多源雷电电涌

微波通信设备被损坏的原因

Dion Neri,

MCG Electronics, 12 Burt Drive, Deer Park, New York, 11729

移动、电信及联通的工程师们经常都被无法有效地保护其昂贵的传输及微波设备免遭雷电的破坏而困扰，理由也相当充分：

1)        关于雷电保护，理论太多，充满困惑及矛盾。

2)        已被推销了太多的解决方案，却没有能够消除雷电对设备的破坏，甚至连雷害发生的机率也没有降低。

GSM及其它通信基站内安装了雷电保护设施但不能有效地保护基站内的电子设备免遭雷电的破坏，这种现象十分普遍。中国的一些统计调查表明，基站的故障率为20%， 这总要有责任的承担者。最通常的情况是，这些雷电防护上的失败，被归咎于客户的接地系统。承建商们通常都会积极地建议客户们投入数以百万计的资金，将本已功能良好的接地系统改造到魔术般的“欧姆”水平。工程师们及管理者们通常所得到的建议是：

“您的接地系统接地电阻测量值是6欧姆，所以您的设备被烧掉了。我们必须使它下降到2欧姆，您的设备才安全。”

基于这种建议的资金投入成为一种浪费，这是因为雷电破坏事故的下降率还达不到1%。不存在一种魔术般的“欧姆”水平，在达到该水平值以下时，就能确保电子设备不受雷电的破坏（除非不可达到的“0欧姆”）。根据欧姆定律，一个10kA的、相对小等级的雷电流出现在供电线路上，即使是1欧姆的电阻都能产生10000伏的电压差。10000伏的电压足以摧毁设施中的每一件电子设备。虽然接地在电涌防护系统中是一个重要因素，如果您有一个设计和维护良好的接地系统，那么雷电保护失败的原因就不是接地系统。相关的关键因素可在本文附带的、题目为：电信基站的雷电防护的文章里找到。

如果接地系统不是绝大部分雷电损坏事故的原因，那我们应该从何着手？

雷电破坏的原因

为什么您的微波设备总是被打坏？简单的回答是高于您的设备的承受能力的过电压袭击了您的设备。过电压的主要来源有三个：

A、微波设备通过馈线与天线铁塔相连接。

B、微波设备与交流电源相连接。

C、微波设备通过机壳接地与地网相连接。

当发生雷击时，过电压及过电流可通过以上任何一种或多种途径袭击您的设备。

很多时候，工程师们认为（A）是唯一重要的因素。防护直击雷击中铁塔而引起的破坏（A）的常用方法是安装馈线防护器。不幸的是，不是所有的馈线防护器都是制作精良的，您应该选用在行业应用中被证实为高质量的产品，并严格按照生产厂家的指 南进行安装，如下面图2所示的P2。对图2的更进一步分析将会显示虽然馈线防护器非常重要，但独立工作不足以保证您的设备免遭雷电的破坏。

电涌的多源头：当雷击击中铁塔时会发生什么

当铁塔遭到直击雷击时，认为只有馈线将雷电电涌往下传导的想法大错特错。此时，过电压会通过几个途径同时袭击您的设备。例如，出现电源的相-零电涌的情况非常普遍，如果不将其限制在安全范围内，会通过电源线路的感应从而损坏射频线路。

如图2 中DP1, DP2, DP3 及 DP4所示，在雷击发生时，主要有4个途径产生危险的电势差。

危险的极间过电压（DPs）

如果P1不存在，击中铁塔的雷击会产生一个电流流过Rb、L1及Ra，并因此将设备机壳的电势提高，另外一个电流同时会感应到馈线上，此时P2会导通并将会保护紧接的射频电路。然而，对于未被保护的线路（以R1表示），机壳电势的升高将导致传输设备的损坏或被干扰。这是因为相线与地线之间及零线与地线之间存在所形成的高电压（注：地是指传输设备的机壳）。

把上图中所显示的4个危险电势简述如下：

DP1：在电涌发生时，如果没有抑制措施，此高电势发生在交流电源的相线与机壳（地）之间。虽然此高电压不是直接通过负载，但所形成的等离子区将会破坏临近的电路，并且由于故障交流电流的流动会导致断路器动作。

DP2：在电涌发生时，如果没有安装交流电源防护器，此高电势将会发生。虽然P2会进行钳压，但射频电路及交流电路之间的电势差将会扩大并达到具破坏力的高度，此高电压会导致射频电路与交流电路之间的弧光放电。

DP3：在电涌发生时，如果在机壳及交流电路中的零线之间没有安装钳压装置，此高电势将会发生。虽然此高电压不是直接通过负载，但所形成的等离子区将会破坏临近的电路。

DP4：此处的过电压会对连接在相线与零线之间的任何线路造成直接的破坏或老化。当雷电击中供电电源线时这种破坏非常普遍。

总结图2，结论是雷电会产生复杂的多源电涌，要有效地保护射频设备免遭破坏，必须对付所有的源头。单独一个馈线防护器，最多只能完成所需保护的20%。

关于全保护模式的一点介绍

危险过电压（DPs）可在以下的任一或全部路径内发生：

相-零（L-N）

相-地 （L-G）

零-地（N-G）

相-相（L-L）

全保护模式的防护器设计有全方位的4项保护。任何不是全保护模式的防护器的效果要较预期的差。请参阅下表。

全模式保护器可以钳制所有可能出现的过电压保证设备的安全。而“其它”保护器则不包括零-地保护，会对零-地高电压无能为力，此高电压会导致射频电路与机壳之间的弧光放电，从而导致损坏射频设备。

P1 - 最有效地对付由雷电所产生的复杂的电涌危害的方案

最有效地对付这种复杂的电涌危害的解决方案如图2 之P1 所示。

P1 是一个全保护模式、效率高、等级适当、设计精良的防护器。如果没有P1 的存在，仅仅安装馈线防护器（P2）而期望有效地保护通信射频设备，是徒劳的。 如果P1不存在，馈线防护器难以（几乎不可能）独立完成它的使命（将信号线与机壳之间的过电压钳制住）。忽略了P1的任何解决方案都不值得推荐，因为它使得关键的电路暴露在无保护之下。

必须安装一个有效的、等级适当的、设计精良的全模式的交流防护器，以保证安全等级的电压能供给到所需的设备，同时能有效地对付以上所列的有害电势的危害。

一个电涌防护器要被划分为P1，必须要具备以下功能：

  必须是全保护模式（相-相、相-零、零-地、相-地）

  必须能将雷电电涌钳制到设备能忍受的安全水平以下

  必须能承受120kA 到200kA的雷电电流（每一个保护失败的例子所使用的都是100kA以下的电涌防护器）

  电涌防护器必须设计有后备保护路径。（一个雷电有2-20个冲击组成，头一个冲击将保护路径损坏的例子非常常见。如果保护器没有后备路径，其后的冲击将设备损坏。

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