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如何做好计算机通信系统防雷

文章出处:作者:河南华晟防雷公司|郑州防雷检测工程施工|避雷针避雷器发表时间:2018-07-16 18:12:00

   算机机房网络通信系统雷电防护包括广域网雷电防护、局域网雷电防护、无线通信系统雷电防护、光缆通信雷电防护和机房内部设备之间的串口雷电防护等。
  广域网远距离传输数据通信,在进入机房设备(调制解调器或其它设备)前端应安装具备二级保护的防雷保护器,第一级一般为惰性气体火花间隙放电器,通过RLC解偶后,进入第二级半导体过电压保护器。需要防护线与线之间、线与大地之间的雷电入侵,保护器的损耗指标应该适应计算机设备的IEEE标准通信的有关要求。
  数据传输线路(X.25、ISDN、DDN等)的防雷保护器必须能够抵御和吸收(8/20uS感应雷击)5KA雷电流,须具备线路与大地之间及线与线之间的雷电保护。进行PSDN等防雷设计,必须在使用前详细了解防雷器件及设备的工作要求。例如:PSDN调制解调器有带铃压和不带铃压二类,带铃压调制解调器工作电压为48v至54v,铃压为175v至180v,防雷器的保护电压应大于180v;不带铃压的调制解调器工作电压为48v至54v,防雷器的保护电压应不小于54v。如果两类防雷器混装,将对前者造成通讯信号短路,对后者造成防雷工作能力丧失。
  局域网雷电防护的重点是做好局域网网线的屏蔽,同时加强终端设备局域网端口的雷电防护。局域网络通常以双绞线传输数据,无屏蔽保护,布线也往往不尽规范,除了有可能遭受感应雷击的袭击外,交流线路的干扰也会对网络系统造成影响。在局域网络的两端安装避雷器,可有效地防止各种过电压对设备造成的破坏。局域网的网口应该采取雷电防护措施,服务器、网络交换机、集线器等端口应加设专用防雷器。出户的局域网线及BNC远程局域网也须安装防雷器。485数据线接口、422数据线并口、RS232数据串口、TTY传感器数据接口等,均应安装匹配的防雷器,匹配原则应参照防雷标准和计算机通信协议。
  无线通讯经常在建筑物上架设天线,属于地面特别突出物,是雷电释放的危险途径。馈线进入设备前应加装防雷器。防雷器的插入损耗要求较小,所以一般只能使用间隙放电器件进行有效防护。光缆一般不会传导雷电,但光缆金属护套和金属芯线可能引入雷电烧毁设备,必须在进入设备之前,使芯线和护套接地,以达到避雷的目的。

通信系统的接地技术

  使通信系统达到EMC不仅仅是简单的测试和保护单个部件问题。实际上,对一个具体的器件采取保护措施,会在整个系统引起问题。为了确保整个通信系统的可靠运行,必须使用EMC准则设计接地系统。

1 接地系统的功能

  当设备或系统的器件和单元能在其电磁环境中正常运行并不产生辐射而不危及或干扰其它器件、设备或系统,则称其达到EMC。为了达到理想的EMC,需要进行两种分析:在电磁环境中,一种具体器件的影响以及在整个系统中满意功能的效果。当今,制造商和设计者拥有一系列的技术、产品、标准和建议来控制源于任何器件的电磁干扰(EMI)问题。
  不幸的是,组成现代通信系统的已安装的大量设备会产生其它问题。一个系统即使完全由满足EMC标准的部件组成,但仍然容易受到源于创建此通信系统的成缆线路和网络连接产生的电磁干扰。为了使配置的整个通信系统达到EMC,就必须制定“工作图和计划”。这种干扰控制计划包括所采取的这些操作的顺序和精确时间的所有步骤的记录。很明显现代通信系统应用的各种技术通过接地网络在此即接地系统连接。设计者必须记住,电流要在通信电路内流动,而不能凭空消失。当然,分流电流必须流向地面,系统设计中低阻抗通路至关重要。考虑到它的重要功能,在提供可靠通信中,接地系统起到重要作用。

2 不同的接地系统

  通信设备可包括几种不同的接地系统,例如交直流配电接地系统、屏蔽设备接地、射频接地、参考地、雷电地等。同样,系统也会包括不同的必须接地点,这些点包括逻辑地、框架地、电缆屏蔽地、机壳地和信号地等。另一个复杂的问题涉及到接地系统的可靠性。在历史上,电气工程师负责接地系统,然而,他习惯于几十到几百安和50到60赫的工作环境,但对于电缆配置中毫安/兆赫信号缺乏了解。相反,电子工程师则习惯于毫安/兆赫的工作环境,他们注意系统装置内部网络,并能避免涉及10~100安和50~60赫的问题。这样,因为无人研究毫安/兆赫范围内的电磁干扰或去配置可以减小这些干扰的系统,所以接地系统是一种“无人研究的领域”。
  通常,接地系统的实施仅考虑两种或三种主要规则。例如,系统设计者利用的原则包括:
  (1)接地电阻应小于5欧,
  (2)应用星形配置(3)应当避免地环路
  (4)地电位应相等。
  这些限制规则不能得到满意结果是非常普遍的。在设计系统时,设计者会忽视更严重的危害,例如电击。然后通过增加一些专用产品试图克服这些不足,例如高级浪涌保护装置(SPD),而不是在开始设计系统时就考虑这些问题。
  多方面的功能需要产生上述接地系统的列表。特别是,系统设计者必须满足一些目标:必须提供电源系统参考电压,必须使人免受电击,进入到设备的错误能量必须在引起损坏之前就要消除,通过设置到地的低阻抗通路和避免地环路来达到减小电噪声目的,当然,电击的影响也必须被消除。任一种电路都需要接地点。对于通信系统,不存在一种技术能分析这些不同需求,并达到最佳EMC符合设计。但是,利用一些基本EMC导则去设计接地系统有助于达到一个完整系统设计,它可保证不同电路信号的保真度。在此,必须考虑四个基本的设计方面。

2.1 噪声控制

  为了达到EMC,经典亚里士多德学派逻辑不总是有效的。减小EMI需确认噪声源(在内部还是在外部),耦合路径(电磁干扰耦合到电路的路径)和受影响的电路。如果已经弄清了这些问题,那么通过改变一个或多个元件就可减小干扰。然而,随着现代通信系统复杂性的增加,通常不可能改变受影响的元件、通信设备或噪声源,尤其当位于系统外部时。在实际情况下,设计者通常不试图全部地减小噪声,而是寻找折中的解决方法,以使耦合到电路的全部噪声不会引起干扰。在通信中,消除或减小EMI问题涉及耦合路径和接地系统的重要功能。许多可变因素会影响噪声与电路的耦合,亦即信号的电平和带宽,外界环境的电磁干扰或电路的实际布局。鉴于这些变化没有一种标准的解决方法。在许多条件下,必须应用折中方案。为了阻止来自更严重噪声源的耦合,设计者可允许存在某些可忽略的噪声。

2.2 地电位

  对于一个电路,必须只有一个参考地。因为两个不同点不可能具有完全相同的电位,所以两个参考地就表示不同的地电位,这会导致噪声。如果考虑两个不同的电路,当分别研究时,可以有两个不同的参考地。不过,当分析包含这两个电路和组成的整个电路时,必须只有唯一的参考(物理)接地系统。

2.3 电磁场

  在低频应用时,电路可被视为一个包括一些常用元件(如电阻、电容、电感)的等效电网络。此种条件下,简单的计算就可满足。然而,当电路尺寸比波长小时,电路的辐射特性就不能忽视。例如,一段简单的导线有可变的电阻、电容、电感特性,这是否会影响系统的功能,其依赖于导线的尺寸及承载频率。电流总是伴随着磁场,电压总是伴随着电场。在很多情况下,干扰问题是由于没有考虑这些简单的事实而引起的。

2.4 共模电流

  当考虑一个电路的两个导体时(源/负载和线返回导体),两种电流的流向是不同的。首先,差模涉及有用信号,即电流通过一个导体从源流向负载,并通过另一个导体返回。在共模条件下,人们研究不希望有的信号,电流在两个导体上以相同的方向流动,并通过第三个导体(实际上为地)返回。在一些情况下,信号源和负载在不同的点直接到“地”上。在这种情况下,对这两个接地点来说,共模电流源的电位是不同的。在另一些情况下,承载共模电流的电路没有连接材料使此环路连接到地。但是,可通过寄生电容把此环路在电路的一端连接到地。共模电流是许多接地系统产生干扰问题的原因。因为“地”常作为返回通路或环路,所以这些现象被归类为“地环路”。在解决这类问题时,要对电流进行详尽的分析。

3 雷电防护光缆的强电和雷电防护

  随着光纤通信技术的迅速发展,在加紧建设光纤通信的同时,光缆的防、护,应当在光缆建设和维护工作中引起重视。
  一、强电和雷电对光缆的影响
  光缆中的光纤是非金属材料,传输的光信号不受外界电磁场的干扰,所以在光纤部分可以不考虑强电和雷电的影响。但由于绝大多数在用光缆并不是无金属光缆,其中包含有金属材料,如金属加强芯、金属护套等。因此有金属构件的光缆(简称金属光缆)线路会受到强电和雷电的影响。
  1. 强电对光缆的影响和防护措施
  强电线路靠近金属光缆时,会在光缆内铜线、金属加强芯、金属防潮层、金属护套等金属构件上产生感应电动势和电流,当其达到一定强度时就会损坏光缆,危及人身安全。光缆受强电影响主要有三个方面:
  ⑴ 短期影响。强电线路发生接地短路故障时,在光缆的金属构件上产生感应电动势,击穿绝缘介质,瞬间高温可能损伤光缆,甚至中断通信。
  ⑵ 长期影响。不对称运行的强电线路在正常工作状态下,在光缆的金属构件上产生电动势,在超过安全电压的规定值时会危及人身安全。
  ⑶ 干扰影响。不对称运行的强电线路在工作状态下,在光缆的铜线上会产生电动势,对铜线回路(如区间联络,远供回路等)产生杂音、噪声等干扰。对于无铜线的光缆线路来说,强电影响的允许值可由光缆外护层(PE层)对地绝缘强度确立。光缆PE层的厚度一般等于或大于2mm,其工频绝缘强度要求等于或大于20000V。按CCITT建议K13规定光缆金属护套上短期危险影响的纵电动势不超过其直流试验电压的60%,即为20000×60%=12000V。光缆金属构件上长期影响的纵电动势允许值,按CCITT《关于通信线路防止电力线路有害原则》和国家标准“GB 6830-86”《电信线路遭受强电线路危险影响的允许值》中关于人身安全的规定为60V。
  防强电措施:⑴光缆线路与强电线路之间保持一定的隔距,使光缆金属构件的短期和长期危险纵电动势分别不大于12000V和60V。⑵在接近交流电气化铁道的地段进行光缆施工和检修时,将光缆中金属构件临时接地,以保证人身安全。⑶在接近发电厂、变电站等地电位高的区域,不将光缆的金属构件接地,以免将高电位引上光缆。 ⑷采用非金属加强芯光缆或非金属光缆,但直埋光缆除外(因为这种光缆对潮气渗透的抗力较低,而且在维护工作中难于确定光缆位置)。⑸增加光缆PE外层厚度,以提高光缆护套的绝缘和耐压强度。

雷电对光缆的影响和防护措施

  金属光缆的雷电的作用下,会在其金属构件上产生感应电流、纵电动势,使金属构件熔化,外护层击穿,光纤损坏,甚至中断通信。

  光缆受雷电影响主要有以下几个方面:

  ⑴金属构件熔化。雷电流进入金属护套,缆芯导体与金属护套将出现冲击电压,击穿金属构件间介质而发生电弧,使金属构件熔化外护层被击穿。
  ⑵针孔击穿。雷击大地产生地电位升高,使光缆塑料外护套发生针孔击穿,土壤潮气和水通过针孔侵蚀光缆金属护套,从而降低光缆使用寿命。
  ⑶形成孔洞。雷电流通过雷击针孔击穿金属护套从而形成孔洞,进而损伤光纤。
  ⑷结构变形。雷击大地造成光缆的放电而引起的压缩力会压扁光缆,引起结构变形,增大传输损耗乃至中断通信。

防雷电措施:

  ⑴在选择光缆线路路由时,应与高大的树木、独立建筑电杆、古塔等保持一定的间距。
  ⑵在光缆上方敷设防雷线。当大地电阻率小于500Ω•m时,敷设一条防雷线;当大地电阻串大于500Ω•m时,敷设两条防雷线。
  ⑶采用架空光缆吊线间隔接地,一般500-1000m接地一次。
  ⑷在强雷区采用非金属加强芯光缆,或者是超厚PE外护层的光缆。

  二、光缆防强电和防雷电技术的发展
  
  目前光缆的防强电、防雷电问题已经引起了有关方面极大的重视,进行了不同程度的研究,并提出两种不同的防护措施。
  第一种防护措施,是在光缆接头处将缆内金属构件在接头处前后断开,不作电气连接和接地处理,且在直埋光缆的上方设置屏蔽线。
  第二种防护措施,是在光缆接头处将缆内金属构件作电气连通,并作接地处理,在直埋光缆的上方不设屏蔽线。
  对这两种防护措施虽然有争议,但资料表明这两种防护措施都很有效。由于我国山地以及宕石 多,埋设一组合格的地线十分困难,采用第一种防护措施,光缆接头处不接地,可以减少很多接地装置,从而可大大减少工程费用和维护工作量。另外,光缆接头处缆内金属构件不连通,相当于加了分割波波器,限制了感应纵电动势在光缆中长距离的积累。

  三、我国光缆的防强电和防雷电措施
 
  我国光缆线路一般均为直埋光缆,大多都是在距公路较近地址埋设,部分架在明线杆路上,并都与高压输电线、交流电气铁道、地面各种建筑物形成了相互合理的关系,保持有一定间隔距离,并在线路上采取了相应的防护措施。根据国家现行的光缆防强电防雷电措施,结合线路实际情况,主要应采用以下防强电、防雷电措施:
  ⑴在光缆选型上不采用有铜线光缆。在强电和雷电严重的地区埋设较为完整的地线设施,如经济允许可适当采用非金属加强芯光缆或金属光缆。
  ⑵在新架光缆选择路由时,应尽量避免与高压输电线、交流电气铁道平行接近,与其交相时,交越角度应在30度以上。
  ⑶在现有明线杆路上架设光缆时,一般可不考虑强电和雷电的影响。为了减少雷电对架空光缆的影响,光缆吊线每隔一公里接地一次,接地体的接地电阻要符合规定要求。
  ⑷在光线接头处将缆内金属构件前后断开,不作电气连通,并不作接地处理。
  ⑸在接近高压输电线、交流电气的地段进行光缆施工或检修时,作临时保护接地,以保人身安全。

雷电电磁脉冲防护分级计算方法

  随着通信技术、计算机技术、信息技术的飞速发展,今日已是电子化时代,日益繁忙庞杂的事物通过高速电脑、自动化设备及通信发展得到井然有序、而这些敏感电子设备的工作电压却在不断降低,其数量和规模不断扩大,因而它们受到过电压特别是雷电袭击而受到损坏的可能性就大大增加,这是由于以雷击中心1.5km—2km范围内都可能产生危险过电压,损坏线路上设备;其后果可能使整个系统的运行中断,并造成难以估计的经济损失,雷电和浪涌电压成了电子化时代的一大公害。防雷器就是在最短时间(纳秒级)内将被保护线路连入等电位系统中,使设备各端口等电位,同时释放电路上因雷击而产生的大量脉冲能量短路泄放到大地,降低设备各接口端的电位差,从而保护线路上用户的设备。对系统设备而言,电源线路和信号线路是雷电袭击产生过电压并传导的两条主要通道,因此防雷器就分电源系统避雷器和信号系统防雷器。

防雷区域的划分

  一、LPZ0A区:本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷击电流;本区内的电磁场强度没有衰减。
  二、LPZ0B区:本区内的各种物体不可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击,但本区内的电磁场强度没有衰减。
  三、LPZ1区:本区内的各种物体不可能遭到直接雷击,流经各导体的电流比LPZ0B区更小;本区内的电磁场强度可能衰减,这取决于屏蔽措施。
  四、LPZn 1后续防雷区:当需要进一步减小流入的电流和电磁场强度时,应增设后续防雷区,并按照需要保护的对象所要求的环境去选择后续防雷区的要求条件。

  注:n=1、2、......。
  雷电电磁脉冲防护分级计算方法
  1、建筑物年预计雷击次数N:
  N=K•(0.024•Td1.3)•(Ae Ae’)
  式中:K— 校正系数,一般取1。
  Td---年平均雷暴日
  Ae---建筑物截收相同雷击次数的等效面积(KM2)
  Ae’—建筑物入户设施的截收面积(电源线、信号线)

  2、等效面积Ae的计算
  当建筑物高度H<100M:
  D= [ H&#8226;(200-H)]1/2 (M)
  Ae=[L&#8226;W 2(L W)&#8226;D π&#8226;H(200-H)]&#8226;10-6 (KM2)
  式中:L,W ,H分别为建筑物的长,宽,高(米)。
  浅谈电力系统微波通信站的雷电防护
  随着电力事业的发展,电力系统通信也不断得以发展壮大。我局近些年形成了以数字微波、光纤通信、扩频通信、电力线载波通信等多种通信方式和数字程控交换机组成的较为完备的通信网络,而且随着发展,通信在电力系统的作用显得也愈来愈大。另一方面,随着通信技术的日新月异,设备集成度愈来愈高,体积愈来愈小,而其抗雷的能力却越来越弱。据资料显示,电力系统通信站特别是微波通信站发生了多起雷击事件,电力生产造成了巨大的损失,所以加强电力系统通信站的雷电防护,是摆在我们面前的一项艰巨任务。

 

 

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