智能建筑中通信网络的雷电防护

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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，智能建筑、现代化的信息枢纽如雨后春笋般不断涌现，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。从事智能建筑设计、施工、监理、验收等工作的单位，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、雷电灾害基本知识
对智能建筑内安装的大量通信网络设备和智能化设备来说，雷电现象造成的瞬间过电压是一个主要的威胁。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，从而引发相互间的闪烁放电。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。浪涌放电往往发生在非雷电放电现场，容易被忽略，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。

二、雷电及浪涌防护方法
 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。
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10/350μS,在建筑物保护级别为Ⅰ级时，设计需要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。
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。
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。
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、防雷产品在智能建筑的应用
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, 10/1000μS
3kA ,8/20μS
≤400V,100V/S≥330V,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 ,8/20μS
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接的交换、终端设备
SPQ01-AI 宽带网络浪涌保护器
300A,8/20μS
全模式保护
≤35V, 标称放电电流时
插损≤0.4dB(100MHz)
传输速率：155Mbps
用于百兆宽带网络中与局内电缆相连接的交换、终端设备
SPQ02-CA/CD
串口保护器
20A,10/1000μS
100A ,8/20μS
≤24V,标称放电电流时
传输速率：1Mbps
用于计算机或控制系统中数据传输线路
SPQ02-FJ数据线
浪涌保护器
3kA ,8/20μS

≤25V,
标称放电电流时
带宽：300MHz

用于计算机或控制系统中50/75Ω同轴数据传输线路
SPQ02-GK天馈线防雷器
20kA ,8/20μS

≤600V,1kV/μS
带宽：2000MHz
驻波比：≤1.2
用于微波、移动机站或卫星天馈线路


有了合适的优质防护产品，配合合理的防护系统设计，就能达到明显的防护效果。雷电及浪涌伤害事故存在许多不确定的因素，在防雷工程的设计和施工中有许多经验是需要认真学习的。这里介绍我们在工作中总结出来的几点心得，供大家参考。
1、智能建筑雷电防护是一个系统性的工程，需要分别针对不同的系统采取不同的防护方法，使用不同的防护产品，根据现场情况作好方案设计是十分重要的。“系统性”要求在整个防雷工程保护范围内作全面地考虑，仅仅针对重点设备或以往发生过事故的设备做一些局部的防护是不够的。有的用户反映在完成防雷工程后，损坏的频率增多发生的位置也更不确定，部分原因便与防护工程存在“系统性”的缺陷有关。当一个没有安装防护设备的网络受到对地浪涌电压冲击时，电压往往作用于传输线路与地之间的绝缘结构上，如果某一线路的这个结构可以承受数千伏的冲击而不出现击穿现象当然也不会产生浪涌电流，可能不会产生任何损伤。但在传输线路上的某个位置安装了一套防护设备后，由于保护电压很低，因此在同样的浪涌电压产生时会产生浪涌电流，进一步的将在传输线路和地线上产生浪涌电压，引起电压反击，从而对网络上连接的所有设备都造成一定的影响。因此必须同时考虑所有设备、线路的防护要求。
 2、通信网络的主要功能是进行大量的信息传送，特别是高速通信系统对网络的传输性能有很高的要求，通信网络上使用的防护设备必须同时具备良好的防护性能和优异的传输指标。从传输的角度来看，防护设备连接在通信网络上相当于增加了网络的分散参数，增加了线路损耗，对传输性能会造成一定的影响。如安装的防护设备传输性能较差，势必降低网络传输速率，影响网络稳定性，所造成的损失可能比遭雷电破坏还大得多。因此，在选择通信网络防护设备时需要根据防护要求和信号传输要求综合选择。在接入网线路中除了正常通信信号以外，还可能存在远供电源的电压，防护设备需要设计有一个电压动作区间。此外，出局线路可能与电力线相碰触，防护器件需要同时具备防护工频电压、电流的能力。
 雷电及浪涌伤害事故的发生原因是复杂的，也是有规可循的，只要我们以科学认真的精神通过不断地学习、实践、总结，必然能够将防护工作做得更好。

 






参考文献：
1、《现代防雷技术》 潘忠林编著
2、《现代防雷技术基础》 虞昊等编著
3、《国际防雷技术标准规范汇编》 广东省防雷中心等编译
4、《雷电防护产品介绍》 广东天乐通信设备有限公司