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1、第七章 电子通讯设备的雷击保护设计1 问题的提出雷电会给电子通讯设备及其相关的建筑物、输电线、信号电缆、操作人员造成危害，导致设备故障、通讯中断甚至设备烧毁，酿成严重事故,使国家和人民的生命财产遭受重大损失。为确保其安全运行，减少雷击造成的损失，必须对电子通讯设备进行雷击保护设计。2 雷电的产生和效应2.1 雷电的产生雷电是放电路径长度为数千米的瞬时大电流放电。雷雨云中空气的流动和翻滚产生强烈的静电荷区，当电荷及相应的电场强度大到足以使空气击穿时，就产生了雷电。雷电可以发生在云内、云间、云地间或云与周围空气之间。人们最关心的是云对地雷电。据统计，云对地雷电的一次闪击，平均持续时间为5.5s，最
2、大峰值电流达150KA，最大di/dt达32KA/s。2.2 雷电的效应雷电具有高电压、大电流和瞬时性的特点，雷电放电可以产生机械、热和电的效应。1 机械和热效应上升速度快、峰值幅度高的雷击电流，会产生强大的电磁力，使放电通道上的金属部件损坏或扭曲。雷击电流产生的热量足以使放电通道上的金属部件熔穿或烧成一些孔、使金属部件的连接点如螺丝和焊点等熔化。2 电效应强大的闪电产生的静电场、电磁场、雷电波或感应电压、地电位反击等，统称雷电电磁脉冲LEMP，会严重干扰电子通讯设备的正常工作，使绝缘击穿、参数劣化、元器件失效、设备故障甚至烧毁。3 术语定义1 地接地系统中所指的地，一般指土地，具有导电的特性
3、，能有效地吸收和发散电流。2 接地线（地线）把电子通讯设备必须接地的各个部分连接到接地汇集线的导线3 接地汇集线用于汇集接地线的金属构件。4 接地引下线从接地汇集线连接到接地网的导线。5 接地网（地网）接地体与接地体互相连接而组成的整体。6 工作地信号回路的电位基准点（一般是直流电源的负极或零伏点），又称系统地或电源地。7 保护地GNDP连接保护元器件接地引出端及其到接地汇集线的地线。8 机壳地 连接设备的机壳及其到接地汇集线的地线。9 防雷地 为防直击雷而在建筑物上安装的连接各种接闪器至接地网的地线。10 交流地PE 三相五线制交流电源系统中的地线。4 电子通讯设备的雷击保护的基本要求电子通
4、讯设备的雷击保护主要有以下要求。4.1 通信系统外连接线都有可能遭受雷击，比如电源的相线、零线、用户线、ISDN接口线、中继线、天馈线等，所以这些线均应予以保护。4.2 由于雷击瞬间的电压、电流很大，所以防雷设计不能用系统的工作地作为雷电流泄放通道，必须通过防雷地和保护地实现雷电流的泄放。4.3 作为电流泄放通路的保护地在雷击时通过很大的电流冲击，所以保护地应尽可能粗，地线长度应尽可能短，使接地电阻尽可能小，减少雷电流对内部电路的冲击；保护地除了与保护元件相连以外，不能与其它任何元器件相连，不可以与其它地线相连；保护地与其它焊盘、走线之间的距离愈大愈好。4.4工作地、保护地和机壳应分别用接地线
5、引至接地汇集线上。对于较小的设备，可以将工作地和保护地在机壳处相连再用地线引至接地汇集线上。4.5 所有接地线与接地汇集线连接时，均要用铜线鼻、铜螺栓及弹簧垫片紧固，严禁接地线直接用螺栓固定在接地汇集线上。一个铜螺栓只能接一根地线。4.6 接地汇集线应通过接地引入线就近与地网连接，接地引入线宜采用不小于505mm的镀锌扁钢或截面积不小于150mm2的多股铜导线，钢与铜的连接处应用气焊焊接。4.7 48V直流电源正极必须用不小于95 mm2多股铜导线连接至接地汇集线。如果有多套48V直流电源，则应设一直流正极接地分汇集线，各直流电源的正极先连接到该接地分汇集线上，再由该接地分汇集线连接到接地汇集
6、线。4.8天线馈线的外导体应在机房入口处就近连接至接地汇集线上。4.9 建筑物的的防雷地应直接连接到地网。4.10通信局（站）的接地方式，应严格按照联合接地的原则设计，即通信设备的工作地、保护地及建筑物的防雷地公用一个地网。5 电子通讯设备的雷击保护设计以下是几种常见的需保护的线路和推荐的防雷保护电路。5.1 一次电源的防雷设计单相电源的雷击保护电路如图7-1所示：一次电源的输入是线-地之间220V交流，线-线之间380V交流。雷击强度分为3级：1级：3kA，2级：10kA，3级：20kA。常用的通信AC-DC变换电源（220V/-48V）应能够承受1级强度的雷击。由于电源的雷击是电流型的冲击
7、信号，所以在保护器件的选用上应该选用瞬时通过电流足够大的器件如放电管VD，加上用于防雷的压敏电阻RV。LCLOUTVDRVNPEPTC IN图7-1 单相电源的雷击保护电路 对三相电源的保护电路与单相电源的保护思想基本相同。都应该在线-线之间和线-地之间加保护器件，并且每条电源线和零线都通过保护器件接到交流地PE上。5.2 用户电路的防雷设计用户电路的雷击保护电路，如图7-2所示：PTCGNDPGNDP铃流发生器SLIC振铃继电器TIPRINGRVRVPTCbaSLIC PROTECT 图7-2 用户电路的雷击保护电路由于SLIC馈电的电压比较低，而铃流峰值一般比较高，所以应考虑对高于馈电电压
8、的雷击迅速反应，而送铃流没有影响，同时在振铃时也能起到保护作用，一般用户电路内部采用两级保护。RV主要是用于振铃保护。SLIC PROTECT 是SLIC保护器件，由于它的钳位电压小于100V，低于铃流峰值电压，所以必须置于振铃电路后面。PTC为正温度系数热敏电阻。5.3 ISDN接口的防雷设计ISDN-U接口的雷击保护电路，如图7-3所示：由于ISDN接口没有铃流，所以不用加两级保护器件，但其信号速率比较高，达到160Kb/s，所以在选用保护器件上需要选用PN结电容较小的器件，该器件的反应速度要求也比较高，一般dV/dt5kV/s，峰值脉冲电流越大越好。前端的PTC阻值应比较小，不影响传输指
9、标。变压器后面的四个二极管用于漏过的雷击信号。馈电GNDPVCCGNDVCCGNDPROTECT2B1Q信号2B1Q信号PTCaPTCb图7-3 ISDN-U接口的雷击保护电路5.4 数字中继电路的防雷设计数字中继的雷击保护电路，如图7-4所示：由于数字中继信号频率为2MHz，速率较高，因此在选择保护器件时需要选用PN结电容小的器件，该器件的反应速度要求也较高，一般dV/dt5kV/s。击穿电压应合适。变压器后面的四个二极管用于吸收漏过的雷击信号。B OUT 到数字接口芯片GNDVCCGNDVCCPROTECTGNDPA OUTB INA IN到数字接口芯片GNDPVCCGNDVCCGNDPR
10、OTECT或 RTIPRRING ICTTIPTRING +VCCA IN PTC +5V +VCC B IN PTC 0V +VCCA OUT PTC +VCC B OUT PTC 图7-4 数字中继的雷击保护电路5.5 天馈线的防雷设计由于天馈线伸出室外，位置较高，距离较长，应安装天馈避雷器。天馈避雷器与天线和被保护的设备的连接示意图，如图7-5所示：设备天馈避雷器图7-5 天馈避雷器与天线和被保护的设备的连接示意图天馈避雷器应连接在天线与被保护的设备之间，用6mm2的铜绝缘导线将避雷器的接地焊片牢固连接到机房的接地汇集线上，接地电阻应小于4，当受到雷击时，雷电流通过避雷器的雷电支路泄放到大地。6 练习题 与电子通讯设备相连的那些线需要考虑雷击保护措施？ 某电子通讯设备的天馈避雷器装在被保护设备的机壳内，其接地线与机壳相连，这种接法是否合理，为什么？如不合理，请提出一种合理的接法。7