通信設備的過壓過流及其保護措施
2019-11-03 09:52:55
供稿：網友
通信設備的過壓過流及其保護措施 在通信與數據線路上，過電壓以及所產生的過電流會危害和干擾通信與計算機系統的正常運行，并且可能對操作維護人員。設備財產造成傷害與損失。這種危害也可波及到用戶端，同樣會對用戶人身及財產構成威脅。 通信設備的損壞除了部件損壞的直接外，不會造成通信中斷所導致的經濟損失，它可能是設備直接損失的若干倍。再加上現在通信企業的競爭激烈，用戶對服務質量要求的日益提高。因此必須采取適當保護措施以避免因過電壓以及所產生的過電流對通信設備、線路和相關人員造成危害。 通信大樓一般都安裝有避雷針、避雷帶或避雷網，又采取了聯合接地的方式。看起來，它已經具備了良好的防雷和抗外界電磁干擾性能。為什么通信設備有時還會遭受過壓過流而損壞呢z還會對操作維護人員的人身構成威脅呢； 一、引起設備過電壓的原因 1．從國內、外雷擊通信設備造成故障情況分析來看的，絕大部分是因雷電行波從戶外電力線路、傳輸線路和天饋線侵入的。這時候機房本身未遭雷擊，而是雷電直擊電力線、傳輸線、天債線或在距電力線路或傳輸線路或天饋線一定距離處有雷電閃擊。假設在距電力線路400m處有一落雷的電流80KA，架空電力線距地面平均高度為5m，可估算出該處電力線路上瞬間過電壓為25KV。這樣高的感應電壓向電力線兩端擴展，雷電流感應電壓雖能經線路逐漸衰減，但如果通信機房距離落雷地點不是很遠，此殘余感應電壓仍可能有一定的強度，侵人到機房后還有可能損壞通信設備。 2．當通信大樓頂部的避雷針或避雷帶遭受雷擊時，雷電流通過避雷針、避雷帶或避雷網，引下線、聯合地網入地，地電位升高。假設雷電流為40KA、聯合地線接地電阻為1歐，這時候他電位升高40kv。由于機房內通信設備金屬外殼也是接聯合地網的，通信設備金屬外殼電位也同樣升高40KV。由于從戶外進入機房的電力線和傳輸線是從遠方引來的，遠端電位可近似看著是零伏，因此電力線和傳輸線所接的通信設備與其金屬外殼之間也出現40KV的反擊電壓，可造成設備損壞。如果雷電流或聯合地線接地電阻數值更大，造成設備損壞將更嚴重。 3．當用戶線或傳輸線等與220V／50HZ的交流電接觸時，可產生很大的電流。這種電流能損壞設備甚至造成嚴重的火災，殃及大樓內其他設備。這種情況主要來自像雷電風暴等惡劣天氣、基建工程中造成電纜絕緣層破壞、或是人為有意的破壞或缺乏常識無意中造成的。 4．即使通信大樓或外線路絲毫沒有受到雷擊或強電的影響，但交流供電線路中并不總是呈現理想的正弦波電壓。實際上，由于電網中供電回路的切換操作過程、市電與自備電源的自動切換過程、供電系統中感性負載的投入與切除等都會對供電系統造成尖峰脈沖干擾，使正弦波電壓波形產生畸變。 雖然這種畸變電壓持續過程時間不長，但對采用超大規模集成電路的現代通信設備造成的危害卻是不可忽視的。在設備供電中，只要有一定幅度的脈沖沖擊，嚴重的就可能造成設備中器件損壞。輕微一點的，由于重復受到其影響，可造成設備中元器件性能的降低和壽命的縮短。 二、怎樣防止設備的過電壓過電流 通信大樓屋頂的避雷針等防雷設施是無法防止由以上三種原因造成設備過壓過流的。有效的辦法是除了高壓線路要采取防雷措施外，還必須在變壓器高、低壓側安裝過電壓保護器，以降低過電壓值和泄放大量的雷電流。進出通信大樓的纜線應選用具有金屬外護套類的理地敷設以降低受雷擊機率、并將纜線金屬外護套在兩端接地以降低受雷擊時纜線金屬外護套與芯線之間的橫向電位差。還應同時采取“堵”的辦法，即把機房外的雷電流和各種干擾盡可能地堵在外側，這就要求所有進出通信大樓的纜線如電源線、傳輸線、用戶線、天饋線等加裝過電壓保護器。并把進出大樓的金屬管道等都與聯合地線實行等電位連接。機房內有的設備安裝一級保護器還有可能不能完全把過電壓旁路掉（如交流配電屏、主配線架等），還要求在第二級進線端及后面幾級設備加裝分級過電壓保護器（如整流器、直流配電屏、交換機用戶板等），以進一步把殘壓抑制到設備允許的安全范圍以內。從另一個角度看，如果由于雷電造成第一級保護裝置損壞，第二級保護裝置可立即提供保護。 僅靠過電壓保護器并不能完全保護設備和線路免受電氣損壞。雖然過高電壓能對設備電壓敏感元器件造成嚴重破壞，但部分設備的損壞更大的原因是過流引起的。浪涌電壓有時不夠高到過壓保護器動作。如果過壓保護器沒能起作用，浪涌電壓便可能在電路中產生足夠大的額外電流，從而破壞敏感設備或造成火災。 例如，一條電話線與 220V／50HZ交流電在離程控交換機1000m遠碰觸時，220V交流電會在總配線架保安裝置上產生約90V的電壓，這個電壓不足使過壓保護器動作，但它可產生約900mA的電流。由于電話線與220V／50HZ交流電磁觸是持續的，主配線架和交換機用戶板長時間遭受過電流作用的情況下不可幸免地要產生火災。 所以對交換機總配線架等設備應選用過壓過流相結合的保護器件，如放電管加PTC進行保護。三、怎樣選擇保持器 保護器分過電壓保護元件和過電流保護元件。我們通常所稱的“避雷器”和隨著國外防雷器件引入的“浪涌抑制器”、“過電壓限制器”等的電壓限制元件，放電管、齊納二極管等也屬于電壓限制元件。它們的工作原理都差不多，但它們之間的通流容量、動作速度、殘壓等有很大差別。而正溫度系數 PTC、電感、電阻、保險絲則屬于過電流保護元件。 （一）常用保護元件的簡介及應用。 1．金屬氧化物可變電阻 它是一種陶瓷元件，其應用越來越廣。它的典型應用產品是氧化鋅壓敏電阻，它是由氧化鋅微粒組成的多晶半導體過電壓抑制器件。利用其良好的伏安特性將沖擊電壓限制在一定范圍內。其主要技術參數有通流能力、沖擊擊穿電壓和殘壓。它能承受較大的電流沖擊，它有較快的響應速度，可達到毫微秒級，價格較便宜。不足之處在于：它的體積和電容值較大；存在一定的漏電流，如果質量不好，漏電流將逐漸增大甚至損壞；殘壓較高，嵌位效果較差，沖擊電流越大，嵌位電壓就越高；反復沖擊耐受能力差，它多次受沖擊后特性格變壞，直接影響到其使用效果和壽命。 氧化鋅壓敏電阻可作為第一級或第二級保護。在一些要求高的電子設備中僅用它來保護還不夠，還應結合其它保護器件如半導體二極管來保護。 2．半導體二極管 包括開關二極管、齊納二極管、瞬態二極管等。它們的保護性能大致相同，在承受沖擊能力和限制電壓等級稍有不同。正常情況下，管子呈高阻，當外加電壓達到其門限值時，電流迅速增加。它是響應時間非常快的保護元件，限幅電壓低，管子兩端壓降基本不受沖擊電壓和沖擊電流的影響，欲保護精密設備中半導體電路非它莫屬。近年來正在發展的瞬態二極管，在通流能力方面有了較大突破，可用在第二級甚至第一級保護。 3．氣體放電管 是把一對放電間隙封裝在充以放電介質（如惰性氣體）的玻璃或陶瓷中，即構成氣體放電管。常用的放電管沖擊擊穿電壓在一百多伏到幾千伏，一旦沖擊過電壓達到放電管沖擊擊穿電壓時，管內氣體電離，放電管由原來的開路狀態變為近似短路。 雖然放電管具有可承受很大電流沖擊的能力，且體積小、價格低，但它響應速度慢，在導通期間電源近似變為短路，有可能造成上一級空氣開關跳閘。在一些不允許短暫中斷電源的場合不應采用放電管來保護。但由于其價格便宜，在一般要求不高的場合，可用它作為第一級或第二級保護元件。 4．PTC（正溫度系統）電阻器 它是一種電流限制固態元件。在正常溫度下呈現歐姆特性，當超過一個特定溫度以后，電阻急劇上升104-106倍，溫度上升可能是外部加熱也可以由它所在的電路的電流產生內部加熱。在內部加熱時，PTC與保險絲相似，不同的是當故障排除之后，PTC能自動接通電路。因此它不需要維護。 PTC分陶瓷器件和導電聚合物器件。導電聚合物器件是一種較新的技術，它克服了陶瓷器件的缺點，體積小，在任何情況下也不會呈現負溫度系數。 （二）如何選擇保護器 選擇保護器時主要應考慮下列特性： 1．能承受一定程度的浪涌能量。在靠近低壓首端、易受外部沖擊的設備需選用通流容量大的保護器，反之可選用通流容量小一些的保護器。 2．要能可靠地抑制瞬間過電壓，其殘壓應低于設備的耐雷擊沖擊電壓。殘壓越低，說明其保護性能越好，設備越能得到可靠保護。 3．響應速度要快。即正常狀態呈高阻抗，對設備的正常工作毫無影響，動作時呈低阻抗，從高阻抗轉到低阻抗過程時間要短。 4．保護器應有高的穩定性，盡量選用經反復多次受沖擊而性不變的產品。 四、保護器的安裝與維護 （－）即使是性能優良的防雷裝置，如果安裝不當，仍起不到應有的防護效果。因此一定要注意安裝方法。 1．防雷裝置的接地電阻應符合GB5007—94《建筑物防雷接地規范》與YDJ26－89《通信局（站）接地設計暫行技術規定》。 2．防雷裝置的抑制過電壓性能與連接引線的長度有很大關系，這是因為被保護設備上的過電壓取決于所采用保護器的殘壓、Ldi／dt與限之和，其中，L是連接引線的電感，di／dt是雷電流陡度，l是雷電流，R是連接引線的電阻，L和R跟連接引線的長度成正比。因此，要求連接引線盡量以粗、短、直為佳。如果地線盤離被保護設備較遠，設備內保護器接地線可接至該設備的接地端子之后，設備再接保護地線。 3．為了使保護器達到更佳的防雷效果，除了要求連接引線盡量以粗、短、直外，還應降低連接引線的電感，如果條件允許，可用圖3的安裝方法，每相進、出保護器的兩根連線采用絞合或靠近平行布放，使之流過的電流方向相反，降低連接電感。甚至保護器的接地端也可采取同樣的辦法，以進一步減少連線電感。 （二）維護 要注意避雷元器件是否能正常使用，應在每年雷雨季節到來之前和過后檢查它們有否已損壞，重點測試它們的動作電壓和額定電壓下的漏電流，如果數值跟原來產品參數有一定范圍變化，就應該更換掉，這一點對于農村多雷區模塊局、移動基站和山頭微波站尤為重要。
