西北角山区的平均年雷暴日一般可达20～50日，其中昭苏则高达91日。

西南大部分地区，由于地势较高、地形起伏较大，其平均年雷暴日为50～80日，往往高于同纬度其他地区的数值。如青藏高原和云贵高原西部等山区，其平均年雷暴日比同纬度内陆地区的数值约偏高20～40日。

江湖流域、河谷平原及河谷盆地等地区的平均年雷暴日往往偏低于同纬度其他地区的数值。如湖南岳阳、长沙和衡阳一带的洞庭湖和湘江流域，地势低洼、平坦的四川盆地，以及西藏东南角雅鲁藏布江流域等地区的年雷暴日均偏低于同纬度其他地区的数值。这主要是因这些地区受水面影响，使春末至初秋近地层气温偏低，不利于形成可产生强烈对流运动的不稳定层结，从而使平均年雷暴日偏低。

由此可见，我国平均年雷暴日具有南方多于北方，山地多于平原，内陆多于沿海地区、江湖流域，以及潮湿地区多于干旱地区的地理分布特征。

2.我国平均年雷暴时的地理分布特征

东经105°以东地区的平均年雷暴时具有随纬度减小而递增的趋势。如我国东北地区的平均年雷暴时为50-200时，多数地区为70～150时，长江两岸地区增至150～200时，而两广南部地区则增至400～600时，个别地区可超过700时，如广西西南角的东兴高达710时，估计两广南部和海南地区为我国平均年雷暴时的最高地区。

东南沿海地区平均年雷时偏低于同纬度离海岸稍远地区的数值，而小岛屿的平均年雷暴时又偏低于同纬度沿海地区的数值。如广东汕头平均年雷暴时171时，而偏西北约200km的连平地区为272时，两者相差101时；义如海南北面的海口为471时，纬度更低的西沙岛则只有114时，两者之差高达357时。

我国西北广大沙漠、戈壁滩和干旱盆地等地区，平均年雷暴时一般不超过25时，为我国平均年雷暴时最低的地区。如新疆乌鲁木齐为7时，甘肃敦煌为9时，青海冷湖仅4时。但新疆西北角山区的平均年雷暴时一般可达500～200时，其中昭苏则高达310时。

我国西南大部分地区地势较高、地形起伏较大，因此，其平均年雷暴时往往偏高于同纬度其他地区的数值。例如，青藏高原等山区的平均年雷暴时，比同纬度其他地区的数值偏高50N100时。

此外，湖南岳阳、长沙和衡阳一带的洞庭湖和湘江流域以及西藏东南角雅鲁藏布江流域等江湖流域地区的平均年雷暴时往往偏低于同纬度其他地区的数值。

由此可见，我国平均年雷暴时的地理分布特征具有与平均年雷日相同的特点，即南方多于北方，山地多于平原，内陆多于沿海地区、江湖流域，以及潮湿地区多于干旱地区等。但是，由于雷暴时与雷暴发生次数和雷暴持续时间有关，因此平均年雷暴时与平均年雷暴日在地理分布上尚存在一些差异。

（五）通信电源的防雷

1.通信电源的动力环境

通信电源动力环境的交流供电变压器绝大多数为10kV，容量从20kV·A到2000kV·A不等。220/380V低压供电线短则几十米，长则数百上千米乃至几十千米。市电油机转换用于市电和油机自发电的倒换。交流稳压器有机械式和参数式两种，前者的响应时间和调节时间均较慢，一般各为0.5s左右。

2.雷击通信电源的主要途径

雷击通信电源的主要途径有以下几种：

变压器高压侧输电线路遭直击雷，雷电流经“变压器→380V供电线→……→交流屏”，最后窜入通信电源。

220/380V供电线路遭直击雷或感应雷，雷电流经稳压器、交流屏等窜入通信电源。

雷电流通过其他交、直流负载或线路窜入通信电源。

地电位升高反击通信电源。例如：为实现通信网的“防雷等电位连接”，现在的通信网接地系统几乎全部采用联合接地方式。这样当雷电击中已经接地的进出机房的金属管道（电缆）时，很有可能造成地电位升高，这时交流供电线通信电源的交流输入端子对机壳的电压up，近似等于地电位。雷电流一般在10kA以上，故up一般为几万V乃至几十万V。显然，地电位升高将轻而易举地击穿通信电源的绝缘。

（六）通信电源动力环境的防雷

1.对通信电源防雷应有的认识

通信局（站），尤其是微波站和移动基站，因雷击而造成设备损坏、通信中断是常有的事情，其中雷电通过电力网和通信电源而造成设备损坏或通信中断的又占有较大的比例。因此，对通信电源的防雷要有足够正确的认识。

首先，任何一项防雷工程都必须兼顾防雷效果和经济性，是概率工程。对防雷的设计越高，所需的投资就会成倍增长。即便不考虑经济性，设计上非常严格的防雷工程也不能保证百分之百不受雷击。例如，著名的美国肯尼迪航天中心（KSC）也发生过数次雷击事故。

其次，通信局（站）的防雷是一项系统工程，通信电源防雷只是这项系统工程的一部分。理论研究和实践都表明，若这项防雷系统工程的其他部分不完备，仅单纯对通信电源防雷，其结果是既做不好通信局（站）内其他设备的防雷，又会给通信电源留下易受雷击损坏的隐患。这是因为雷电冲击波的电流/电压幅值很大，持续时间又极短，企图在某一位置、靠一套防雷装置就解决问题是目前科技水平所无法实现的。根据国际电工委员会标准IEC664给出的低压电气设备的绝缘配合水平，对雷电或其他瞬变电压的防护应分A、B、C等多级来实现。

我国的通信行业标准也对变压器、220/380V供电线、进出通信局（站）的金属体和通信局（站）机房等的防雷措施做出了相应规定。若不按这些规定采取相应的A级和B级防雷措施，变压器高压侧避雷器的残压将直接加到电源防雷器上，这是非常危险的。(www.xing528.com)

2.供电线路和设备的防雷措施

变压器高、低压侧均应各装一组氧化锌避雷器，氧化锌避雷器应尽量靠近变压器装设。变压器低压侧第一级避雷器与第二级避雷器的距离应大于或等于10米。

严禁采用架空交、直流电力线进出通信局（站）。

埋地引入通信局站的电力电缆应选用金属铠装层电力电缆或穿钢管的护套电缆，埋地电力电缆的金属护套两端应就近接地。在架空电力线路与埋地电力电缆连接处应装设避雷器，避雷器、电力电缆金属护层、绝缘子、铁脚、金具等应连在一起就近接地。

自通信机房引出的电力线应采用有金属护套的电力电缆或将其穿钢管，在屋外埋入地中的长度应在10m以上。

通信局（站）建筑物上的航空障碍信号灯、彩灯及其他用电设备的电源线，应采用具有金属护套的电力电缆，或将电源线穿入金属管内布放，其电缆金属护套或金属管道应每隔10m就近接地一次，电源芯线在机房入口处应就近对地加装避雷器。

通信局（站）内的工频低压配电线，宜采用金属暗管穿线的布设方式，金属暗管两端及中间必须与通信局（站）地网焊接连通。

通信局（站）内交、直流配电设备及电源自动倒换控制架，应选用机内有分级防雷措施的产品，即交流屏输入端，自动稳压稳流的控制电路，均应有防雷措施。

在市电油机转换屏（或交流稳压器）输入端、交流配电屏输入端三根相线及零线分别对地加装避雷器，在整流器输入端、不间断电源设备输入端、通信用空调输入端，均应按上述要求增装避雷器。

太阳电池的输出馈线应采用具有金属护层的电缆线，其金属护层在太阳电池输出端和进入机房入口处应就近分别与房顶上的避雷器带焊接连通。芯线应在入机房前入口处—对地就近安装相应电压等级的避雷器。太阳电池支架至少有两处用40×4的镀锌扁钢就近和避雷带焊接连通。

风力发电机的交流引下电线应从金属竖杆里面引下，并在进入机房前入口处安装避雷器，防止感应雷进入机房。

（七）PS通信电源的防雷

1.压敏电阻和气体放电管

压敏电阻和气体放电管是两种常用的防雷元件，前者属限压型，后者属开关型。

压敏电阻属半导体器件，其阻抗与冲击电压和电流的幅值密切相关，在没有冲击电压或电流时其阻值很高，但随幅值的增加会不断减少，直至短路，从而达到控压的目的。目前用在PS通信电源交流配电部分的压敏电阻有：

OBO防雷器中可插拔的V20-C-385：最大持续工作电压AC385V，最大通流量40kA，白色。

SIEMENS公司的SIOV-B40K385和SIOV-B40K320：最大持续工作电压分别为AC385V和AC320V，最大通流量40kA，块状，蓝色。

德国DEHN公司的Dehng Uard 385：最大持续工作电压AC385V，最大通流量40kA，红色。

目前用在整流模块内的压敏电阻主要是SIEMENS公司的S20K385、S20K320和S20K510，最大通流量为8kA，最大持续工作电压分别为AC385V、AC320V和AC510V，圆片状，蓝色。

压敏电阻的响应时间一般为25μs。

与压敏电阻不同，气体放电管的阻抗在没有冲击电压和电流时很高，但一旦电压幅值超过其击穿电压就突变为低值，两端电压维持在200V以下。以前没有用到气体放电管，现用于新防雷方案中，其击穿电压是DC600V，额定通流量为20kA或10kA。

2.PS通信电源的防雷措施

新的电源防雷方案，严格依照IEC 664、IEC 364-4-442、IEC 1312和IEC 1643标准设计和安装，出厂时均为两级防雷。对个别雷害严重、动力环境防雷不完备或有其他特殊要求的用户，帮助其设计和安装B级防雷装置，构成先进的三级防雷体系。

新方案同旧方案的主要区别是：

（1）在压敏电阻和气体放电管前均串联有空气开关或保险丝，能有效防止火灾的发生。

（2）不是在三根相线对地、零线对地之间直接装压敏电阻，而是在三根相线对零线之间装压敏电阻，在零线对地之间装气体放电管。

同OBO防雷器类似，Dehnguard 385也可监控，也有正常为绿、损坏变红的显示窗。Dehngap C无报警功能，无显示窗。防雷盒上有指示灯，正常时发绿光，损坏后熄灭。防雷器或防雷盒出现故障后，必须及时维修。

（八）接地

1.通信电源动力环境的接地

依据铁道部2010年《通信维护暂行规则技术规定》，对通信电源动力环境的接地要求：

（1）通信局（站）的接地方式，应按联合接地的原理设计，即通信设备的工作接地、保护接地、建筑物防雷接地共同合用一组接地体。

（2）避雷器的接地线应尽可能短，接地电阻应符合有关标准的规定。

（3）变压器高、低压侧避雷器的接地端、变压器铁壳、零线应就近接在一起，再经引下线接地。

（4）变压器在院内时，变压器地网与通信局（站）的联合地网应妥善焊接连通。

（5）直流电源工作接地应采用单点接地方式，并就近从接地汇集线上引入。

（6）交、直流配电设备的机壳应单独从接地汇集线上引入保护接地，交流配电屏的中性线汇集排应与机架绝缘，严禁接零保护。

（7）通信设备除工作接地（即直流电源地）外，机壳保护地应单独从汇集线上引入。

2.通信电源的接地

通信电源的接地包括安全保护接地、防雷接地和直流工作接地。

安全保护接地亦即将机壳接地。在PS通信电源中，依据IEC标准，防雷接地和安全保护接地共用。该接地引线应选用铜芯电缆，其横截面积一般取35～95mm2，长度应小于30m（协调防雷器的响应时间，快速将雷电泄放至大地）。工频接地电阻值应符合《通信局（站）电源系统总技术要求》，建议小于3Ω。

直流工作接地亦即将电源直流输出端的正极接地，原则上应与安全保护接地和防雷接地共用，若分开，接地引线电缆的横截面积、工频接地电阻值由用户视负载情况而定。

（九）防雷器非正常损坏的一些因素

除雷电冲击波以外，还存在另外一些过电压，如：变压器高压绕组发生接地故障时，在低压侧引起的工频持续过电压；脉宽在0.1s以内、幅值一般不超过6kV的操作过电压；脉宽在0.1s到0.2s、幅值一般不超过3kV的暂时过电压。

对雷电冲击波、操作过电压和暂时过电压，电源防雷装置一样能够且必须为通信电源提供保护。若这些过电压的能量太大，超过防雷器的最大吸收能量，防雷器将不可避免地失效，这属正常现象。

防雷器只能用于吸收脉宽较窄的尖峰电压，不能用来吸收能量极大的丁频持续过电压。但我国的电网，特别是农村电网，工频持续过电压却不时发生，所以我们经常碰到的是没有雷击，防雷器也坏。下面结合电源防护经验，介绍一些导致防雷器失效的电网质量问题。

1.接地故障引起的工频持续过电压

常用的低压电力网有两种型式，一种是变压器中性点直接接地、设备外壳单独接地，两接地无电气连接的TT配电系统；另一种是变压器中性点直接接地、设备外壳接地亦通过变压器的接地来实现的TN-S配电系统。对防雷器危害最大的接地故障是变压器高压绕组发生接地故障。

2.零线对地电压漂移的影响

它相负载严重不平衡或通信电源距离变压器较远，都可能使零线对地电压uN-PE，出现较大漂移。这时，如果在相线对地之间直接装防雷器，则防雷器端电压uSPD）为相电压uL-N与零线对地电压的矢量和，即：

uSPD=uL-PE=uL-N+uN-PE

显然，防雷器很容易因端电压超过其最大持续工作电压而失效。

3.稳压器的影响

交流稳压器有两种，一种是参数式的，另一种是机械式的。前者的响应时间较短，一般小于0.1s。

机械式交流稳压器是通过伺服电机改变副边绕组匝数来实现稳压的，其反应时间和调节时间主要取决于惯性较大的伺服电机，各为0.5s左右。这种稳压器，在电网电压频繁波动或瞬时停电时，将因来不及反应而给电源防雷器、电源整流主回路造成损害。举例来说，当电网电压U01为160V时，稳压器副边匝数比应为η1。若这时电网电压突然升高至U02为270V，则稳压器将因伺服电机来不及反应，在输出中有幅值为UA371.3V、脉宽小于反应时间的尖峰，而后在调节时间内改变副边匝数比至η2，将输出电压稳定在220V左右。因此，尽量不要使用机械式稳压器。