在對(duì)建筑物進(jìn)行防浪涌保護(hù)時(shí)，大部分的雷擊浪涌必須實(shí)施引流，然而仍會(huì)有部分雷電殘留在內(nèi)部設(shè)備，因此這部分的防雷保護(hù)也尤為重要。

雷電，對(duì)于公共建筑、住宅以及城市內(nèi)的電子系統(tǒng)會(huì)造成直接和間接的影響。直接雷擊不但存在能夠摧毀生命的高風(fēng)險(xiǎn)威脅，其生成的巨大瞬態(tài)電流所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損傷。地球每年都會(huì)遭受超過(guò)10億次雷擊，平均來(lái)看，雷電電壓在瞬間約向地表施加50萬(wàn)焦耳能量，，因而防雷保護(hù)至關(guān)重要。從基站到下游的數(shù)據(jù)中心，所采用的具體防雷措施都不盡相同。本文將要剖析的是同軸和以太網(wǎng)互連系統(tǒng)所涉及到的浪涌保護(hù)器。

防雷保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

IEC/BS EN 62305防雷保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)將雷擊風(fēng)險(xiǎn)分為三類：直接雷擊，間接雷擊，雷擊產(chǎn)生的電磁能量。如表1所示，在進(jìn)行防雷規(guī)劃時(shí)，首先應(yīng)將各個(gè)涉及到的區(qū)域按不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，或者按防雷區(qū)塊（Lightning Protection Zone/LPZ），以及所對(duì)應(yīng)的由雷擊引發(fā)的損害進(jìn)行劃分。上述標(biāo)準(zhǔn)將雷擊可能導(dǎo)致的損害同樣分為三類：1）活體傷害；2）結(jié)構(gòu)物理性損壞；3）內(nèi)部系統(tǒng)失效。通常情況下，如防雷區(qū)塊涉及到任何潛在人員傷害，在該區(qū)塊必須設(shè)置多層預(yù)防措施：例如，醫(yī)院需要在外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)備兩個(gè)層面設(shè)置大量緩沖設(shè)施，以確保生命安全。

美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室（Underwriter’s Laboratory）針對(duì)浪涌保護(hù)中采用的設(shè)備列舉了多項(xiàng)防雷措施標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表2）。其中，UL1449（浪涌保護(hù)器標(biāo)準(zhǔn)）詳細(xì)描述了對(duì)于各種系統(tǒng)供電方式下，瞬態(tài)電壓不同的電氣路徑所需采取的保護(hù)模式。

終端設(shè)備的供電一般采用單相或多相交流電。當(dāng)設(shè)備在單根火線和零線（本地地線）之間接入時(shí)，即為單相交流供電。三相系統(tǒng)需要連接三根相線和零線。如表3所示，對(duì)于任何導(dǎo)電路徑組合而言，但凡其可能發(fā)生電勢(shì)差，就需要在該組合的路徑之間設(shè)置浪涌保護(hù)。產(chǎn)品說(shuō)明書中經(jīng)常以相零（L-N）保護(hù)、相地（L-G）保護(hù)及相相（L-L）保護(hù)等詞描述浪涌保護(hù)器的保護(hù)模式。此外，保護(hù)模式還可稱為為共模或差模浪涌保護(hù)。

當(dāng)類似于零地（N-G）節(jié)點(diǎn)等浪涌對(duì)區(qū)域內(nèi)的所有導(dǎo)體產(chǎn)生同等影響時(shí)，即稱為共模浪涌。差模浪涌，則發(fā)生在給定位置上的任意兩個(gè)導(dǎo)體之間，也稱普通浪涌或相線與零線間浪涌。當(dāng)前的大多數(shù)設(shè)備本身具備抗共模浪涌能力。依照美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（ANSI）C62.41所述，大多數(shù)的共模浪涌來(lái)自建筑物，且建筑物內(nèi)的共模浪涌最大值僅為0.17焦耳，而差模浪涌則要高出若干個(gè)數(shù)量級(jí)。

浪涌保護(hù)器類型

同軸浪涌保護(hù)器
戶外應(yīng)用中所使用的同軸部件須同時(shí)承受直接和間接雷擊，從而對(duì)整條傳輸線以及所有接入的電路產(chǎn)生不利影響。從真空管到固態(tài)電子設(shè)備的轉(zhuǎn)換，尤其在變送器一端的轉(zhuǎn)換，會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大由雷擊所引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)——?dú)埩羲矐B(tài)電壓浪涌將很容易對(duì)敏感的集成電路造成破壞。

N型母頭/公頭射頻同軸浪涌保護(hù)器，DC – 7 GHz，通直，氣體放電管

趨膚效應(yīng)，是指隨著頻率增大，大部分信號(hào)將趨于集中在導(dǎo)體外部邊緣的一種現(xiàn)象。在大多數(shù)交流（AC）狀態(tài)下，電子可以在整個(gè)導(dǎo)體內(nèi)自由遷移，然而，由于趨膚效應(yīng)的存在，射頻（RF）信號(hào)在導(dǎo)體內(nèi)的穿透深度通常不超過(guò)數(shù)個(gè)千分之一英寸。在設(shè)計(jì)同軸電纜時(shí)的指標(biāo)之一是能夠最大限度地減少目標(biāo)高頻信號(hào)因趨膚效應(yīng)而發(fā)生歐姆損耗，并同時(shí)防止外部導(dǎo)體（或屏蔽層）對(duì)內(nèi)部信號(hào)產(chǎn)生干擾。基于這一設(shè)計(jì)目標(biāo)， 通過(guò)將常規(guī)的大直徑60 Hz接地電纜碾平，再將其包覆在用于傳輸高頻信號(hào)的中心導(dǎo)體周圍，由此形成同軸電纜；而同軸電纜的外部屏蔽層作為法拉第罩，可防止外界干擾觸及內(nèi)部信號(hào)線，在未接地的情況下，屏蔽層將產(chǎn)生電壓，其作用近似于信號(hào)發(fā)射天線。然而，一旦遭遇雷擊，同軸電纜內(nèi)外導(dǎo)體間將隨即產(chǎn)生電勢(shì)差——這樣精細(xì)的平衡便被瞬間打破。除此以外，由于雷擊浪涌中大部分能量處于DC – 1 MHz，這正是極易被同軸電纜承載的頻率，因此其可在同軸電纜所連接的電子設(shè)備工作頻率中引入破壞性變化。
由于雷電頻率相對(duì)較低，同軸避雷保護(hù)器的工作原理更近似于隔直器或高通濾波器：將直流以及低頻50/60 Hz電壓引導(dǎo)至屏蔽地線。氣體管浪涌保護(hù)器在工作時(shí)，如浪涌過(guò)大無(wú)法分流，電流將使得熔斷器斷開(kāi)，從而阻斷浪涌保護(hù)器與屏蔽地線之間的電氣路徑（見(jiàn)示意圖1）。

見(jiàn)示意圖1

在分布式天線系統(tǒng)中進(jìn)行防浪涌保護(hù)時(shí)，還必須考慮采用具備低無(wú)源互調(diào)（PIM）性能的部件。無(wú)源互調(diào)（PIM）屬于一項(xiàng)主要干擾源，且難以消除。在高度敏感的射頻系統(tǒng)中，處于高功率狀態(tài)下的無(wú)源器件所產(chǎn)生的頻率與目標(biāo)信號(hào)混頻且相互干擾，進(jìn)而產(chǎn)生PIM。

4.3-10公頭/母頭射頻同軸浪涌保護(hù)器，698MHz - 2.7 GHz，隔直，-173 dBc低PIM

由PIM所引發(fā)的問(wèn)題通常難以消除，其原因在于，當(dāng)大規(guī)模使用無(wú)源器件時(shí)，無(wú)法在不影響原始載波信號(hào)的條件下將PIM濾除。因此基于成本考慮，為排除PIM干擾，系統(tǒng)安裝只能采用低PIM部件。這一類部件的導(dǎo)體材料都經(jīng)過(guò)精心挑選，確保在配接時(shí)不產(chǎn)生顯著PIM水平；鐵磁材料作為PIM的常見(jiàn)來(lái)源，在制造低PIM部件過(guò)程中會(huì)盡量減少使用。

浪涌保護(hù)器類型

以太網(wǎng)浪涌保護(hù)器

以太網(wǎng)干線是數(shù)據(jù)中心中最常見(jiàn)的布線系統(tǒng)，因此必須對(duì)其進(jìn)行防浪涌保護(hù)，以防止可造成數(shù)百萬(wàn)美元損失的宕機(jī)。艾默生-波耐蒙研究所（Emerson and Ponemon Institute）關(guān)于宕機(jī)損失評(píng)估的研究結(jié)果表明，截止2016年，數(shù)據(jù)中心因計(jì)劃外斷電所造成的平均成本增加幾近每分鐘9千美元，并且這一數(shù)字仍在逐年遞增。盡管這一計(jì)劃外斷電的主要成因是人為失誤和不間斷供電設(shè)備（約占50%），然而由于直接和間接雷擊導(dǎo)致的意外浪涌會(huì)造成無(wú)法預(yù)見(jiàn)的破壞，因此針對(duì)此類浪涌的防御陣線不可或缺。

戶外超6類10/100/1000/10000 Base-T級(jí)浪涌保護(hù)器

數(shù)據(jù)中心設(shè)備

遠(yuǎn)程雷擊、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的電源浪涌，甚至太陽(yáng)耀斑等自然地磁擾動(dòng)都會(huì)在設(shè)備和電源之間的饋電線路中產(chǎn)生電壓瞬變。數(shù)據(jù)中心需要采用多種形式的瞬態(tài)電壓浪涌抑制手段。通常，開(kāi)關(guān)裝置是數(shù)據(jù)中心分流電源浪涌的第一道防線；不間斷供電設(shè)備則是另一種主要的瞬態(tài)電壓浪涌抑制手段，當(dāng)發(fā)生電源失效等緊急情況時(shí)，通過(guò)飛輪或電池（取決于不間斷供電設(shè)備的類型）可瞬間向計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)。此外，對(duì)于巨大能量的分流還需要采用常用的散熱手段。而用于配電裝置的浪涌保護(hù)器，在具備防浪涌保護(hù)能力的同時(shí)，還必須滿足不生成煙霧，不會(huì)發(fā)生爆炸等安全條件。

數(shù)據(jù)中心互連（DCI）的

浪涌保護(hù)

隨著追求更快速率的以太網(wǎng)通信線路不斷問(wèn)世，對(duì)于抑制微小電壓浪涌的需求也日益增加。布線密度越來(lái)越大，大量數(shù)據(jù)中心已在日趨緊張的空間和規(guī)格限制下捉襟見(jiàn)肘——用來(lái)為40 Gbps吞吐量的QSFP+收發(fā)器供電的3.5W電源仍舊正常工作，用來(lái)為吞吐量高達(dá)100 Gbps的QSFP28收發(fā)器進(jìn)行供電，然而，前代的10Base-T接口所能承受的浪涌或?qū)?dǎo)致新式100Base-T及以上接口遭到破壞。為了維持較低成本，以太網(wǎng)接口如今已集成至主PCB上，這進(jìn)一步加大了敏感的內(nèi)部電路被損壞的風(fēng)險(xiǎn)。微電子集成電路會(huì)在晶體管這一層面上受到影響，原因在于晶體管的輸入線路容易受到靜電放電的影響。正因如此，盡管成本較高，建筑物內(nèi)部及校園設(shè)施內(nèi)部普遍采用光纖通信。直接進(jìn)行銅纜接入易受電磁干擾影響，當(dāng)鏈路距離較短時(shí)，許多數(shù)據(jù)中心甚至已采用有源光纜代替銅纜，從而嘗試將數(shù)據(jù)中心設(shè)備的噪聲源最小化。
由此可見(jiàn)，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線路的浪涌保護(hù)對(duì)于數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行至關(guān)重要。另一方面，以太網(wǎng)浪涌保護(hù)器因本身具有一定的電容，從而會(huì)造成失真，這一失真可對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致代價(jià)高昂的傳輸延遲。因此，必須在采用低電容部件和提升電路對(duì)于高能浪涌的處理能力之間做出權(quán)衡——微電子集成電路的3.3V供電線路要求信號(hào)線路的電容小于5皮法，且需要達(dá)到1.2焦耳的能量處理能力。此外，PCB布局的限制也會(huì)造成性能退化，即使細(xì)微的不連續(xù)性也可能導(dǎo)致信號(hào)衰減、相位失真及共模抑制性能下降。為了對(duì)電纜和所接入設(shè)備進(jìn)行充分保護(hù)，可在線路兩端分別連接保護(hù)器。但是，這一操作無(wú)疑會(huì)增加信號(hào)傳輸?shù)牟迦霌p耗，并增大在線路中引入接地環(huán)路的可能性。采用多級(jí)浪涌保護(hù)器，就能夠盡可能減少信號(hào)損失，大幅提高保護(hù)水平（見(jiàn)示意圖2）。

見(jiàn)示意圖2

PoE系統(tǒng)的保護(hù)

以太網(wǎng)供電（PoE）是一種通過(guò)雙絞線以太網(wǎng)布線系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)電力和數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，目前常用于智能安防攝像系統(tǒng)。與閉路電視中所使用的接入同軸電纜的攝像頭相比，智能攝像頭在分辨率上有了大幅提升。此外，由于這類攝像頭的模塊化程度更高，可用作獨(dú)立設(shè)備，而模擬攝像頭則必須與數(shù)字視頻記錄儀相連。智能攝像頭多被用于工業(yè)過(guò)程監(jiān)控，以及車載圖像處理等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，電源浪涌會(huì)引發(fā)整個(gè)PoE系統(tǒng)停機(jī)，從而造成巨大安防風(fēng)險(xiǎn)。因此，當(dāng)下對(duì)于PoE的電源浪涌保護(hù)極其重要。

戶外PoE中跨/供電器，大功率6類浪涌保護(hù)器

PoE系統(tǒng)通過(guò)單根線路同時(shí)實(shí)現(xiàn)電力傳輸和數(shù)據(jù)通信，該線路中包括8條通路，通常其中的4條用于設(shè)備供電，另外4條用于傳輸數(shù)據(jù)。IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.3規(guī)定，電力可通過(guò)以下三種方式傳輸至受電設(shè)備：端點(diǎn)PSE（供電設(shè)備）；中跨PSE；延伸PSE。端點(diǎn)PSE直接將電源電力和數(shù)據(jù)經(jīng)由基于以太網(wǎng)的交換機(jī)或集線器發(fā)送給受電設(shè)備；中跨PSE（或稱PoE供電器）使用非PoE類交換機(jī)提供電力和數(shù)據(jù)；延伸PSE非常簡(jiǎn)單，其僅為范圍延伸后的端點(diǎn)PSE。

PoE互連件和受電設(shè)備都必須能夠承受超出UL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的靜電放電和電力瞬變。例如“門禁控制系統(tǒng)單元”的UL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，各部件（即電源、門控制器及讀卡器）必須能夠抑制輸出電路上2400V/12A的浪涌——對(duì)于低電容浪涌保護(hù)而言，這一要求較難實(shí)現(xiàn)。因此，需要同時(shí)在PoE交換機(jī)或PoE供電器及下游連接的攝像頭、讀卡器或門鎖偵測(cè)器等受電設(shè)備設(shè)置瞬態(tài)電壓保護(hù)。

要實(shí)現(xiàn)這一保護(hù)操作，常規(guī)方式是采用由瞬態(tài)電壓抑制二極管組成的電路來(lái)引發(fā)雪崩擊穿——雪崩擊穿指的是一種允許極高電流在材料內(nèi)流過(guò)的現(xiàn)象。晶閘管浪涌保護(hù)器是另一類雪崩觸發(fā)二極管，并具備更強(qiáng)的功率處理能力：因這類二極管實(shí)為在導(dǎo)通狀態(tài)下具備較低電阻的撬棒，其可在保持一定電容的同時(shí)承載較大電流。由于晶閘管浪涌保護(hù)器在浪涌處理后需要進(jìn)行電源復(fù)位，因此一般不適用于高電壓低速信號(hào)線路；而在高功率直流系統(tǒng)中，瞬態(tài)電壓抑制二極管是最佳選擇。

PoE設(shè)備考量因素

即使在已設(shè)置浪涌保護(hù)器的情況下，受電設(shè)備的額定電壓也必須遠(yuǎn)高于瞬態(tài)電壓抑制二極管或晶閘管浪涌保護(hù)器的鉗位電壓：例如，可承受數(shù)千伏電壓的瞬態(tài)電壓抑制二極管在接近100伏時(shí)才發(fā)生雪崩擊穿，受電設(shè)備具備足夠高的額定電壓才可確保其不會(huì)因?yàn)轭l繁發(fā)生小規(guī)模瞬態(tài)電壓高峰而損壞。
在通常情況下，用于給受電設(shè)備進(jìn)行供電的電源均配置絕緣的DC-DC轉(zhuǎn)換器，由此，因帶電導(dǎo)體暴露在外進(jìn)而造成用戶傷害及發(fā)生接地環(huán)路的風(fēng)險(xiǎn)能夠得以最大程度降低。此外，因電纜屏蔽層與安全地線具有不同電勢(shì)，為了避免發(fā)生接地環(huán)路，也可能需要將浪涌保護(hù)器與電纜屏蔽層間進(jìn)行絕緣。還需要注意的一項(xiàng)要點(diǎn)是，PoE浪涌保護(hù)器可分為模式A兼容（電源引腳：1/2和3/6）和模式B兼容（電源引腳：4/5和7/8），一般而言，大多數(shù)支持PoE的交換機(jī)屬于模式A設(shè)備，而供電器則為模式B設(shè)備。然而，某些浪涌保護(hù)器可同時(shí)為模式A和模式B兼容。

作為一類不可或缺的關(guān)鍵性部件，浪涌保護(hù)器被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，以用來(lái)減少直接或間接雷擊所造成的負(fù)面影響。雖然，在防雷應(yīng)用中，保護(hù)生命個(gè)體免受傷害依舊是首要方向，但在當(dāng)下由于固態(tài)部件不斷趨向高敏感度發(fā)展，雷擊的高能浪涌會(huì)對(duì)這類部件造成嚴(yán)重?fù)p壞。而針對(duì)這一類固態(tài)部件的防雷措施，不僅涉及更為細(xì)化的感應(yīng)電壓和電流瞬變保護(hù)，同時(shí)還需要采用具備低電容性能的浪涌保護(hù)器，以保持高速數(shù)據(jù)速率。因此，對(duì)于建筑物而言，除了將大部分的雷擊浪涌進(jìn)行引流之外，針對(duì)內(nèi)部設(shè)備中殘留雷電的防護(hù)同樣不可或缺！僅能夠承受較小浪涌的傳統(tǒng)技術(shù)如今已大規(guī)模被電路速度更快、公差更加小的新進(jìn)技術(shù)取代。