有线电视网络设备的防雷技术及性能

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[摘要]本文在分析有线电视网络出现的各种雷电故障的基础上，对如何预防雷击问题进行了深入探讨。

[关键词]防雷技术设备防雷感应雷的防护差模及共模浪涌的防护。

[编者按]从某种意义上讲，通信网络运营绝对是个“靠天吃饭”的行当――尤其是遭遇强雷暴天气时，位于户外的传输线缆、无线基站和交接箱等部分，都会遭遇“被雷一下”的问题。对于有线网络而言，随着运营市场化、服务规范化和管理精细化的程度不断加深，以及业务线的不断延展，对无间断持续服务能力提出了严苛的要求，如何有效预防雷电对网络造成的破坏，不但是个安全问题，更是一个业务问题、经济问题在本期的专题中，来自保定及南京的作者结合当地实践经验，在分析雷电损害形成原因的基础上，对各种防雷技术及实际效果进行了深入探讨，希望能为您的日常工作带来有益参考。热忱欢迎您的实践经验，来稿请发.cn。

对于有线网络来说，对于雷电的防护，不仅要做到遭遇强雷电时自身不受损伤，更重要的是保证网络信号不中断。在2008年以前，保定有线网每次遭遇强雷暴天气时，均会出现大量放大器停止工作的现象，最严重时达到500余台，如何有效避免雷电对有线网络正常运行造成的影响，成为保定有线面临的突出问题。为此，从2008年8月开始，保定经过深入研究及全面测试，出台了解决此问题的防雷技术方案。截至目前，该方案已经过两次强雷暴天气的检验，有效避免了有线电视网络因受雷电影响而中断信号的现象。

重点与难点

1　防护重点：感应雷

造成灾害的雷电主要有直击雷及感应雷两种形式，其中感应型雷电会对有线电视网络构成威胁及损害。

直击雷是指网络设备或线路成为雷暴的放电回路，带电云团直接通过它们放电，但这种情况对于有线电视网络来说极其罕见，尤其在城市中几乎不可能遇到。这主要是因为，城市中众多的建筑及很多设施均远高于有线电视线路及设备，其构成了有线电视网络的保护屏障，能有效避免有线电视网络遭遇雷电直击。在野外或山区，失去建筑、植物及其他设施保护的有线电视网络有可能会遭遇直击雷的损害，但相对于感应雷电来说，其几率要低得多，一般来说概率小于1％。其主要是由于带电云团只有通过有线电视线路或设备对地放电才会形成直击雷，而大约有95％的雷电是云间放电，剩下5％的云地放电，在位置及高度上要与有线电视网络或其设备巧合，显然几率非常低。防止直击雷的方式主要包括加装避雷针或避雷线，避雷线是指在有线电视线路上方架设类似于高压输电线路上方的避雷线，并对其进行有效接地，此问题不是本文的论述重点，不予详述。

感应雷是雷暴产生的电磁场在传播途中遇到有线电视线路或设备时产生的感应电流及电压。这种感应电流及电压的强弱与雷暴的强弱及雷暴与线路或设备的距离有关，同时无论云间放电还是云地放电，均会在有线电视线路及设备上产生感应电流和电压。据气象专家介绍，由于气候及环境的变化，近年来雷暴的密度及强度均呈显著提高的趋势，因雷暴形成的电磁场非常强，能在有线电视线路及设备上产生很高的感应电压和电流。因此，如何避免感应雷对有线电视线路及设备带来的危害，是有线电视网络防雷的重点及难点。

2　防护难点：由供电线路引入的感应雷

由雷电引起，在有线电视网络和设备内产生感应电流和感应电压有两个途径：一是射频信号传输途径，如电缆和各种设备的信号通道；二是由供电线路引入。其中，防止供电线路中的雷电感应电压施加到设备内部电路上对设备造成的损伤，是有线电视网络设备防雷的重点及难点。

由于有线电视信号采用非平衡传输，电缆的屏蔽层、设备及器件的外壳既是外导体，也是信号通道的组成部分，因此，当电缆屏蔽层、设备及器件的外壳产生的感应电压超过一定数值后，就会损伤设备的元件和电路。另外，由于电缆的屏蔽网、设备及器件的外壳，能有效屏蔽雷暴形成的电磁场进入内导体或内部电路，因此有线电视网络设备及器件遭雷击损坏，并不是由于雷暴电磁场穿透屏蔽，在内导体或内部电路上形成高感应电流及电压引起的，而是由于在外导体上产生了较高的感应电压，而良好的接地则可避免在外导体上形成高电压。因此，根据网络所处的环境，对外导体进行规范接地，在少数受雷电威胁较大的区域，提高接地密度，不但是避免有线电视网络受雷暴影响的有效措施，而且也是将感应电流及时泄掉的根本之法。另外还可以采用一些补充手段，如在设备及器件的内外导体间增加隔离电容。因为雷电的频谱能量主要集中在100～200kHz范围内，远低于有线电视5MHz的信号频率，因此隔离电容可有效阻止外导体产生的感应电压施加到内部电路上。

但当外导体的感应电压超过电容的耐受值之后，电容就会被击穿，进而对设备造成损害，因此这种将感应电压堵在外面的办法，只是防雷措施中一个辅助的办法。笔者认为，在确认接地良好的前提下，仍不能有效避免器件或设备损坏时，可将后者作为前者的补充，但不能本末倒置或舍本求末。

保定几年的调查数据显示，受雷电影响而停止工作的网络设备全部是电源部分受损，其中较轻的为保险管烧断，较重的则是电源板损坏，极少数信号通道受损的设备也伴随着电源板损坏。而无论电源受损的情况如何，均会造成网络停止工作，因此对以上三种现象我们必须一视同仁，应通过必要的技术手段予以有效避免。需要注意的是，网络中有源设备的接地，并不能直接将电力线路中强大的感应雷电电流泄掉，甚至可以说对其毫无作用，即单靠加强接地，并不能提高网络设备对感应雷的防护能力。因此，如何有效避免电力线中的感应雷对网络设备正常工作造成影响，是有线电视网络防止受雷电影响的难点。

防护性能需求分析

1　有线网络基本处于雷暴威协性最大的区域

在ICE61312《雷电电磁脉冲的防护》中，将雷电威胁的区域划分为4个等级。其中，受威胁性最大的暴露区域为LPZO区，建筑物外部很少遭到直接雷击但本区电磁场没有衰减的防护区域称为LPZOB区。根据以上定义。有线电视网络设备几乎均处于LPZOB区域。这里需要注意的是，某些有线设备虽然安装在室内，但只要其供电线路直接从室外引入，且供电线路自室外至设备间没有安装SPD(防雷保护器)，也应看作是处于LPZOB区。

2　差模、共模浪涌的防护同等重要

供电线路中的浪涌电压有两种模式：在其相一相和线一线之间的浪涌电压被称作是差模浪涌，在相一地和线一地之间的浪涌电压被称作是共模浪涌。由于电力线相一相及相一线之间的距离很近，甚至会紧紧并靠在一起，中间只有绝缘层相隔，受雷暴电磁场感应，在供电线路各条线上形成浪涌电压的相位及幅度差异很小，因此，供电线路中由雷暴引起的浪涌基本上均是共模浪涌。 但笔者经过进一步思考后发现，实际情况并不完全如此：由于各相、线之间的负载不平衡，随着雷电浪涌在线路中的传播，相一相和相一线间浪涌电压的差异也会越来越大，即差模成份越来越大，尤其是对单相用电设备来说此现象更加突出，原因是在单相电供电回路中，其中的一条是直接与大地相连的中性线，其与相线相比，两者与大地之间的负载极不平衡。因此，对单相用电设备来说，差模及共模浪涌的防护同等重要。

3　防护标准分析

鉴于有线网络均处于雷电威胁区的现状，决定了有线设备对感应雷电应具备很强的防护能力，同时，有线的网络特点决定了其防护最终目标为：遇有强雷暴时有线有源设备能正常运行。我们发现目前尚没有国家及行业标准对相关问题给出具体规定，在有关防雷的各项标准中，只有原信息产业部颁发的YD/T1492-2006《通信局(站)在用防雷系统的技术要求和检测方法》可以借鉴。该标准附录c中规定：“各类通信设备应具有一定的雷电过电压抗扰度要求，根据需要通过抽测网上运营设备的抗扰度水平，掌握通信局站防御雷电的整体综合安全指标。”其中，对接入网及传输设备的交流电源接口规定见表1。

该标准给定的通信设备抗扰度测试方法如图1。

由YD／T1492-2006得知，通信行业接入网及传输设备对浪涌的防护水平要求高于6kV，且要求在规定浪涌电压的冲击下，设备不产生损害或出现其他紊乱，如保护器件的误动作等。显然有线电视网络设备要高于通信局(站)内的通信接入网和传输设备，因此其防护标准也应高于6kV，根据保定的实践应达到10kV(注：保定相关测试均在北京雷电防护装置测试中心进行)。

4　现有的常规设备防护性能不理想

目前的有线电视网络有源设备采用的均是开关电源，由于缺少了串联稳压电源中的变压器，因此抗浪涌能力非常差。保定的实际应用证明，不但雷电会引涌，日常停电、来电、大负荷设备的开关等，均会在电网中产生浪涌，对网络设备的正常工作造成影响。而早期的网络设备(主要是放大器)一旦遇到雷雨天气则会发生大量的电源板损坏，那时设备自身的防护措施为：在电源保险管后的220V相线及中性线间跨接一只门限电压为600V的气体放电管。

笔者认为，在设备拥有保护措施的情况下，仍发生电源板损坏有以下几方面的原因：首先，SPD后面的电路抗浪涌电压值为600V(厂家提供)，超过此值后，电源板就有可能损坏；其次，气体放电管反应较慢，在其导通之前，过电压已导致后面的电路损坏；第三，保护措施对共模浪涌不起作用，而供电线路中的雷电感应主要以共模为主，即使在单相供电系统中，其共模成份也占主流。厂家应保定要求对电路进行改进后，烧坏电源板的现象降低到3％(在受影响设备中的比例)，但改进后，烧断保险管的现象仍大量存在，通过对改进后的设备进行测试(早期设备已无样品)，结果触目惊心：当测试电流为120A(8/20μs波形)时，首次出现烧断保险管现象，表明回路电压已超过SPD组件的门限电压；更换保险管后，其防护能力更降至100A以下。测试中心的专家研究分析后认为，面对如此之低的防护能力，再测下去已毫无意义，因此，没有测得该产品的真实抗压数据。图2为厂家提供的设备雷电防护原理图，其他厂家的产品在原理上基本与其相同。下面，笔者就依此对开关电源型网络设备的抗压保护特性进行分析。

从图2中可以看出，防浪涌保护电路由两级组成：第一级对共模浪涌的保护电压为900V(DRI+RVl或DR2+RV1)，对差模浪涌的保护电压为1200V(DRI+DR2)；第二级中，T1对共模浪涌起阻碍作用，c2和c3起泄流作用，RV2对差模的保护电压为300V(这与我们的测试结果相吻合)。理论上这种两级保护电路基本能有效保护后面的电路免遭浪涌电压损害，但是，从实际应用角度，这种模式却存在着致命的缺陷：首先，无论是出现共模还是差模浪涌，只要SPD导通，前面的保险管就会被烧断，导致设备停止运行，尤其是第二级保护电路中的RV2对差模浪涌的保护电压只有300V，当来自供电线路的差模浪涌超过此值后，RV2会导通烧断前面的保险管；其次，图2中的DR1及DR2两只气体放电(图中符号为瞬态抑制二极管)反应速度慢，T1又太小，当共模浪涌来临时，在保险管被烧断之前，后面电路可能已被损坏。保定的情况为，当出现强雷暴天气时，总会有10～20台设备的电源板损坏，一般情况均是其是保险管被烧断。

技术措施及性能分析

1　先堵后限是最佳方式

防雷采用的是均衡原则，即通过阻碍、泄流(限压)两种基本方法或混合运用这两种方法，避免在设备相关端口上出现过压现象。针对有线遇到的问题，不能采用单一的泄流方式，而阻碍方式的原理为依靠串接感性器件来阻挡雷暴感应电流的通过，单一采用阻碍方法就可大大提高网络设备对供电线路中雷电浪涌的防护能力。如果在感性器件后面并接限压型SPD，则防护能力会更强，可将感性器件后面的电压限制在设备所能承受的范围内。另外，由于所加感性器件对雷电脉冲呈高阻，所以，当雷电浪涌来临时，限压型SPD所释放的电流也会大大降低(测试数据显示，能降低一个数量级)，从而有效避免烧断保险的现象发生。

需要说明的是，这里所论述的先堵后限，与前面介绍的信号通道的防护要以泄为本并不矛盾。这里的先堵，是为了避免供电线路中的感应雷电脉冲进入设备；前面论述的以泄为本，则是为了避免在信号通道的外导体上产生高电压，根本目的均是为了避免在设备上出现高电压，因两者防护的对象不同，因此采用的方法也有所不同。

2　感性器件的选择

由于差模电感只对差模浪涌起作用，因此不予考虑；共模电感理论上只对共模浪涌起作用，但因存在漏磁。对差模浪涌也能起到一定防护作用，可作为一个选项；共模电感的漏磁越大，对差模浪涌的防护作用也就越大，但对共模浪涌发挥的作用会相对减小，考虑单相用电设备对共模及差模浪涌的防护能力要求基本一致，因此应选择对共模及差模浪涌感抗基本一致的共模电感；50Hz电源变压器除对差模浪涌有较强的抑制作用外，还能够完全阻断共模浪涌，主要是由于共模浪涌在变压器输入端没有电位差，形不成初级电流，因此次级也就不会存在感应电流。结论：对于感性器件来说，50Hz变压器是最佳选择。满足要求的共模电感次之，差模电感则不可选。

3　不同防护措施的性能比较

为了验证分析结果，寻找出最佳的防护措施，保定对5种不同的防护措施进行了测试，测试采用电流注入法，冲击波行为8/20μS，测试模式为差模，注入点在220V的90度相位上。各种防护措施的防护性能如下：

(1)SPD+串联稳压电源模式，防护性能最弱(图3)。

测试数据 为：测试电流为3.5kA时正常，形成的回路电压为2.07kV，回路电流为1.56kA。当测试电流上升至4kA时，保险管被烧断，此时形成的回路电压为2.35kV，回路电流为1.79kA。

(2)SPD+共模电感+原设备开关电源模式，防护性能略优于(1)模式，原理见图4。

测试数据为：测试电流为4kA时正常。形成的回路电压为2.48kV，回路电流为1.72kA。当测试电流上升至4.5kA时，保险管被烧断。此时形成的回路电压为2.99kV，回路电流为2.23kA。

(3)共模电感+SPD+原设备开关电源模式，防护性能排第三。原理图见图5。

测试数据为：测试电流为14kA时正常，回路电压为6.5kV，回路电流为0.3kA。当测试电流上升至16kA时，保险管被烧断，回路电压为9.03KV，回路电流为3.7kA。测试数据显示，与(1)、(2)模式相比，该方式的浪涌防护性能明显提高，而回路电流却降低了―个数量级。

(4)串联稳压电源模式，防护性能为位列第二。原理如图3，只是将变压器前面的SPD组件全部去掉。测试数据为：测试电流为16kA时正常，回路电压为7.45kV，回路电流为0.2kA。当测试电流上升至18kA时，保险管被烧断，此时形成的回路电压为8.3kV，回路电流为6.0kA。但其烧断保险时的现象比(3)要柔和得多，保险座无损伤，仅保险管爆裂。

(5)隔离变压器+SPD+原设备开关电源模式，防护性能最高，原理见图6。

测试数据及测试现象为：当测试电流为18kA时，220V电源接线端子处击穿空气，形成放电；加大接线距离后继续测试，20kA时，前面加装的5A磁插保险保险丝被烧断，此时线路中感应的回路电压及电流分别是9.9kV和7.4kA；将磁插保险短接后继续测量，当测试电流为24kA时，设备电源线接头处放电。测试专家认为，产生这种情况可能是由于包裹电源线接头的胶带缠绕不规范，或胶带性能较差，使绝缘胶带及空气被击穿所致，此时回路电压和电流分别是10.2kV和10kA。特别要强调的是，在整个测试过程中，包括在出现空气被击穿现象时。放大器一直在正常工作，这表明：流过放大器保险管的瞬间电流在保险管可承受范围之内。由于此时已开始出现频繁放电情况，因此专家建议结束测试，专家的意见为：考虑到放大器的工作环境，这样的防护性能已能完全满足要求。

保定只是对差模防护进行了测试，考虑到变压器可对共模起到阻断作用，因此此措施对共模的防护性能基本没有问题。

4　综合结论

结合原理及测试数据进行综合分析，可得出如下结论：

SPD置于感性器件之后的先堵后限措施，防护性能大大优于SPD置于感性器件之前的先限后堵措施；

变压器的防护性能大大优于共模电感；

加大共模电感后的电感量，可进一步提高共模电感方式的防护性能，但对共模浪涌的防护则无法达到变压器方式的水平；

在串联稳压电源中加入SPD后，其防护性能可达到或接近变压器+SPD组合的性能。其中，只有单一的变压器发挥作用时，就可使串联稳压电源的防护性能超过16kA；如果在变压器次级并接适当的SPD(视工作电压而定，要介于工作电压和后面电路耐压之间)，防护性能将接近或达到隔离变压器+SPD的水平。因此，当设备处于LPZO区域时，只有采用变压器为感性器件的方式才能满足防护要求；在其他雷暴威胁相对较弱的区域，则可选择共模电感方式。

5　实际应用情况

保定有线希望通过提高现有设备的防雷能力，保证有线电视网络信号不间断地传输，因此采用了隔离变压器+SPD方法，具体做法为：首先，在电源板输入端的保险管之前并接了一支压敏电阻，型号为20D561K，压敏电阻焊接在电源板上，因新加压敏电阻需要空间，因此，我们将原电路板上第一级SPD的组件全部拆掉；其次，在原设备电源线上串接一支11变压器，变压器安装在设备箱内(为便于变压器散热)。

进行相关设备改造后，保定曾经历的两次雷雨天气只造成一起楼头放大器停止工作(全网共5000台)。其充分表明，保定采取的防护措施完全达到了预期目的。考虑到放大器内部还有220V交流及24V直流两极保险(玻璃保险管)，可有效防护其他原因造成的过流，因此，通过加大磁插保险，如加大至10A甚至20A就可达到目的。

另外，保定也在实际应用中，也发现了两个需要注意的问题：一是隔离变压器至设备间的电源线不能暴露在外；二须留意各种设备的保险管不能在新增的SPD之前。