通信系统过电压产生的原因与防护

1 引言

    随着经济和科技的发展，人们对现代化的通信手段的依赖程度越来越强烈。现代通信正向大规模、高速度、网络化方向发展。这就要求通信设备和通信网络能够安全可靠的运行。但在日常工作中由于雷击和电磁感应等各种原因产生的过电压，时常破坏和干扰通讯系统及其附属设施（如交换机、远端模块、传真机、电话机、调制解调器、开关电源、机房空调等），造成财产损失、设备停用，严重时甚至威胁维护人员和用户的人身安全，给通信部门和用户带来巨大损失。因此，如何防止过电压的产生，减轻过电压造成的危害，一直是通信部门十分关注的问题。在具体的维护工作中，我们应针对不同的过电压产生的原因，采取相应的保护措施，以确保通信设备安全可靠的运行。

2 过电压产生的原因

    过电压的产生有多种原因，其中最常见的是静电放电、电磁感应等。

    静电放电所产生的过电压中，最具代表性的是雷击过电压。电磁感应过电压包括雷电感应过电压和其它感应过电压等。

2.1 雷击过电压的形成

    密集于大地上空的带有大量正电荷或负电荷的云，称为雷云。当雷云中的电荷聚集量很大且具有较高的电场强度时，周围的正、负雷云之间或雷云与大地之间，可能发生强烈的放电现象，称之为雷电现象。

    习惯上把大地的电位视为零，雷云的电位远高于大地的电位，由于静电感应而使大地感应出大量的与雷云电荷异号的电荷，两者类似于一个巨大的空间电容器。雷云中的电荷分布并不均匀，常常形成多处电荷聚集中心，当它的电场强度达到（25～30）kV/cm时，雷云就会开始向大地方向击穿空气，形成一个导电的空气通道，称为雷电先导。当雷电先导进展到离地面100m～300m时，地面上感应出来的异号电荷也在相对集中，尤其是向地面上较高的突出物上集中，于是形成了迎雷先导。迎雷先导和雷电先导在空中相互靠近，当两者接触时，正、负电荷强烈中和，出现极大的电流并伴有雷鸣和闪光，这就是雷电的主放电阶段，时间很短，一般为50μs～100μs。主放电阶段过后，雷云中的剩余电荷沿主放电通道继续流向大地，称为放电的余辉阶段，时间约为0.03s～0.15s，但电流较小，约几百安。

    雷电波具有很高的电压幅值和电流幅值，前者难以测量，后者则可测得雷电流的幅值和增长速率（即雷电流陡度），这两个参数是防雷设计的重要依据。图1是在实验中得到的雷电波的波形，从图中可以看出雷电流从先导放电开始到最大值时间很短，一般约1μs～4μs，称为波头the；雷电流从最大幅值开始衰减，到幅值之半所经历的时间tta称为波尾，约需数十微秒。波头和波尾的整体波形为雷电流波形，通常可用斜角波头表示。雷电流（或雷电压）波形是一种脉冲波，所以常称为冲击波，它是有极性的。

    雷电流陡度a=di/dt，是波头部分的增长速度，单位为kA/μs。雷电流陡度越大，产生的过电压（u=Ldi/dt）越大，对电气设备绝缘的破坏性越严重。如何设法降低雷电流的陡度是防雷设计中的关键。

2.2 雷电感应过电压的形成

    在架空线路附近发生对地雷击时，架空导线上有可能感应出很高的电压，其幅值可达300V～400V，对电气绝缘的破坏性很大，必须设法加以防范。

在雷云放电的起始阶段，雷电先导中有大量电荷向地面挺进，这些电荷形成的电场对架空导线发生静电感应，于是导线上逐渐聚集起大量与雷云电荷异号的束缚电荷Q，见图2(a）。由于架空导线与大地间形成电容C，所以导线对地的雷电感应电压U可用下式表示

    U=Q/C

    在雷云放电的同时，架空导线上的束缚电荷因失去外界束缚力而变为自由电荷（形成感应雷电流），在雷电感应电压U的作用下以电磁波的传播速度沿导线向两侧冲击涌流，如图2（b）所示，通常称为感应冲击波，这就是感应过电压冲击波的形成过程。感应过电压冲击波沿架空导线侵入设备后，对电气设备的绝缘有很大破坏性。

    感应过电压的幅值与雷电流的幅值成正比、与雷击地点到导线的垂直距离s成反比。若s≤65m，则导线上出现的过电压可认为是直击雷形成的过电压。

2.3 其它感应过电压

    对于通讯线路来讲，感应过电压不仅仅是雷电感应过电压。当通讯线路与电力电缆敷设于同一电缆管道中，当电流流过电力电缆时，在电力电缆周围就会产生一个电磁场，这一电磁场能在通讯线路中感应出干扰电压，这个干扰电压虽功率较低，但其持续时间实际上是无限的。特别是当电力电缆漏电时，对通讯电缆的危害将更大，因此在工程中应合理敷设电缆，尽量将不同类型的电缆管道分开。

    从以上过电压产生的原因可以看出，直击雷过电压对通信建筑、无线基站、无线系统的铁塔、天馈线、发射机等高大建筑物和通信设备有较大的危害；而感应过电压对交换机、配线架、远端模块、变压器、开关电源、传真机、电话机等构成危害。这就要求对不同的设备，不同的过电压产生的原因，采取不同的防护措施。

3 过电压的防护

3.1 雷电过电压的防护

    直击雷的防护一般采用避雷针、避雷线、避雷网等来保护被保护对象。

    （1）避雷针

    避雷针是一种高出被保护物的金属针，它的作用是将雷电吸引到金属针上来并安全地导入大地，从而保护附近的被保护物免遭雷击。当雷电先导通道向地面迅速发展而距避雷针顶部较近时，雷云中的电荷即被引向避雷针而导入地中。避雷针在结构上一般由接闪器、引下线及接地体3个主要部分组成。接闪器是避雷针顶部直接与雷云闪络放电的部件，一般用1m～2m长的镀锌钢管(直径大于12mm)或镀锌圆钢管(直径大于20mm)做成，镀锌的目的在于防腐蚀和防锈；引下线采用经过防腐蚀处理的圆钢（直径大于8mm）或扁钢(截面积大于12mm×4mm)，一般应沿支持构架或建筑物外墙以最短路径下地，尽量减小雷电流在引下线上产生的电压降；接地体是埋入地下土壤中的接地装置，用来向大地泄放雷电流的。

    避雷针的保护范围是根据模型实验结果而确定的，所谓保护范围是指被保护物在此空间范围内不会遭受雷击。单支避雷针的保护范围是以避雷针为轴的折线圆锥体，跟雨伞有些相似，如图3所示。折线的确定方法是：A点为避雷针的顶点，避雷针高度为h；B－B′水平线距地面高度为h/2；C（C′）点是地平面上距避雷针（垂直线）1.5h的点；自A点作－45°及225°斜线与B－B′水平线的交点B（B′）。联结ABC和AB′C′折线所包围的空间即为单支避雷针的保护范围，在地面上的保护半径r=1.5h。

    被保护物的高度系指建筑物最高点的高度，被保护物必须完全处于折线锥体的范围之内，这样才不致于遭受雷击。对单支避雷针保护不理想的情况，还可以采用两支或多支避雷针保护，具体的计算方法与单支避雷针类似。

    （2）避雷线

    避雷线主要用来保护传输线路，它由悬挂在被保护物上方的钢绞线、接地引下线和接地体3个主要部分组成。

    单支避雷线的保护范围如图4所示。由避雷线向两侧作与垂直面成25°的斜面，即构成保护范围的上部空间；在h/2处转折，与地面上离避雷线水平距离为h的直线相连的平面，构成了保护范围的下部空间，总体保护范围如同一个屋脊形空间，被保护物必须处于该保护空间之内。

    比较图3和图4可知，同样高度的避雷针和避雷线，避雷针的保护半径（宽度）较大，在地面上保护半径约为避雷线保护宽度的1.5倍，因为避雷针先导的能力大于避雷线。

    （3）避雷网、带

    避雷网是在被保护建筑物屋顶上连结成的金属网格，用引下线接至接地体。金属网格可用直径大于8mm的钢筋或截面大于12mm×4mm的扁钢焊接而成，其边长不宜超过6m～10m。对于屋脊、屋角、屋檐、檐角等易受雷击的部位，宜采用避雷网防护直击雷。避雷网还有防护雷电感应的作用。

    避雷带是在建筑物的边缘及凸出部分装设的金属钢带，利用浇灌在建筑物上的支持铁夹加以固定。支持铁夹高出屋面约100mm～150mm，每两支铁夹间的距离为1m～1.5m；钢带一般采用直径大于8mm的圆钢或截面积大于12mm×4mm的扁钢。避雷带同样需经引下线接至接地体，还可以与建筑物的钢筋焊接在一起，以减小接地电阻。

    防雷设施用的接地体，其效果和作用的大小可用冲击接地电阻Rsh来表达，Rsh愈小则说明该接地体的效果和作用愈好。所谓冲击接地电阻，就是通过接地体引泄雷电流时的电阻。由于接地体引泄雷电流时电流密度很大，使接地体周围土壤的电场强度增大，所以接地体周围将产生局部火花放电。在火花放电范围内，土壤中的电压降有所减小，相当于增大了接地体的尺寸，因此冲击接地电阻比工频接地电阻要小些。即

     Rsh=ashRE

式中 RE——工频接地电阻（可测得）；

     ash——冲击系数，一般小于1。

    独立避雷针均应有独立的接地体，按规定冲击接地电阻宜小于10Ω。放雷设施在雷雨季节必须处于良好的运行状况，接闪器与引下线之间，引下线与接地体之间应可靠连接；还应特别注意避雷针（线）与被保护物之间的距离，防止雷电流产生的高电位对被保护物发生反击现象。例如，在图5中避雷针距被保护物的最近点A之电位为

    uA=uR＋uL=iRsh＋Ldi/dt

式中uR——雷电流在接地体上产生电位的电阻分量；

    uL——雷电流在h段引下线上产生的电感压降（即电位的电感分量，忽略引下线电阻）；

    Rsh——接地体电阻；

    L——h段引下线的电感；

    i——雷电流，设计时可取150kA。

    根据实验数据，工程上可按下式确定安全空气距离Ssaf

    Ssaf≥0.3Rsh＋0.12h

    式中Ssaf——安全空气距离，m。

    为保证安全可靠，避雷针（线）的安全空气距离Ssaf不得小于5m。

    为了防止避雷针（线）接地体在土壤中对被保护物接地体发生闪络，两接地体之间必须保持足够的地中距离SE，通常可按下式确定

    SE≥0.3Rsh

    要求SE不小于3m。

3.2 感应过电压的防护

    （1）雷电冲击波的特性

    当传输线路遭受雷击后，在导线上产生雷电冲击波并以电磁波速度向导线两侧流动，这种流动的冲击波又叫行波。如果忽略导线的分布电阻和导线对地电导，仅考虑导线的分布电感L0和分布电容C0，当行波经过导线时，在L0中形成磁场，能量为L0i2/2；在C0中形成电场，能量为C0u2/2。随着电流和电压冲击波对L0和C0的充放电变化，相当于行波沿无损导线向前传播。

    设行波在某一瞬间的电位分布如图6所示，若A、B两点之间距离x=vt，B点对地电位为零，则A、B两点间的电感为L0x=L0vt，于是A点电位为

    uA=L0vtdi/dt=L0vta

    式中v—行波速度；

    a=di/dt—电流冲击波的陡度。

    同时，A点电位还与A点在dx段的对地电容C0dx充电电荷量有关。设单位长度导线上的电荷量为q，则导线在dx段上的电荷量为qdx。因此

    uA=qdx/C0dx=q/C0

    电流i可用电荷量的变化率来表示，即

    i=qdx/dt=qd(vt)/dt=qv=at

故     uA=at/vC0

又因   uA=L0vta

由此可得

    在架空传输线路中若假定为无损导线，则可认为，雷电冲击波（行波）在无损导线中的行进速度与电磁波的传播速度相同（即光速）。如果导线与地之间充填其它介质，例如用绝缘纸、塑料或其它介质充填的电缆等，则雷电冲击波在导线上的传播速度将降低。另外，实际的导线总有分布电阻和对地电容，当发生过电压时还会产生电晕而造成能量损耗，所以行波在传播过程中必然会逐渐衰减和变形，波幅值和波陡度会逐渐减小。

    由此，在架空线路的终端串接大电感或并联电容器，可以拉平冲击波的波头，对防雷是有利的，但不解决根本问题。关键是降低冲击波的幅值，把它抑制到规定的数值以下。

    (2)感应过电压的防护

    过电压产生的同时往往伴随着过电流的产生，因此在实施保护时要从限制过电压和限制过电流两方面考虑：即电压限制和电流限制。

    ①电压限制:从原理上讲是应用“非线性效应”，使得在正常工作时在带电导体和一个补偿导体（通常是地）之间有一条开路的电路。保护元件起作用后，电荷散逸使得电压衰减。在这个过程中可能短暂地产生强电流，电压限制元件的放电能力必须调整到要释放电流的值。

    常见的几种电压限制元件及其工作特性如下：

  ●过电压放电器/气体放电管：过电压放电器/气体放电管是具有一定气密的玻璃或陶瓷外壳，中间充满稳定的气体，如氖或氩，并保持一定压力。电极表面涂以发射剂以减少电子发射能。这些措施使得动作电压可以调整(一般是70伏到几千伏)，而且可保持在一个确定的误差范围内。

    当电压升高至放电电压Ua之前，GDT（气体放电管）是一个绝缘体（电阻Riso>100MΩ）。当电压升高到大于放电电压后，过电流大部分泄入大地，产生电弧放电，电压会降低到几乎与电流大小无关的电弧电压（10V～25V）。当电流下降到低于低限值时，放电器会熄灭电弧并恢复其原来的高电阻状态。GDT通常是安装在承受运行电压的线路支线上，因此就有放电器不能熄弧的风险。所以对熄弧性能有一定的要求。GDT的能量吸收能力与其它电压限制装置相比是非常高的。放电特性也受电压上升速度的影响。

    这种装置的两电极和三电极型应用于电讯工业中。三电极型专门为成对线路设计，可以理解为带一个公共电弧室的两个组合电极的放电器。这种设计可确保在两个室中同时产生电弧，因而当两条线中同时发生干扰时，可以获得最优的共模干扰抑制。

  ●变阻器/VDR：变阻器是陶瓷元件，其应用越来越广。例如，将氧化锌（与其它添加剂一起）在一定条件下烧结，电阻就会受电压的强烈影响。这个特性也是其名字（电压变阻器）的由来。电压变阻器（VDR）也叫变阻器。电流（I）随着电压（U）的上升而急剧上升。正式的关系由公式I=aKU表达，其中K是与几何形状有关的元件常数，a是一个非线性指数。

    变阻器的典型特性是当处于工作电压时，压敏电阻值极大；在雷电波侵入作用下，它的电阻值甚小，向大地泄放电流。由于电流过大，因此变阻器内部发热量很大。变阻器在远高于其额定电压的情形下运行一般只可能保持很短的一段时间。

  ●齐纳二极管：双向齐纳二极管具有与变阻器类似的导电特性，对正向和反向电流在电流/电压特性上有一个拐点。非线性指数比变阻器要高，使二极管的“开通”更为急剧，因而可以有效地规定限制电压。

    其结构是两个二极管反向串联，可获得对称性。运作于“反向”方式下的二极管PN结阻挡层一般可阻止电流经过。当电场强度超过一定水平时，电子就会脱离其晶格束缚（即齐纳效应），而已经大大加速的带电粒子会从晶格中推出更多的粒子（即雪崩效应）。结果就是阻挡层的“突破”并产生电流。这个“突破”电压称为齐纳电压Uz，电压稳定效应则是由于当电压大于Uz时，很大的电流变化只产生很小的电压变化。齐纳二极管的稳压效应比变阻器要好。

    齐纳二极管的能量吸收比变阻器小，因为其阻挡层比变阻器层要薄得多。因此齐纳二极管的负荷承受能力要低得多，由此所出现的过热情况可以部分地用压制成形的金属电极补偿，电极可以散掉热量，但也增加了体积。抑制二极管是一种特别的保护二极管，具有很短的反应时间及很高的尖峰电流负荷承受能力。

  ●闸流二极管：由于放电电流中伴有很大的电压降，变阻器和二极管必须吸收大量的能量。在保护设备起作用之后，容许把故障电压降低到远低于保护电平的值，甚至低于运行电压，以便减少能量的转换。这种特性类似于放电器的“火花放电”。

    在半导体元件中，上述特性可以在闸流二极管中观察到。闸流二极管开始会阻塞，直到达到放电电压时，电压下降至几伏并产生放电电流。当电流下降到最小值时，闸流二极管会重新阻塞，并恢复其原来的断路状态。与GDT一样，在这种情况下，必须满足干扰清除后会安全停止放电的要求。闸流二极管有单向和双向元件。其特点是高尖峰电流和短反应时间，因而特别适用于较高的保护电平（几十伏到几百伏）。

    设计相同的齐纳和闸流二极管其限制电压与容许放电电流的关系取决于半导体。这些二极管的结构和尺寸决定了能吸收的功率大小。随着限制电压的提高，齐纳二极管的容许电流呈双曲线下降，然而闸流二极管的容许电流几乎是恒定的。其原因是，在闸流二极管放电以后，电压降几乎与电流大小无关。由此可见，在结构体积相同的情况下，齐纳二极管较适用于低的限制电压，而闸流二极管则适用于高的限制电压，其分界点是50V左右。

  ●热敏电阻：以上所讨论的元件其功能都是基于纯电压效应。热敏电阻在温度升高时电阻会减少。与任何电阻一样，电流所产生的电能损耗会使热敏电阻升温。升温使电阻下降，电流升高。结果就形成了与稳压元件相似的电流/电压关系。但是只有在反应时间之后，这种效应才会发生。所以保护作用受到元件热惯性的影响。

    ②限流元件的电流限制特性有两个功能：第一、当超过电流限值时，无条件地切断电路或者加以限制；第二、去耦与/或抑制短暂电压/电流尖峰（大部分情况下与电压限制元件一起使用）。

  ●电阻：电阻是去耦的最简单方式，一般没有断路的功能。电压尖峰所产生的短暂电流尖峰会在电阻上产生相应的压降，因而减少了干扰的影响。去耦元件常常与电压限制元件一起用于电路中而作为串联的电阻器。

    在应用中最大允许串联电阻常常受到很大的限制（限制为几欧）。一方面，要求在工作电流下的电压降低；另一方面，要求在工作电流下保护电阻器不会过载，由于去耦效应与电阻值成比例，所以使用电感器应该有所帮助。

  ●保险丝：保险丝是传统的电流限制元件，是由导电熔丝构成，置于线路中受保护元件的前边。熔丝具有一定的电阻，熔丝的温度在一定电流下会上升（温度取决于热容量、辐射和散热），直到熔丝熔化，从而实现保护。

  ●电感：电感（线圈）可对短暂尖峰具有很高的去耦效应，而同时保持很低的直流电阻。但也有一个缺点：其阻抗随频率而变，因而严重损害保护元件的传输性能。

  ●PTC（正温度系数）电阻器：通常是陶瓷元件，在正常温度下呈现欧姆特性，因此像电阻器一样是去耦元件。温度升高时，初始电阻基本保持不变。当超过一个特定的温度后，电阻急剧上升（上升104倍～106倍），当温度再升高时，电阻的上升又变平缓。温度上升可能由于外部加热也可以由电流产生的内部加热。在内部加热方面，PTC电阻器与保险丝相似，不同的是当故障清除以后，PTC电阻器能自动地接通线路。因此，这种元件可以提供过电流保护而不需要太多的维护。

4 结语

    以上仅就过电压的产生和保护在原理上进行了分析，在实际工作中过电压的防护是一项重要的工作。防护措施的好坏直接影响设备的安全运行和经济效益以及人身安全。根据不同的设备要采取不同的防护措施，对重要的设备要采取多项措施和多级保护，以确保防护措施的可靠性及安全性，尽量将过电压产生的危害降低到最小。