通信系统防雷接地技术
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压 、开关打火等各种电磁 固态放电管伏安特性
固态放电管是基于可控硅 (亦称晶闸管 )的原理 和结构的一种三端负阻器件 。用于保护敏感易损的集 成电路 ,使之免遭雷电和操作波的冲击 。其所具有的 精确导通电压 、上千安培的通流容量 、快速响应和极小 的极间电容 ,使其成为通信设备防雷保护的重要器件 。
·1·
通信系统防雷接地技术
周文俊 1 ,刘大建 2
(1. 武汉大学 电气工程学院 ,湖北 武汉 430072; 2. 湖北省电力公司 ,湖北 武汉 430077)
摘要 :介绍了微电子器件耐雷水平 ,新型防雷器件 TVS管和固态放电管的特性 ,过电压保护器的四级保 护 ,以及通信系统防雷接地与屏蔽的有关要求 ;通过对湖北省电力公司通信系统近几年的雷害实例分 析 ,介绍了通信系统简单而有效的防雷措施及其实施效果 ,阐述了水涨船高法在通信系统防雷中的具体 运用 。
按国标新要求 ,对电源装置可靠而有效的防雷方 法是采用三级保护 :第一级用限流模块 ;第二级用压敏 电阻 ;第三级用 TVS管 ,使输出的箝位电压达到规定 的要求 。采用上述三级保护后 ,保护电源一般不会因 雷击而损坏 。过电压保护器最好能同时具有保护模块 失效自动报警 、过电压次数自动记录 、停电后记录的过 电压次数不丢失等功能 。
TVS管的伏安特性如图 1所示 。其正向特性与普 通二极管相同 ,反向特性为典型的 PN 结雪崩器件 。 在瞬态脉冲电流的作用下 ,流过 TVS管的电流 ,由原 来的反向漏电流 ID上升到 IR ( 25 ℃下 , IR = 1 mA )时 , 其两极呈现的电压由额定反向关断电压 Vwm上升到击 穿电压 VBR , TVS管被击穿 。随着峰值脉冲电流的出 现 ,流过 TVS管的电流达到峰值脉冲电流 Ipp ,其两极 的电压被箝位到预定的最大箝位电压 Vc以下 。其后 , 随着脉冲电流按指数衰减 , TVS管两极电压不断下降 , 最后恢复到起始状态 ,这就是 TVS管抑制出现的浪涌 脉冲功率 ,保护电子元件的过程 。
电缆铠带或金属管及电源线间安装压敏电阻 。
制共模 、差模干扰 。
2 过电压保护器 (箱 )
2. 1 微电子器件耐冲击水平与 TVS 管和固态放电管 特性
微电子器件中 TTL 数字电路的抗冲击能力最弱 , 12. 5 V、30 ns脉宽的冲击电压可使 TTL 电路误动甚至 损坏 ;雷电流产生的磁场达到 0. 07 Gs时 ,可使微电子 器件误动 [ 2 ] ;无电磁屏蔽时 ,即使其通道远在 1 km 处 , 100 kA 的雷电流也可能使微电子设备误动 [ 3 ] 。
第 26卷 第 149期 电 力 系 统 通 信 Vol. 26 No. 149 2 0 0 5年 3月 1 0日 Telecommunications for Electric Power System M ar. 1 0 , 2 0 0 5
交换机等对外引出的音频话路线很容易受感应雷 的冲击而损坏 。用户话路盘由于铃流电压与通话电压 不同 ,需要在保护装置上精心考虑 ,使之在两种不同电 压下均能有效地保护用户话路部分 。因此采用上述合 适的保护方式 ,可使相应残压小于其额定工作电压 的 2. 5倍 。
3 现场实施情况
根据上述原理和方法 ,我们于 2002 年 10 月对湖 北省电力公司通信系统的弱电装置进行了防雷措施实 施 。除进行少量的电话线穿铁管入地改造外 ,在易受 雷击的设备前安装了 DGBZ - II型直流电源过电压保 护器 3台 ,改造保安单元 100只 , DGB S - III型三相电 源过电压保护箱 5 台 ,低压氧化锌避雷器 1 组 。通过 1年多的实际运行考验 ,电力大楼再未发生雷害事故 。
固态放电管伏安特性如图 2所示 。固态放电管的 工作状态如同一个开关 ,在断开状态下 ,其漏电流 IDRM 极小 ,不影响被保护电路的工作 。当瞬间过电压超过 其断态峰值电压 VDRM时 ,产生瞬间雪崩效应 ,一旦瞬 间电流超过开关电流 Is,其电压即降为导通电压 VT (约 5 V ) ,瞬间浪涌电流就此傍路而保护了并联的敏 感电子器件 。浪涌之后 ,当电流降到最小维持电流 IH 以下时 ,固态放电管自然恢复 ,回到其断开状态 。 2. 2 电源与话路过电压保护器
[ 2 ] DL548. 电力系统通信站防雷运行管理规程 [ S ]. 1994.
吴聪华 (1970 - ) ,男 ,广东茂名人 ,工程师 ,长期从事电力 通信维护及管理工作 。
Harm of thunder and lightn ing and design of comm un ica tion ground network
·5·
图 4 时间 —地阻曲线图
4. 3 其他问题 当地表层土值较差时 ,可加长电流极和电压极或
在两极处灌水来测试 。当测试仪指针摇摆不定时 ,可 能是地网有大电流通过 ,或地下有磁性的矿物质 。
5 结束语
由于通信设备安全防护防雷具有一定的特殊性 , 一旦受雷击 ,就会对设备造成极大的危害 。应采取有
近年来 ,湖北省电力公司通信系统多次遭受雷击 , 雷电过电压导致 PCM 板和电源板损坏 ,严重影响了通 信站的正常运行 。以下列举了其中的几次雷害事例 。
2002年 7月 11日 ,鄂洲电厂遭雷击 ,雷电流从交 流供电入口进入 ,击坏 2套 PCM 终端设备 ,致使相关 电路中断 。
2002年 7月 16日 ,荆州地区幸福变电站遭雷击 , 该站微波终端 ( PCM3630)主板损坏 ,通信受阻 。
关键词 :通信系统 ;防雷 ;措施
中图分类号 : TP915. 08
文献标识码 : B
文章编号 : 1005 - 7641 (2005) 03 - 0001 - 02
0 引言
通信系统 (尤其是微波通信站 )由于所在地土壤 电阻率较高 ,其地网的接地电阻往往很难达到规程的 要求 ,加之所处地理位置较高 ,其防雷工作的难度更 大 。通信系统中的微电子器件较多 ,对外界的干扰极 其敏感 ,受雷害的情况较为严重 。
对于电子设备的防雷 ,以前的做法是选用压敏电 阻 (氧化锌避雷器 ,MOA)保护 ,一般选用 MOA的直流 1 mA 电压 V1 mA为被保护器件工作电压的 2. 2～2. 5倍 。遇 雷击时 ,MOA 的残压达到 V1 mA电压的 2 倍左右 ,即压 敏电阻的残压约为被保护器件工作电压的 4. 4～5倍 。 对 TTL 电路 ,其工作电压为 5 V ,用 MOA 保护 ,遇雷击 时器件上的残压约为 4. 4 ×5 V = 22 V ,此值已远远大 于 12. 5 V、30 n s的 受 损 水 平 (标 准 雷 电 压 波 头 为 1. 2μs) 。更何况 ,目前市场上能买到的直流 1 mA 电 压最小的压敏电阻 V1 mA = 15 V。可见压敏电阻不能 使 TTL 器件免遭雷害 。为保护微电子器件遇雷击时 不受损坏 ,有效的办法是选用新型保护器件 ———TVS 管或固态放电管 。
效的防护措施 ,以避免雷电的危害 ,除完善接地网外 ,还 应设立雷电疏导通路 、清除地面回路等防护技术 。此外 机房配电屏或整流器入端三相对地应装氧化锌避雷器 , 直流电源的“正极 ”在电源设备侧和通信设备侧均应接 地 ,“负极 ”在电源机房侧和通信机房侧应接压敏电阻。
参考文献 :
[ 1 ] 王家庆. 智能型高频开关电源系统的原理使用与维护 [M ]. 北京 :人民邮电出版社 , 2000.
2003年 8 月 9 日 ,黄岗地区濯港通信站遭雷击 , 因 MORO 整流屏控制电路损坏而无法正常供电 ,通信 干线电路葛沪微波中断 5 h 20 m in。
雷电对湖北电力通信网造成较大的危害 ,不仅造 成重大经济损失 ,而且后遗症严重 ,工作量倍增 ,通信 失灵还可能影响电网的安全 、稳定运行 ,因此防雷工作 就显得尤为重要 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
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电 力 系 统 通 信 2005, 26 (149)
TVS管即瞬态电压抑制器 ,当其两极受到反向瞬 态高能量冲击时 ,它能以 ( 10 ～100 ) ×10 - 12秒 ( p s)量 级的速度 ,将两极间的高阻抗变为低阻抗 ,吸收高达数 千瓦的浪涌功率 ,使两极间的电压嵌位于一个预定值 (一般 < 2. 5倍额定工作电压 ) ,有效地保护了电路中 的元器件免受各种浪涌脉冲的破坏 。
WU CongΟhua (M aom ing Power Supp ly B ranch, Guangdong Guangdian Power Grid Group Co. , L td. ,M aom ing 525000, China)
(下转第 5页 )
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
·安全生产 · 吴聪华 雷电危害与通信地网设计
TVS管的显著特点为响应速度快 (p s级 ) 、瞬时吸 收功率大 (数 kW ) 、漏电流小 ( nA 级 ) 、击穿电压偏差 小 ( ±5%VBR与 ±10% VBR两种 ) 、箝位电压较易控制 (箝位电压 Vc 与击穿电压 VBR之比为 1. 2 ～1. 4 ) 、体 积小等 。它对被保护装置免遭静电 、雷电 、操作过电
1 综合性防雷措施
为避免电力通信站遭受雷害 ,应采用“整体防御 、 综合治理 、多重保护 ”的方针 ,具体为 :接地与均压 、屏 蔽及过电压保护 。
( 1 )接地与均压 良好的接地是防雷中至关重要的一环 ,接地电阻
收稿日期 : 2004 - 05 - 09
值越小过电压值越低 。规程规定 [ 1 ] ,对一般土壤电阻 率 ,电力调度与通信大楼其接地电阻值应小于 1Ω ,微 波通信站其接地电阻值应小于 5 Ω;对高土壤电阻率 地区 ,其接地电阻值应小于 10Ω。通信机房内应敷设 均压带并围绕机房敷设环行接地母线 。
固态放电管是基于可控硅 (亦称晶闸管 )的原理 和结构的一种三端负阻器件 。用于保护敏感易损的集 成电路 ,使之免遭雷电和操作波的冲击 。其所具有的 精确导通电压 、上千安培的通流容量 、快速响应和极小 的极间电容 ,使其成为通信设备防雷保护的重要器件 。
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通信系统防雷接地技术
周文俊 1 ,刘大建 2
(1. 武汉大学 电气工程学院 ,湖北 武汉 430072; 2. 湖北省电力公司 ,湖北 武汉 430077)
摘要 :介绍了微电子器件耐雷水平 ,新型防雷器件 TVS管和固态放电管的特性 ,过电压保护器的四级保 护 ,以及通信系统防雷接地与屏蔽的有关要求 ;通过对湖北省电力公司通信系统近几年的雷害实例分 析 ,介绍了通信系统简单而有效的防雷措施及其实施效果 ,阐述了水涨船高法在通信系统防雷中的具体 运用 。
按国标新要求 ,对电源装置可靠而有效的防雷方 法是采用三级保护 :第一级用限流模块 ;第二级用压敏 电阻 ;第三级用 TVS管 ,使输出的箝位电压达到规定 的要求 。采用上述三级保护后 ,保护电源一般不会因 雷击而损坏 。过电压保护器最好能同时具有保护模块 失效自动报警 、过电压次数自动记录 、停电后记录的过 电压次数不丢失等功能 。
TVS管的伏安特性如图 1所示 。其正向特性与普 通二极管相同 ,反向特性为典型的 PN 结雪崩器件 。 在瞬态脉冲电流的作用下 ,流过 TVS管的电流 ,由原 来的反向漏电流 ID上升到 IR ( 25 ℃下 , IR = 1 mA )时 , 其两极呈现的电压由额定反向关断电压 Vwm上升到击 穿电压 VBR , TVS管被击穿 。随着峰值脉冲电流的出 现 ,流过 TVS管的电流达到峰值脉冲电流 Ipp ,其两极 的电压被箝位到预定的最大箝位电压 Vc以下 。其后 , 随着脉冲电流按指数衰减 , TVS管两极电压不断下降 , 最后恢复到起始状态 ,这就是 TVS管抑制出现的浪涌 脉冲功率 ,保护电子元件的过程 。
电缆铠带或金属管及电源线间安装压敏电阻 。
制共模 、差模干扰 。
2 过电压保护器 (箱 )
2. 1 微电子器件耐冲击水平与 TVS 管和固态放电管 特性
微电子器件中 TTL 数字电路的抗冲击能力最弱 , 12. 5 V、30 ns脉宽的冲击电压可使 TTL 电路误动甚至 损坏 ;雷电流产生的磁场达到 0. 07 Gs时 ,可使微电子 器件误动 [ 2 ] ;无电磁屏蔽时 ,即使其通道远在 1 km 处 , 100 kA 的雷电流也可能使微电子设备误动 [ 3 ] 。
第 26卷 第 149期 电 力 系 统 通 信 Vol. 26 No. 149 2 0 0 5年 3月 1 0日 Telecommunications for Electric Power System M ar. 1 0 , 2 0 0 5
交换机等对外引出的音频话路线很容易受感应雷 的冲击而损坏 。用户话路盘由于铃流电压与通话电压 不同 ,需要在保护装置上精心考虑 ,使之在两种不同电 压下均能有效地保护用户话路部分 。因此采用上述合 适的保护方式 ,可使相应残压小于其额定工作电压 的 2. 5倍 。
3 现场实施情况
根据上述原理和方法 ,我们于 2002 年 10 月对湖 北省电力公司通信系统的弱电装置进行了防雷措施实 施 。除进行少量的电话线穿铁管入地改造外 ,在易受 雷击的设备前安装了 DGBZ - II型直流电源过电压保 护器 3台 ,改造保安单元 100只 , DGB S - III型三相电 源过电压保护箱 5 台 ,低压氧化锌避雷器 1 组 。通过 1年多的实际运行考验 ,电力大楼再未发生雷害事故 。
固态放电管伏安特性如图 2所示 。固态放电管的 工作状态如同一个开关 ,在断开状态下 ,其漏电流 IDRM 极小 ,不影响被保护电路的工作 。当瞬间过电压超过 其断态峰值电压 VDRM时 ,产生瞬间雪崩效应 ,一旦瞬 间电流超过开关电流 Is,其电压即降为导通电压 VT (约 5 V ) ,瞬间浪涌电流就此傍路而保护了并联的敏 感电子器件 。浪涌之后 ,当电流降到最小维持电流 IH 以下时 ,固态放电管自然恢复 ,回到其断开状态 。 2. 2 电源与话路过电压保护器
[ 2 ] DL548. 电力系统通信站防雷运行管理规程 [ S ]. 1994.
吴聪华 (1970 - ) ,男 ,广东茂名人 ,工程师 ,长期从事电力 通信维护及管理工作 。
Harm of thunder and lightn ing and design of comm un ica tion ground network
·5·
图 4 时间 —地阻曲线图
4. 3 其他问题 当地表层土值较差时 ,可加长电流极和电压极或
在两极处灌水来测试 。当测试仪指针摇摆不定时 ,可 能是地网有大电流通过 ,或地下有磁性的矿物质 。
5 结束语
由于通信设备安全防护防雷具有一定的特殊性 , 一旦受雷击 ,就会对设备造成极大的危害 。应采取有
近年来 ,湖北省电力公司通信系统多次遭受雷击 , 雷电过电压导致 PCM 板和电源板损坏 ,严重影响了通 信站的正常运行 。以下列举了其中的几次雷害事例 。
2002年 7月 11日 ,鄂洲电厂遭雷击 ,雷电流从交 流供电入口进入 ,击坏 2套 PCM 终端设备 ,致使相关 电路中断 。
2002年 7月 16日 ,荆州地区幸福变电站遭雷击 , 该站微波终端 ( PCM3630)主板损坏 ,通信受阻 。
关键词 :通信系统 ;防雷 ;措施
中图分类号 : TP915. 08
文献标识码 : B
文章编号 : 1005 - 7641 (2005) 03 - 0001 - 02
0 引言
通信系统 (尤其是微波通信站 )由于所在地土壤 电阻率较高 ,其地网的接地电阻往往很难达到规程的 要求 ,加之所处地理位置较高 ,其防雷工作的难度更 大 。通信系统中的微电子器件较多 ,对外界的干扰极 其敏感 ,受雷害的情况较为严重 。
对于电子设备的防雷 ,以前的做法是选用压敏电 阻 (氧化锌避雷器 ,MOA)保护 ,一般选用 MOA的直流 1 mA 电压 V1 mA为被保护器件工作电压的 2. 2～2. 5倍 。遇 雷击时 ,MOA 的残压达到 V1 mA电压的 2 倍左右 ,即压 敏电阻的残压约为被保护器件工作电压的 4. 4～5倍 。 对 TTL 电路 ,其工作电压为 5 V ,用 MOA 保护 ,遇雷击 时器件上的残压约为 4. 4 ×5 V = 22 V ,此值已远远大 于 12. 5 V、30 n s的 受 损 水 平 (标 准 雷 电 压 波 头 为 1. 2μs) 。更何况 ,目前市场上能买到的直流 1 mA 电 压最小的压敏电阻 V1 mA = 15 V。可见压敏电阻不能 使 TTL 器件免遭雷害 。为保护微电子器件遇雷击时 不受损坏 ,有效的办法是选用新型保护器件 ———TVS 管或固态放电管 。
效的防护措施 ,以避免雷电的危害 ,除完善接地网外 ,还 应设立雷电疏导通路 、清除地面回路等防护技术 。此外 机房配电屏或整流器入端三相对地应装氧化锌避雷器 , 直流电源的“正极 ”在电源设备侧和通信设备侧均应接 地 ,“负极 ”在电源机房侧和通信机房侧应接压敏电阻。
参考文献 :
[ 1 ] 王家庆. 智能型高频开关电源系统的原理使用与维护 [M ]. 北京 :人民邮电出版社 , 2000.
2003年 8 月 9 日 ,黄岗地区濯港通信站遭雷击 , 因 MORO 整流屏控制电路损坏而无法正常供电 ,通信 干线电路葛沪微波中断 5 h 20 m in。
雷电对湖北电力通信网造成较大的危害 ,不仅造 成重大经济损失 ,而且后遗症严重 ,工作量倍增 ,通信 失灵还可能影响电网的安全 、稳定运行 ,因此防雷工作 就显得尤为重要 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
·2·
电 力 系 统 通 信 2005, 26 (149)
TVS管即瞬态电压抑制器 ,当其两极受到反向瞬 态高能量冲击时 ,它能以 ( 10 ～100 ) ×10 - 12秒 ( p s)量 级的速度 ,将两极间的高阻抗变为低阻抗 ,吸收高达数 千瓦的浪涌功率 ,使两极间的电压嵌位于一个预定值 (一般 < 2. 5倍额定工作电压 ) ,有效地保护了电路中 的元器件免受各种浪涌脉冲的破坏 。
WU CongΟhua (M aom ing Power Supp ly B ranch, Guangdong Guangdian Power Grid Group Co. , L td. ,M aom ing 525000, China)
(下转第 5页 )
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
·安全生产 · 吴聪华 雷电危害与通信地网设计
TVS管的显著特点为响应速度快 (p s级 ) 、瞬时吸 收功率大 (数 kW ) 、漏电流小 ( nA 级 ) 、击穿电压偏差 小 ( ±5%VBR与 ±10% VBR两种 ) 、箝位电压较易控制 (箝位电压 Vc 与击穿电压 VBR之比为 1. 2 ～1. 4 ) 、体 积小等 。它对被保护装置免遭静电 、雷电 、操作过电
1 综合性防雷措施
为避免电力通信站遭受雷害 ,应采用“整体防御 、 综合治理 、多重保护 ”的方针 ,具体为 :接地与均压 、屏 蔽及过电压保护 。
( 1 )接地与均压 良好的接地是防雷中至关重要的一环 ,接地电阻
收稿日期 : 2004 - 05 - 09
值越小过电压值越低 。规程规定 [ 1 ] ,对一般土壤电阻 率 ,电力调度与通信大楼其接地电阻值应小于 1Ω ,微 波通信站其接地电阻值应小于 5 Ω;对高土壤电阻率 地区 ,其接地电阻值应小于 10Ω。通信机房内应敷设 均压带并围绕机房敷设环行接地母线 。
