通信防雷与接地系统

雷电防护基础知识
1、雷电活动与地域的关系 ➢ 就雷电活动的地域分布而言，雷电发生的次数是山区多于平原， 平原多于沙漠，陆地多于湖海，热而潮湿地区多于冷而干燥的地区； ➢ 随着纬度的不同，落地雷与云间放电的比例亦有不同：低纬度地 区的热带雷暴，其云底高度较高，平均每产生一次落地雷，就有数十 次云间放电出现；但在中、高纬度地区，落地雷与云间放电的次数大 体相当。 ➢ 土壤导电率不同的地区，落地雷发生的频率明显不同。土壤导电 情况越好，落地雷发生的频率越高。如盐场、河床、池沼等地区。 ➢ 长江以北地区平均每年有40个雷电日，长江以南地区平均每年有 50个雷电日。
防雷器件
压敏电阻 压敏电阻是一种以氧化锌（ZnO）为主要成份的金属氧化物半导体非线性电 阻。下图所示为压敏电阻的伏安特性曲线。在泻漏区间，压敏电阻中电流很小 ，呈现出近似开路状态；在箝位工作区间，压敏电阻对过电压发挥箝位限压作 用，其电流大，动态电阻很小；在过载区，压敏电阻严重过载，箝位功能恶化 。压敏电阻具有非线性特性好、通流容量大、常态泄漏电流小、残压水平低、 动作响应快和无续流等诸多优点，目前已被广泛应用于电子设备的雷电防护。
50%
< 30 kA
40%
5%
4%
1%
30 - 80 kA 80 - 100 kA 100 - 200 kA > 200 kA
雷电防护基础知识
直击雷
直接雷击简称直击雷，是指雷云对地面上的建筑物或其他物体等的直接放 电。直击雷的防护原则主要是设法使雷电流迅速泻放到大地中去。通常采用避 雷针、避雷带、避雷网或避雷笼网等避雷装置进行防护。避雷装置一般由接闪 器、引下线和接地装置三部分组成。
建筑物1
保护装置
建筑物2
PE
保护装置
邻近未受雷击建筑物内的反击
建筑一个系统工程，建筑物及其内电子设备的雷电防护是多方面的，它包括防止直接雷 击和感应雷击，需要采取综合防护措施，这些措施主要包括接闪、均压、分流、屏蔽和接地等。
1、雷电的第一道防线是设法拦截闪电，截雷或吸引雷电的装置称为避雷装置，避雷装置由 接闪器、引下线和接地装置组成。
雷电防护基础知识
2、引下线是连接接闪器和接地装置的导线，敷设于房顶和建筑物墙壁上。 引下线应尽量避免弯曲，应选择最短路径接到接地体上。引下线的作用是将接闪 器接闪的雷电流安全的引导入地。引下线不得少于两根，并沿建筑物四周对称均 匀布置。对于框架结构的建筑物，可利用其内的钢筋作为防雷引下线。采用多根 引下线不但提高了防雷装置的可靠性，更重要的作用是多根引下线的分流作用可 大大降低每根引下线的沿线压降，减少侧击危险。另一个目的是为了让雷电流均 匀入地，便于地网疏散，以均衡地电位。同时，均匀对称布置可使引下线泻流时 产生的强电磁场在引下线所包围的建筑物内相互抵消，减小感应雷击的危险。
防雷器件
放电管
火花隙：并联于需保护线路中，当侵入电气设备的雷电过电压波到达时， 由于电气设备的绝缘性能优于避雷器的绝缘性能，避雷器火花间隙先行击穿放 电，雷电流由此泻入大地，避免过电压波对电气设备的损害。
气体放电管：也是一种火花隙，密封在玻璃管或陶瓷外壳内，管内充入电 气性能稳定的惰性气体（如氩气或氖气），体积较小。气体放电管用于低压弱 电设备防雷。气体放电管极间绝缘电阻大，寄生电容很小，对高频电子线路的 雷电防护具有明显优势。但放电管保护特性的主要不足之处在于其放电时延较 大，动作灵敏度不够理想，对于波头上升陡度较大的雷电波难以有效抑制。
雷电防护基础知识
1、接闪器的基本形式有避雷针、避雷带、避雷网和避雷笼网等。 ➢ 避雷针即针状接闪器，这是一种全保护方式。由于避雷针与大地有良好的电气 连接，能把积存的电荷能量迅速泄放，使雷击而造成的过电压时间大大的缩短，从 很大程度上降低了雷击的危害性。避雷针必须有足够可靠，接地电阻尽量小的引下 线接地装置与其配套，否则反而增大雷击的损害程度。 ➢ 避雷带是沿建筑物边缘敷设的接地金属带，通常用于一般建筑物防雷保护。 ➢ 避雷网相当于纵横交错的避雷带迭加在一起，这是接近于全保护的一种方式，一 般用于重要建筑物的防雷保护。 ➢ 避雷笼网是笼罩着整个建筑物的金属笼。根据法拉第原理，金属笼网对于雷电 能起到均压和屏蔽作用。接闪时，笼网上出现高电位，而笼内空间的电场强度为零 ，笼上各处电位相等，形成一个等电位体，保护笼内人身和设备的安全。避雷笼网 通常是利用建筑物的结构主筋形成的，并将整座建筑物的金属体如各种管道、构架 、电缆金属外皮等与避雷笼网连接在一起，以达到理想的防雷保护作用。这种防雷 保护方式不仅解决了建筑物防遭直击雷和感应雷的问题，而且解决了高层建筑物虽 装设了避雷针仍出现雷电侧击的问题，既经济又不破坏建筑物的美观。大型建筑物 常采用避雷笼网进行防雷保护。
3、接地装置由接地线与接地体组成。接地线是连接引下线与接地体的一段 导线。接地体是指埋在土壤中起散流作用的导体。雷电流通过接地体发散到大地 中去。多根接地体应连接成环形地网，引下线应连接在环形地网的四周，这样有 利于雷电流的散流和内部电位的均衡。
雷电防护基础知识
感应雷
在雷云放电时因雷电流及其所产生的雷电电磁脉冲通过传导、感应和耦合等 方式形成的暂态过电压及过电压波对设备造成危害的现象称为感应雷击，简称感 应雷。习惯上将经由传输线路感应耦合（包括静电感应耦合和电磁感应耦合）并 沿传输线引入设备的雷电过电压波称为线路来波。而经由空间传播耦合（主要是 电磁感应耦合）至设备的雷电过电压称为感应电磁脉冲。因泻流时地电位升高在 各地网之间形成电位差而引入设备（主要是传导阻抗耦合）的雷电过电压波称为 地电位反击。以上由雷云放电引发的线路来波、感应电磁脉冲、地电位反击通称 为二次雷击，也就是感应雷击。
3、分流就是在一切从室外来的导线（包括电源线、信号线、电话线等）与接地体或接地线 之间并联一种防雷保护器，当直击雷或感应雷在室外线路上产生的过电压循着这些导线进入室 内时，防雷器短路，雷电流由此分流入地。
4、屏蔽就是用金属网、箔、壳或管子等导体把需要保护的对象包围起来，把雷电电磁脉冲 从空间入侵的通道全部阻断。
2、均压（Bonding）即均衡连接，或等电位连接。为了避免雷电暂态电流路径与附近金属 物体之间的击穿放电，需要对建筑物内的各种金属构件进行等电位连接，即将建筑物内的设备 、组件和元件的金属外壳或构架连接在一起，并与建筑物的防雷接地系统相连接，形成一个电 气上连续的整体，这样就可以在发生雷击时避免在不同金属外壳或构架之间出现暂态电位差， 使得它们彼此之间等电位，并维持在地电位水平，这就是均压措施。
A
l A1
l1
B D
C
地电位分布
雷击微波铁塔
A
B
C
D
等电位连接
等电位连接
雷电防护基础知识
例：暂态电位升高对进出屏蔽室的电源 线或信号线等线路的反击。在该图中出于抗 电磁干扰的目的，将某些重要电子设备安置 在由致密金属网封闭的屏蔽室内，屏蔽室与 建筑物接地系统可靠连接，为了让室内电子 设备信号线与远处电子设备进行信号传输， 在屏蔽体上开出小孔，供信号线进出。在发 生直接雷击时，雷电流流过防雷接地系统时 ，屏蔽室暂态电位被抬高，而来自远处的信 号线此时尚处于零电位，则在小孔处，屏蔽 体与信号线之间将出现很高的电压。这一高 电压很容易将两者间气隙击穿，使信号线上 也带上高电位，该高电位将会直接损坏室内 的电子设备，它也将沿信号线传输到远处线 路终端，侵害终端处的电子设备。
防雷系统
建筑物
屏蔽室 小孔
信号线
接地母线
i
Rch
屏蔽室开孔处的反击
雷电防护基础知识
例：暂态电位升高在邻近未受雷击的建筑物内引起反击。三座相邻近的建筑 物均分别与同一金属管道有接地连接，三座建筑物的接地实际连接在一起。当建筑 物2遇到雷击时，雷电流将通过建筑物2的防雷系统引下线线和接地连线与金属管道 等进入个建筑物的接地体，使个建筑物的暂态地电位都抬高，于是在没有采取暂态 过电压保护措施的建筑物3中，带高电位的地线将会对其附近的电源线和通信线发 生反击，使得与这些线路相连接的电气或电子设备受到暂态高电位的损害。
为更有效地防止雷击灾害，首先要分析雷电及其雷电电磁脉冲发 生的物理过程，认识其成灾规律，从而选用适当的防护器件和装置， 设计实施合理的雷电防护系统。由于雷电作为一种破坏因素时，其呈 现形式以及破坏的途径不是单一的，比较行之有效的方法是按照防止 直接雷击、感应雷击等设计一个综合的雷电防护系统，对一切进雷通 道的雷电破坏能量分别采用接闪、分流、均压、屏蔽、接地等手段， 对建筑物及其内电子设备进行全方位保护。
2、雷电活动与气候的关系 ➢ 雷电活动的时间分布而言，夏季是雷电活动的高峰期； ➢ 每天雷电活动的平均情况则是下午和上半夜多于上午和下半夜。
雷电防护基础知识
3、雷电活动与地面物的关系。带电体放电的客观规律使得雷电 活动即使在同一地区也有一定选择性。一般而言，容易遭受雷击的地 方有： ➢ 建筑物突出部位：屋脊、屋角、山墙、烟囱、各种无线电天线 ➢ 高耸突出的建筑物，如各种塔、架等； ➢ 排除导电尘埃的建筑物和废气管道等； ➢ 建筑群中特别潮湿和地下水位高的地方，埋设有金属管道或内部 有大量金属设备的厂房； ➢ 地下有金属矿物的地带； ➢ 山口与风口的特殊地形构成的雷暴走廊； ➢ 开阔地上的大树、山地的输电线路等； ➢ 平原地区独立的房屋、草垛等。
概述
一、目的 系统了解防雷及接地知识 尽力保障人身和设备安全
二、原则 简单介绍系统理论，准确阐述维护细节 结合日常维护生产，指导代维实际工作
雷电防护基础知识
随着高新技术的迅猛发展，由雷击引起的灾害事故正呈现出上升 的趋势。到目前为止，雷电作为一种强大自然力的爆发，尚无法有效 地加以制止，人们力所能及的工作是设法限制雷击所造成的破坏作用， 将雷击的危害减小到尽可能低的限度。
雷电活动与地面物的关系可归纳为:地面突出物易遭雷击；地面 导电性好的物体易引雷。雷电活动的规律和雷击的选择性，是防雷设 计的一个重要参考因素。设计人员应根据本地区的具体情况，因地制 宜，以提高设计的安全系数。
雷电防护基础知识
雷击强度的定义和统计
雷暴日－－Nk
雷电强度的统计
YD 5098-2005
Nk＜25天－－少雷区 Nk＞25天－－中雷区 Nk＞40天－－多雷区 Nk＞90天－－强雷区
5、工作接地是指为了使电子设备正常工作而设置的一个公共的零电位基准面；一般电器设 备的金属外壳都是同内部带电部分绝缘的，一旦绝缘损坏，外壳便带电，为了防止人体触及带 电外壳而触电，将电机、电器的金属外壳和同金属外壳相连的金属构架与大地作电气上的连接 ，称为保护接地
综上所述，有效雷电防护是全方位的系统工程，需要层层设防，综合防治。
从雷电过电压作用于放电管两端的时刻到管子实际放电时刻之间有一个延 迟时间，该延迟时间称为响应时间。如果被保护对象与避雷器的距离较短，则 过电压波可能在放电管未动作限压时已到达被保护器件，则这种时延过长的避 雷器就起不到保护的作用，所以响应时间是避雷器的一个重要技术指标。火花 隙和气体放电管的特点和工作原理类似，存在续流及响应时间长的缺点。
1000
泻漏区
箝位工作区
过载区
500 电压 /V
200
100
50
2010-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104
电流/A 10
压敏电阻的伏安特性
防雷器件
半导体二极管 齐纳二极管、雪崩二极管和暂态二极管 都是工作在反向击穿区的二极管，从抑制暂 态过电压的角度来看，它们的性能大致是相 同的，只是耐受暂态脉冲冲击能力和箝位电 压水平等方面有所差异。由于它们具有箝位 电压低和动作响应快等显著优点，特别适合 于用作多级保护电路中最末几级保护元件。 右图为半导体二极管的伏安特性。该伏安特 性可划分为三个工作区，即正、反向区和击 穿区。在正向区，它们与普通二极管一样， 在很低的正向电压作用下，就能够有大量的 多数载流子流过结区。在反向区，管子上承 受的反向电压低于击穿电压时，管子中流过 很小的反向漏电流。当管子上的反向电压达 到击穿电压值后，它就击穿导通，进入击穿 区。
感应雷侵入设备的途径很多，可以通过进出建筑物的各种传输线及各种金属 管道（如电力线、信号线、电缆线、供水管道、供气管道、供暖管道等）、接地 装置、以及空间传播等途径引入。暂态过电压和雷电电磁脉冲引入设备的方式主 要有静电感应耦合、传导阻抗耦合、电磁感应耦合等方式。
雷电防护基础知识
当雷电流入地时，地电位升高，在不同接地点之间形成很高的电位差，该 过电压会通过接地装置对设备造成反击，或通过设备之间的互连对其它设备造 成反击。例如雷击基站天线铁塔避雷针时，雷电流产生过电压对设备的反击。