任何信息 (话音、数据信号) 的传输, 都是将其转换为电信号或光信号的形式在传输介质中进行;所谓传输介质, 是指传输信号的物理通信线路。就信号而言, 无论是电信号还是光信号, 本质都是电磁波。
1 通信传输介质种类
传输介质分为“有线介质”和“无线介质”两大类, 有线介质目前常用的有双绞线电缆、同轴电缆和光纤。无线传输介质, 常用的电磁波主要有无线电、微波、红外线等。
1.1 有线介质
(1) 同轴电缆。同轴电缆是贝尔实验室于1934年发明的, 最初用于电视信号的传输, 它由内、外导体和中间的绝缘层组成, 内导体是比双绞线更粗的铜导线, 外导体外部还有一层护套, 它们组成一种同轴结构, 因而称为同轴电缆, 由于具有特殊的同轴结构和外屏蔽层, 同轴电缆抗干扰能力强于双绞线, 适合于高频宽带传输, 其主要的缺点是成本高, 不易安装埋设。同轴电缆通常能提供500MHz~750MHz的带宽, 目前主要应用于CATV和光纤同轴混合接入网 (HFC) , 以及局内数字信号短距离传输中继线;在室外局域网和局间中继线路中已不再使用。
(2) 双绞线电缆。双绞线电缆分为“电话通信双绞线”和“计算机通信双绞线”;电话通信双绞线电缆是成1对出现的, 主要是传统的电话通信行业, 用来传输模拟声音信息的, 但同样适用于较短距离的数字信号的传输。如采用VDSL2技术时, 传码率可达100Mb/s~155Mb/s。计算机通信双绞线电缆是成4对出现的, 并进一步纽绞处理美国电子和通信工业委员会 (EIA) 为双绞线电缆定义了五种不同质量的型号标准, 目前的计算机网络综合布线使用五类、超五类、六类等。
(3) 光纤。[1]近年来, 通信领域最重要的技术突破之一就是光纤通信系统的发展, 光纤是一种很细的可传送光信号的有线介质, 它可以用玻璃、塑料或高纯度的合成硅制成。光纤也是一种同轴性结构, 由纤芯、包层和外套三个同轴部分组成, 其中纤芯、包层由两种折射率不同的玻璃材料制成, 利用光的全反射可以使光信号在纤芯中传输, 包层的折射率略小于纤芯, 以形成光波导效应, 防止光信号外溢。外套一般由塑料制成, 用于防止湿气、磨损和其他环境破坏。[1]
1.2 无线介质
(1) 无线电。无线电又称广播频率 (RF:Radio Frequency) , 其工作频率范围在几十兆赫兹到200兆赫兹左右。其优点是无线电波易于产生, 能够长距离传输, 能轻易地穿越建筑物, 并且其传播是全向的, 非常适合于广播通信。无线电波的缺点是其传输特性与频率相关:低频信号穿越障碍能力强, 但传输衰耗大;高频信号趋向于沿直线传输, 但容易在障碍物处形成反射, 并且天气对高频信号的影响大于低频信号。所有的无线电波易受外界电磁场的干扰。
(2) 微波。微波指频段范围在300MHz~30GHz的电磁波, 因为其波长在毫米范围内, 所以产生了微波这一术语。微波信号的主要特征是在空间沿直线传播, 因而它只能在视距范围内实现点对点通信, 通常微波中继距离应在80km范围内, 具体由地理条件、气候等外部环境决定。微波的主要缺点是信号易受环境的影响 (如降雨、薄雾、烟雾、灰尘等) , 频率越高影响越大, 另外高频信号也很容易衰减。微波通信适合于地形复杂和特殊应用需求的环境, 目前主要的应用有专用网络、应急通信系统、无线接入网、陆地蜂窝移动通信系统, 卫星通信也可归入为微波通信的一种特殊形式
(3) 红外线。红外线指1012Hz~1014Hz范围的电磁波信号。与微波相比, 红外线最大的缺点是不能穿越固体物质, 因而它主要用于短距离、小范围内的设备之间的通信。由于红外线无法穿越障碍物, 也不会产生微波通信中的干扰和安全性等问题, 因此使用红外传输, 无需向专门机构进行频率分配申请。红外线通信目前主要用于家电产品的远程遥控, 便携式计算机通信接口等。
2 雷电灾害形式
众所周知, 雷电灾害的几种形式: (1) 直击雷; (2) 雷电电磁感应包括 (电磁感应与静电感应) ; (3) 雷电波侵入; (4) 地电位位反击。
2.1 直击雷
雷电直接击在通信线缆上, 易造成线缆熔断、损坏。
(1) 电磁感应。当附近区域有雷击闪络时, 在雷击落实通道周围会产生强大的瞬变电磁场。处在电磁场中的设备和传输线路会感应出较大的电动势, 以致损坏、损毁设备。
(2) 静电感应。当有带电的雷云出现时, 在雷云下面的建筑物和传输线路上会感应出与雷云相反的束缚电荷。这种感应电荷在低压架空线路上可达100kV静电电位, 信号线路上可40kV~60kV静电电位, 一旦雷云放电后, 束缚电荷迅速扩散, 即引起感应雷击。
雷电电磁感应和静电感应引发的雷击现象均称为感应雷, 又称二次雷。它对通信线缆及设备的损害没有直击雷来的猛烈, 但它要比直击雷发生的机率大得多, 有统计显示, 感应雷击约占现代雷击事故的80%以上。
2.2 雷电波侵入
信号传输线或进入机房或设备间的其它金属线缆遭到雷击或被雷电感应时, 雷电波沿这些金属导线/导体侵入设备, 导致高电位差使设备损坏。
2.3 地电位反击
直击雷防护装置 (避雷针) 在引导强大的雷电流流入大地时, 在它的引下线、接地体以及与它们相连接的金属导体上产生非常高的瞬时电压, 对周围与它们靠得近却又没与它们连接的金属物体、设备、线路、人体之间产生巨大的电位差, 这个电位差引起的电击就是地电位反击。这种反击不仅足以损坏电器和设备, 也可能造成人身伤害或火灾爆炸事故。
3 雷电对有线介质通信工作的影响
3.1 雷电对同轴电缆通信的影响
同轴电缆为不平衡电缆, 当雷电发生时, 外层导体产生感应电动势, 内层导体受外层导体屏蔽不受影响, 在一定长度的层体上, 内外导体的感应电压从一端累积到另一端的可能性非常大, 足以损坏连接设备。
3.2 雷电对双绞线通信的影响
双绞线受雷击时, 特别是无屏蔽架空双绞线上的感应电压可达10kV~20kV, 即使在相距3km处发生对地雷击, 在一般双绞线上也可能产生出高于lkV的感应过电压。埋设在地下的双绞线缆也同样会出现雷电感应过电压。这些雷电感应过电压产生电流沿线路或金属屏蔽层传导, 轻则影响通信质量, 重则熔断线路, 损毁通信设备
(3) 雷电对光纤通信的影响。光纤具有不导电性, 可以免受冲击电流。但为了使高容量的光纤免受环境事件的影响, 光缆必须有铠装元件, 主要有金属铠装层、加强芯和业务铜线等, 它们都是金属导体。当雷击金属构件时, 会感应出交流电或浪涌电流, 伤害人身安全或破坏线路设备。雷电具有寻找阻抗最小路径以泄放雷云电荷与地下异性电荷中和的趋势。当雷击附近大地或建筑物时, 落雷点的电位升高。而光缆延伸到很远, 远端电位可视为0, 所以雷击点附近的光缆电位也视为0。这样落雷点与光缆之间形成极大的电位差, 这一电位差若超过落雷点与光缆外护层间的耐压强度, 便会击穿外护层, 形成从落雷点到金属构件的电弧通道, 使大量雷电流涌向光缆, 造成光缆严重损坏。光缆线路在施工中难免损伤PE (聚乙烯) 护套, 另外鼠咬、外力等均可能造成光缆中金属元件暴露。这些暴露点易将强电或雷电荷引入缆中, 造成损害。
4 雷电对无线介质的影响
无线介质通过常为无线电、微波、红外线等, 雷击发生时主要影响其通信质量以及损坏通信设备为主。
5 有线介质的防雷保护方法
5.1 同轴电缆的防雷方法
主要有:接地法、限压雷法、隔离法等方法。接地法就是在每一个放大器或者其他容易遭受雷击的器件单独装设接地线, 使雷电产生的能量释放到大地, 对器件起保护作用。其要点一是接地电阻尽量小, 二是必须和电源接地线分开, 否则不起防雷作用。限压法就是在设备的端口处并按一个限压型防雷器件, 使电缆的感应雷电压限制在一定幅度范围之内, 从而保护设备。隔离法就是使电缆及其所连接的器件屏蔽在雷电感应区域之外。
5.2 双绞线缆的防雷方法
因电话通信双绞线线缆的结构以及使用方法大致与同轴电缆相同, 所以在此不再赘述。室外敷设时, 参照同轴电缆的防雷方法。室内接入配线架端需加装浪涌保护器, 在选择浪涌保护器时要准确了解相关技术参数, 如考虑工作电压, 带宽等。并将配线架接地, 做好等电位连接。
计算机双绞线的防雷十分关键, 大多数雷击损坏网络设备以及计算机等事故, 都是因为雷电波侵入计算机双绞线所至。计算机双绞线主要用于室内设备的通信, 尽量不要在室外使用。如在室外使用应远离易受雷击的物体, 不易架空, 最好是铠装埋地敷设。计算机双绞线防雷方法主要是规范布线, 屏蔽, 加浪涌保护器。如带特殊屏蔽层双绞线如超六类或七类, 应将其屏蔽层接地或与设备做等电位连接。
5.3 光缆的防雷法
光缆按敷设方式分有:自承重架空光缆、光管道缆、铠装地埋光缆和海底光缆等。因此在敷设光缆安装光缆等通讯设备时, 应根据其具体情况采取以下措施。
(1) 在选择光缆线路路由时, 应避开高大的树木、独立建筑、电杆等, 或至少保持15米的间距。
(2) 在光缆的施工过程中, 应注意将接续盒内的光缆钢丝端头做电气连接。同时用吊挂光缆的钢绞线连通, 并采取可靠接地措施, 这样可有效地避免光缆遭雷电侵害。如在山地以及岩石多的地区, 无法制作合格的接地体时, 可以采用在光缆接头处将缆内金属构件在接头处前后断开 (并保持大于10cm的间距) , 不作电气连接和接地处理。
(3) [2]采用地埋光缆时, 在光缆上方距离光缆30cm处, 平行敷设直径8mm的镀锌钢线作为防雷线 (排流线) 。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。[2]
(4) 采用架空光缆时, 由于钢缆线与光缆相距很近, 且经挂钩与光缆接触, 因此钢绞线遭雷击时, 也会因放电而烧毁光缆。因此金属吊挂钢缆线要间隔500m~1000m接地一次。
(5) 在光缆配线架 (MDF) 、交接箱、分线箱、分线盒处应将光缆内的金属构件与配线分线设备的金属构件做等电位连接, 并可靠接地。
(6) 为防止雷电感应电压通过光缆的金属构件传到光通信收发设备端, 从而损坏这些设备, 在光通信收发端, 光缆的金属吊挂钢缆线, 在进户处应做好等电位连接。光缆进入光设备前, 金属加强芯、金属铠装护套应其它设备进行等电位连接。户内光通信设备及其机架也要做好等电位连接。同时应对这些设备电源和其它信号线路做好雷电过电压防护。
(7) 在雷电灾害频繁的地区, 安装防直击雷效果较好的架空避雷线, 或尽可能使用无金属结构的光缆, 或采用加厚PE层的光缆。
6 无线通信设备的防雷方法
对于无线通信设备的主要防雷措施有以下几种方法。
6.1 直击雷的防护方法
大部分通信设备的防雷措施, 主要是在通信微波塔上或无线电发设设备附近安装避雷针。 (1) 避雷针应当装在高于天线尖端数米, 避雷针与天线之间应有一定的间隔, 但要在足够的保护范围之内。以防止由于避雷针的存在而损坏天线的辐射图形影响通信效果。 (2) 避雷针引下线的接地电阻要求足够低, 一般小于10Ω, 由于雷电浪涌电流较大, 频谱较宽且持续时间短, 因此要求必须有尽量小的电感量。
6.2 感应雷击的防护方法
通常的做法是在天馈系统中安装避雷器。在天馈系统中安装避雷器时要注意以下方面的问题。一是避雷器的接地端必须与大地可靠连接, 接地电阻不得大于4Ω。二是因避雷器存在一定的插入损耗, 对于天线辐射信号的强度造成了一定的影响, 同时还要注意驻波比的变化, 一般要求天馈系统的驻波比小于或等于1.5。三是安装通信天线时, 天线支撑杆要与铁塔可靠连接, 过渡电阻要小于0.03Ω。此外, 除在天馈系统中安装避雷器外, 还要注意供电系统的防雷, 一般的做法是在供电系统处安装避雷装置。
7 结语
在信息传输的质量就是经济命脉的时代, 通信线路与设备的防雷工作不容忽视。只有了解掌握当代通信的基本原理, 以及其通信设备设施的构成, 才能有效的分析出其雷击风险。不要进入: (1) 无线通信没有实质介质不易受雷电侵害; (2) 同轴电缆、通信双绞线有屏蔽层不易受侵害; (3) 光纤光缆不导电不受雷电侵害的误区。
摘要：雷击损坏网络通信设备的事故屡见不鲜, 其大多数是雷电沿传输介质侵入通信设备而造成的损毁。本文从介绍常用的通信介质的应用入手, 分析各种通信介质及通信设备受雷电侵害的原因, 提出其减少雷电灾害的方法。
关键词：通信传输介质,同轴线缆,双绞线,光纤,无线设备,防雷保护
参考文献
[1] 纪越峰, 纪红, 王文博, 等.现代通信技术[M].北京邮电大学出版社.
[2] 张敬, 施海瑞.光纤通信防雷技术探讨[J].邢台市防雷中心.