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通信站防雷设计
发布日期:2016-04-27   点击量:643   标签:防雷百科  
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    通信站的雷电防护问题过去一直都存在,由于近年来大量采用了高可靠性的先进设备,加上运维水平的提高,通信站的运行可靠性也极大地提高,而现代的电信设备对雷电较敏感,这样雷害问题就日益凸显出来。
    九十年代是防雷工作大发展的十年,国际上国际电工委员会颁布了IEC系列防雷标准,国内也颁布了基于IEC标准的国标,各相关行业也将防雷要求列入标准。邮电部作为最早在国内开展弱电系统防雷的行业,也颁布了许多关于通信站防雷的新标准。由于防雷牵涉的范围很广,必须系统考虑才能取得经济有效的成果。
    一、雷电对通信站的危害
    直击雷的危害
    雷云对地放电的主通道通过被保护物,就称被保护物被直击雷击中。雷电直接击中通信站建筑、通信设备、通信电缆和操作人员,可能会造成建筑损毁,设备损坏、人员伤亡和电气短路引起火灾等严重后果,因此直击雷发生的概率虽然很小,但其危害十分大,所以不能掉以轻心。
    感应雷的危害
    雷云对地放电的主通道虽然没有经过被保护物,但放电过程中产生的强大的电磁场可以在附近的导体中感应起电磁脉冲,我们称为雷电电磁感应脉冲,即通常所说的感应雷。显然感应雷是由直击雷引起的,感应雷产生于导体中并沿导体传播,损坏与导体相联的某些设备或设备中的某些器件。(这些设备或器件的耐冲击水平较低)通信站的设备中有大量的集成电路通过金属导线相连,并且通信站也通过电力电缆和各种通信传输电缆与外界相连,这就为感应雷的侵入提供了良好的条件,加上现代通信设备采用了大量高集成度的微电子电路,其耐冲击水平较低,容易被感应雷损坏,产生各种各样的设备故障。如接口板损坏、内部通信口的损坏、整流模块的损坏等,有时感应雷引起故障甚至让我们很难与雷电联系在一起,但却是由雷电引起的。感应雷形成的破坏虽然不及直击雷大,但其损害的往往是通信设备的核心器件,给正常通信带来障碍。
    有研究表明直击雷可在其周围1000米范围的半导体上感应起危险电压,加上通信站与外界连接的各种长距离电缆可在更大的范围内感应上雷电电磁脉冲,并几乎无衰减的沿电缆传入通信站。因此对通信站来讲感应雷的概率远大于直击雷的概率,可以这样说通信站防雷主要是防感应雷。
    二、通信站的防雷
    直击雷的防护
    虽然有不少专家学者在努力的研究有效的防止直击雷的方法,但直到今天我们还是无法阻止雷击的发生。实际上现在公认的防直击雷的方法仍然是200年前富兰克林先生发明的避雷针。
    接闪器
    避雷针及其变形产品避雷线、避雷带、避雷网等统称为接闪器。历史上对接闪器防雷原理的认识产生过误解。当时认为:避雷针防雷是因为其尖端放电综合了雷云电荷从而避免了雷击发生,所以当时要求避雷针顶部一定要是尖端,以加强放电能力。后来的研究表明:一定高度的金属导体会使大气电场畸变,这样雷云就容易向该导体放电,并且能量越大的雷就越易被金属导体吸引。这样接闪器的防雷是因为将雷电引向自身而防止了被保护物被雷电击中。现在认为任何良好接地的导体都可能成为有效的接闪器,而与它的形状没有什么关系。
    有铁塔的通信站铁塔本身就是良好的接闪器,如果铁塔在建筑物顶应将铁塔四周与屋顶避雷带作好电气连接。铁塔在通信站附近的可在建筑物顶部设避雷带,并校核铁塔和避雷带联合防雷的保护范围。方法见国标《建筑物防雷设计规范》(GB50057--94)。
    通信站附近无铁塔的宜优先采用避雷网、作为建筑物的接闪器,如果屋面有天线等通信设施可在局部加装避雷针保护,这样接闪器的高度不会太高,不会增大通信站的雷击概率。避雷网的网格尺寸应不大于10mX10m,避雷针应与避雷网可靠连接。
    引下线
    引下线的作用是将接闪器接闪的雷电流安全的导引入地,引下线不得少于两根,并应沿建筑物四周对称均匀的布置,引下线的间距不大于18米,重要通信局和100米及以上的电信楼其引下线的间距应不大于12米。引下线接长必须采用焊接,引下线应与各层均压环焊接,引下线采用10毫米的圆钢或相同面积的扁钢。对于框架结构的建筑物,引下线应利用建筑物内的钢筋作为防雷引下线。
    采用多根引下线不但提高了防雷装置的可靠性,更重要的是多根引下线的分流作用可大大降低每根引下线的沿线压降,减少侧击的危险。的目的是为了让雷电流均匀入地,便于地网散流,以均衡地电位。同时,均匀对称布置可使引下线泻流时产生的强电磁场在引下线所包围的电信建筑物内相互抵消,减小雷击感应的危险。
    接地体
    接地体是指埋在土壤中起散流作用的导体,接地体应采用:
    钢管  直径大于50毫米,壁厚大于3.5毫米;
    角钢  不小于50X50X5毫米
    扁钢  不小于40X4毫米。
    应将多根接地体连接成地网,地网的布置应优先采用环型地网,引下线应连接在环型地网的四周,这样有利于雷电流的散流和内部电位的均衡。垂直接地体一般长为1.5-2.5米,埋深0.8米,地极间隔5米,水平接地体应埋深1米,其向建筑物外引出的长度一般不大于50米。
    框架结构的通信站应采用建筑物基础钢筋做接地体。
    感应雷的防护
    前面已提到感应雷是因为直击雷放电而感应到附近的金属导体中的,其实感应雷可通过两种不同的感应方式侵入导体,一是静电感应:在雷云中的电荷积聚时,附近的导体也会感应上相反的电荷,当雷击放电时,雷云中的电荷迅速释放,而导体中原来被雷云电场束缚住的静电也会沿导体流动寻找释放通道,就在电路中形成电脉冲。二是电磁感应:在雷云放电时,迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场,在其附近的导体中产生很高的感生电动势。研究表明:静电感应方式引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌。
    感应雷可以通过电力电缆、通信电缆、光纤和天馈线侵入通信站,由于电力电缆的距离长且对雷电波的传输损耗小,所以由电源侵入的感应雷造成的危害十分突出,按原邮电部的统计约占了通信站雷击事故的80%。因此,对通信站进行感应雷防护时,电源是重点。
    感应雷还可以通过空间感应侵入通信站的内部线路,虽然经过建筑物和机壳的屏蔽衰减后其能量大为减小,但站内许多电信设备的抗过压能力也很弱,如果处理不当也可能造成设备故障。
    电源防护
    信息产业部发布了专门的通信电源防雷标准,对各种通信站的电源防雷提出了具体要求,主要是两条:一是电力电缆应有金属屏蔽层,且必须埋地进出通信站。二是在电源上逐级加装电源避雷器,实现多级防护。即在变压器的高压端加装高压避雷器,低压侧加装低压避雷器,在交流配电屏和直流配电屏分别加装交、直流避雷器。
    通信电源防护应注意以下问题:
    进局电力电缆的防雷容易引起重视,而其它进出通信站的电力线常常被忽视,如照明路灯线、塔灯电力线、非电信设施租用电信电力线等。现在宜采用太阳能塔灯,可减少一个雷击入侵渠道。其它出局电力线应在防雷系统的保护范围内,否则应采取专门的防雷措施。
    加装直流避雷器是最近发布的防雷标准中才提出的,因为直流避雷器的残压大大低于交流避雷器,因此能有效地提高通信站内敏感设备抵御雷电电磁脉冲的能力。
    避雷器的防雷能力与安装方式有密切关系,主要是引线电感会产生额外的残压,应尽可能地缩短电力线与避雷器的连线和避雷器与接地汇接板连线的长度。
    多级布置避雷器可减小引线电感带来的额外残压,因为前级避雷器已将大部分雷电流泄放入地,在后级的避雷器只泄放少部分雷电流,雷电流的减小必然导致引线上的附加残压减小。为保证避雷器由前到后顺序泄放,避雷器的动作电压应是后级不低于前级。避雷器之间的电力电缆长度不小于15米。
    传输线防护
    电信局内的低频传输线大量是用户线和中继线,目前采用保安单元基本有效,如果采取进一步的防雷措施会急剧增大投资,目前尚无推广方案。
    光纤的防雷主要是针对其金属护皮和金属芯线,从线路防护的要求看这些金属应接地,最好在埋地进局时接在底楼的接地汇接排上,而不要接在设备机架上。
    天馈线防雷主要是针对同轴电缆,接地的波导管本身就有良好的防雷作用不需再加避雷器。同轴电缆天馈线应加装相应的高频避雷器,避雷器的地线应就近与机房的接地汇接排相连。天馈线的顶端应通过铁塔接地,在入局处应接到机房汇接排。如果天馈线较长在其中间应每隔25米与走线架或铁塔相连。
    移动通信设备与光端机、微波、交换机相联的PCM、DDF线线宜采用同轴电缆,可加装相应的避雷器。
    监控信号的数据传输线可加装相应的数据避雷器。
    所有进出通信站的通信传输电缆应采用有金属屏蔽层的电缆埋地进出,其屏蔽层应在进局处就近接地。
    联合地网
    通信站机房、变电房、铁塔的接地极应连接起来,组成联合地网,如果是框架结构的机房,建筑物的基础钢筋是优良的环型接地网,应利用。联合地网是通信站内所有设备共用的接地装置。
    接地电阻是地网的一个重要指标,部标对不同类型的通信站作了具体规定,其阻值为1到20欧。其依据是早期单线通信设备需要用大地做回路,不控制地电阻就无法通信。现在的通信设备不需要大地做回路了,但没有研究阻值可放宽到何种程度,所以就沿用了过去的规定。从防雷技术的角度看,地电阻的要求已不那么严格,而是强调接地系统的布置,这在《建筑物防雷设计规范》(GB50057-94)中已有体现。
    早期的通信站建设中往往采用分离地网,要求交流地、直流地、保护地、数据地、防雷地等都采用单独的接地装置。其目的是想避免各系统的干扰通过地网耦合,但现在认为联合地网更经济有效。这是因为分离地网要求的条件太苛刻,地网须相距20米以上才认为实现了分离,而现代通信站需要五、六个这样的独立地网,在寸土寸金的年代很难办到。另外,从技术角度看,分离地网在泄放雷电流时因接地线和接地电阻的不同,各接地系统会产生电位差,反而可能危害相互连接着的通信设备。联合地网通过合理的布置接地线可以实现通信设备间的等电位。
    设备接地
    通信站内所有设备的金属外壳都应接地,金属走线架、水管等金属物也必须接地。站内金属物良好的接地不但是用电安全的要求,也是屏蔽雷电感应、均衡设备电位的重要措施。
    接地有单点接地、多点接地和混合接地三种方式。从抗干扰的角度讲:低频通信设备宜用单点接地,高频通信宜用多点接地,高、低频混合通信设备宜采用混合接地。但目前部标统一规定各种通信站都用单点接地方式,接地线的要求是粗、短、直,要兼顾到泄放设备短路电流和泄放雷电流的能力。设备短路电流由电源电压和接地阻抗决定,部标推荐用35-95平方毫米的多股铜线。而泄放雷电流只需大于16平方毫米的铜线即可。
    接地汇集线的布置
    接地汇集线(汇流排)应布置在靠近避雷器的地方,以使避雷器的接地连接线最短,各楼层的分汇集线应直接与楼底的总汇集线相连,这样能保证实现单点接地方式,当楼层高于30米时,高于30米部分的分汇集线应与建筑物均压环相连,以防止侧击。
    近年来IEC的研究认为:接地汇集线的多重互连是有益的,但部标尚未采纳。
    三、接地连线
    通信站的种类很多,但其防雷思想是一致的,就是努力实现等电位。绝对的等电位只是一个理想,实际中只能尽量逼近,目前是综合采用分流、屏蔽、箝位、接地等方法来近似实现等电位。由于电信设备种类繁多,且新产品层出不穷,它们的耐过压能力也有差别,目前在这方面的量化研究尚未普遍开展,因此,防雷的等电位理论还主要停留在定性上。现在这些措施经多年的实践证明是行之有效的,但并不表示采取了这些措施就万事大吉。我们还需在实践中不断地研究新问题、解决新问题,才能将通信站的防雷工作推向一个新水平。
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