有线电视系统的防雷接地措施

有线电视系统的防雷接地措施

摘要：本文介绍了雷电的一些特性及主要的入侵方式，并对系统前端、光节点及电缆网在施工维护中的防雷接地措施作一些简单介绍，供同行参考。

关键词：感应雷、接地保护、接地电阻、过压保护、地电位反击电压

每年夏季，由于雷雨较多，气候异常，是有线电视系统发生故障的高峰季节。雷电对有线电视系统的危害十分强烈，所以防雷、避雷与接地问题，就成了有线电视维护人员征服自然，减少灾害损失的一个重要课题。下面我将结合本人的工作实践，就如何做好网络的防雷措施谈一些粗浅体会。

在介绍雷电的防护措施前我们有必要先了解一下雷电的一些特性。雷云放电称为雷电，当云中的电荷积累到一定程度时，周围空气的绝缘性便被破坏，正负雷云之间或雷云对大地之间就会产生强烈的放电现象。雷击一般分为三类，即直击雷、感应雷和雷电侵入波。直击雷只有雷击率的10％左右，危害范围一般较小，可使用避雷针、避雷线和避雷网来防护，而感应雷虽然没有直接雷那么强烈，但它发生的概率要比直接雷高得多，而且这种感应雷的过电压可以通过电源线、天馈线，输出电缆等传输得很远，使影响范围扩大，有线电视系统的电子设备受雷击损环，主要是感应雷造成的。感应雷它所包含的能量并不很大，有一定的规律可循，是可以通过各种正确有效的避雷措施来防范的。因雷电流的电磁感应作用引起金属导电体上产生极高电压而放电，称之为感应雷。有线电视系统的电子设备即使在其保护范围之内，仍然可能遭雷击而受损，大多数都是烧保险丝、电源变压器。整流元件，三端稳压器，严重的还可能损坏集成电路等元件，这些都是感应雷造成的。一般来讲，雷电入侵主要通过以下三个途径：

1、由电源线路入侵。市电供电设备及线路遭受雷击时，在220/380伏电源线上出现的雷电过电压平均可达10000伏，雷电冲击波沿电源线侵入微电子设备及系统，可对系统设备造成毁灭性的打击。

2、由各种传输网络入侵。由通信及网络线路入侵分为两种情况：(１)、当地面突出物遭直击雷打击时，强雷电电压将邻近土壤击穿，进而击穿通信及网络线路电缆外皮，使高压侵入网络系统；（2）、雷云对地面放电时，在通信及网络线路上感应出上千伏的过电压，击坏与线路相连的网络系统设备。

3、地电位反击电压通过接地体入侵。雷电击中避雷针时，在避雷针接地体附近将产生放射状的电位分布，对靠近它的电子设备接地体产生高压地电位反击，入侵电压可高达数万伏。

因此，针对上述雷电的入侵特点，要制定出具体的防雷措施。在现行的各种防雷措施中，最为有效而且使用最广泛的方法是接地，也就是将雷击中产生的电荷完全或部分引入地下，以避免雷击事故发生。

由于有线电视传输网络遍布城乡，光缆、电缆线路跨越各种复杂地形，做好防雷工作对保证有线电视安全优质播出至关重要，在建网初期，就要按照防雷的技术要求进行调查研究，勘察路由，选择地线的接地点，测量地线沟的土壤电阻率，调阅历年的气象资料，了解雷击区的分布等，在掌握有关信息之后，可采用以下几种接地方法防止雷击。

一、 前端的防雷措施

前端是整个有线电视系统的核心，前端包括各种开路天线、卫星天线、卫星接收机、调制器解调器、光发光收等设备。万一这些设备被雷击损坏，除造成严重的经济损失外，还会造成大范围的停播，对有线台的形象造成影响，因此前端的防雷措施至关重要。前端的防雷主要分两种。1、接收天线的防雷；2、电源部分的防雷。

1、接收天线的防雷措施有：A、确定好接收天线地理位置，架设天线时既要保证接收信号的质量又要避开雷区；B、加入信号防雷器，这种防雷保护器的主要功能是使信号顺利通过，而万一出现雷电造成异常高电压时，对其内部的放大管立即起作用，阻止雷电对设备造成损坏；C、架设避雷针，这是一种普遍而又比较有效的防雷措施，由于接收天线一般架设在楼顶上，很容易将雷电引入前端，特别是卫星天线，防雷措施一定要考虑周全，一方面要使接收天线在避雷针的保护区内，另一方面还要降低避雷针的接地电阻，避雷针要选用直径较粗的优质金属材料，要深埋地下可靠接地，接地电阻要控制在4Ω以内。

2、电源部分的防雷措施有：A、安装电源防雷器，当市电因雷击或其它因素产生高脉冲电压时，将会损坏电路上的设备，所以在有线电视机房要安装电源防雷器。它的作用是在最短时间内释放电路上因感应雷击而产生的大量脉冲能量到安全地线上，从而保护机房内的前端设备；B、做好工作接地，在有线电视系统中，所使用的交流电源一般是由中性线不接地的低电压供电网提供的，使用这种低压供电网提供的交流电源的电器设备应采取保护接地措施，即实施工作接地，这种保护接地措施就是把电器设备的金属外壳，机架等用接地装置与大地可靠联接，工作接地确保了机房内工作地电位为零电位，通过工作接地，可以泄掉设备漏电，也可以泄掉各种磨擦产生的静电。机房内信号输入、输出电缆和光缆金属保护层上带进的雷电也通过工作接地泄放掉，所以工作接地起到了保护设备和保护工作人员人身安全的作用。（待续）

现代防雷保护主要有三道防线，第一，外部保护，将绝大部分雷电流直接引入地下泄散；

第二是内部保护，即阻塞沿电源线或数据线、信号线侵入波危害设备；第三，过电压保护，限制被保护设备上雷电过电压幅值。这三道防线相互配合，各尽其职，缺一不可。

一、一般雷击破坏的三种主要形式

1．直击雷：带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。直击雷只有在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害，也就是说直击雷发生的几率较低，而且直击雷发生时一次只能袭击一个小范围的目标。但是由于放电现象发生过程迅猛，被直接击中的目标会由于放电电流过大而造成较严重的损坏。直击雷主要对室外物体产生破坏作用，所以把防直击雷的系统称为外部防雷系统。

2．二次雷（感应雷）：雷电在雷云之间或雷云对地的放电时，在附近的户外传输信号线路、地埋电力线、设备间连接线上产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害的放电现象。感应雷虽然没有直击雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。感应雷不论雷云对地闪击还是雷云对雷云之间闪击，都可能发生并造成灾害。哪怕是一次雷闪击都可以在较大范围内的多个电子设备间产生感应雷过电压现象，并且这种感应高压可以通过基站供电线和信号中继线等引入，并通过传输使雷害范围扩大。感应雷发生时一般对室内的用电设备和电子元器件起到破坏作用，因此把防止感应雷和雷电电磁脉冲波（LEMP）破坏的系统称为内部防雷系统。

3．球形雷：一种特殊的雷电现象，简称球雷。一般是橙或红色（也有带黄色、绿色、蓝色或紫色的），或似红色火焰的发光球体，直径一般约为10～20厘米，最大的直径可达一米，存在的时间大约为百分之几秒至几分钟，一般是3至5秒，一旦遇到物体或电气设备时会产生燃烧或爆炸，其主要是沿建筑物的孔洞或开着的门窗进入室内，有的由烟囱或通气管道滚进楼房，多数沿带电体消失。球形雷一般发生的较少，只有在一些特殊的地理环境或者特殊的基站位置上才会有球形雷的发生。可以通过铁塔避雷系统、机房避雷系统、围墙避雷系统等构成多系统多层次的整个站区防护系统，达到保护的目的。

二、外部防雷系统

一般防止直击雷破坏是通过避雷装置即避雷针、引下线和接地网络构成完整的电气通路后，将雷电流泄入大地。然而避雷针、引下线和接地装置的导通只能保护安装避雷针的物体本身免受直击雷的损毁，但雷电会透过多种形式及途径破坏电子设备。对通信基站而言，天馈线系统和机房建筑物容易遭受到直击雷的袭击，可以通过合理设计避雷针的保护角和良好的接地系统起到保护作用。但需要说明，避雷针必须有足够可靠，并且有接地电阻尽量小的引下线和接地装置与其配套，否则，它不但起不到避雷的作用，反而会增大雷击的损害程度。

避雷器与接地装置之间的金属导体称为引下线。将避雷针通过引下线与大地做良好的电气连接的装置称为接地装置。接地装置的作用是把由避雷针和网络屏蔽引来的雷电流尽快地放泻到大地中去，以保护人员、设备和建筑物的安全。

所谓的接地网，是把需要接地的各系统统一接到一个地网上或者把各系统原来的接地网通过地下或者地上用金属连接起来，使它们之间成为电气相通的统一接地网。在接地处理过程中，一定要有一个良好的接地系统，因为所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄入大地，从而保护设备和人身安全。如果基站接地系统做得不好，不但会引起设备故障，烧坏元器件，严重的还将危害工作人员的生命安全。

另外防干扰、防静电等问题都需要建立良好的接地系统来解决。一般整个基站的接地系统有建筑物地网、铁塔地、电源地、逻辑地（也称信号地）、防雷地等。当各地网之间必须独立时，如果相互之间距离达不到规范要求的话，则容易出现地电位反击事故。当各接地系统之间的距离达不到规范的要求时，应尽可能连接在一起，如实际情况不允许直接连接的，可通过地电位均衡器实现等电位连接。

三、内部防雷系统

有可靠的外部防雷措施同时，更需要完善内部防雷措施。在外部防雷措施中，避雷设施在雷电发生的瞬间，接地引下线会有很大的瞬变电流通过，也就是说在周围会产生很大的雷电磁脉冲波（LEMP），此时就需要内部防雷措施。

内部防雷工程主要由屏蔽、防雷器和等电位连接三部分组成。

建筑物内部防雷工程涉及面较宽，归纳起来有高电压引入和电磁脉冲波，其中危害最大的是高电压引入。高电压引入是指雷击产生的高电压通过金属线引入到其他地方和室内，造成破坏的雷害现象。高电压引入的途径有二种：其一是直击雷直接击中金属导线，让高压雷电以波的形式沿着导线两边传播而引入室内；第二种是来自感应雷的高电压脉冲，即由于雷雨云对大地放电或雷雨云之间迅速放电形成的静电感应和电磁感应，感生出几千伏到几十千伏甚至数百千伏的地电位反击，这种反击会沿着电力系统的零线、保护接地线和各种形式的接地线，以波的形式传入室内或传播到更大的室内范围，造成大面积的危害。

四、过电压保护

所谓的过电压保护就是限制被保护设备上雷电过电压幅值。根据IEC1312制定的雷电电磁脉冲防护标准，用对电源部分和信号部分安装电源类SPD和通讯网络类SPD（瞬态过电压保护器）进行过电压保护。SPD是保护电子设备在受雷电闪击或者其它干扰造成浪涌过电压危害的有效手段。对于正常工作状态下的低压系统，安装SPD后要求不会对原有系统和原有设备工作特性造成影响；对于出现浪涌等非正常工作状态的低压系统，SPD应及时对浪涌做出反应，通过SPD限制瞬态过电压和分走浪涌电流的特性，将过电压降到IEC60664-1规定的各类别不同设备耐冲击过电压额定值以下。对于经历了非正常状态的低压系统，即经过浪涌后恢复正常状态的SPD，应恢复其高阻抗特性，并采取措施防止或抑制电力线上的续流。当浪涌电压超过设计的最大承受能力和放电电流容量时，SPD可能会失效或被损坏。

SPD的失效模式大致分为开路和短路两种方式。处于开路模式时，被保护设备将不再受保护。这时，因为处于开路模式的SPD对系统本身不会产生影响，很难发现SPD己失效。为了保证在下一次浪涌到来之前，能将失效的SPD替换掉，要求SPD必须具备失效指示的功能。处于短路模式时，短路电流由配电系统流向失效的SPD，失效的SPD通常并未完全短路且有一定阻抗，在开路前将产生热能引起燃烧，此时，对处于短路失效模式的SPD要求安装一个合适的脱离装置（断路器），使被保护系统与失效的SPD发生脱离。

五、电子时代雷电灾害的特点

当社会进入电子信息时代后，雷灾出现的特点与以往有极大的不同，可以概括为下面四点。

1．受灾面大大扩大：从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业，特别是与高新技术关系最密切的领域，如航天、航空、国防通信、计算机、电子工业、石油化工、金融证券等。

2．从二维空间入侵变为三维空间入侵：从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落。

3．雷灾的经济损失和危害程度大大增加：雷灾袭击对象本身的直接经济损失有时并不太大，而由此产生的间接经济损失和影响则难以估计。

4．雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上：雷电的本身并没有变，而是科学技术的发展使得人类社会的生产、生活状况发生了变化，微电子技术的应用渗透到各种生产和生活领域，而微电子器件又极端灵敏，这一特点很容易受到无孔不入的LEMP的利用，造成微电子设备的失控或者损坏。