| 解 決 方 案 | |
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◆直擊雷防護方案 ◆感應雷防護方案 ◆接地方案 ◆航空障礙燈方案 |
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| 通信站防雷設計 | |||
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通信站的雷電防護問題過去一直都存在，由於近年來大量採用了高可靠性的先進設備，加上運維水準的提高，通信站的運行可靠性也極大地提高，而現代的電信設備對雷電較敏感，這樣雷害問題就日益凸顯出來。
九十年代是防雷工作大發展的十年，國際上國際電工委員會頒佈了IEC系列防雷標準，國內也頒佈了基於IEC標準的國標，各相關行業也將防雷要求列入標準。郵電部作為最早在國內開展弱電系統防雷的行業，也頒佈了許多關於通信站防雷的新標準。由於防雷牽涉的範圍很廣，必須系統考慮才能取得經濟有效的成果。 一、雷電對通信站的危害 直擊雷的危害 雷雲對地放電的主通道通過被保護物，就稱被保護物被直擊雷擊中。雷電直接擊中通信站建築、通信設備、通信電纜和操作人員，可能會造成建築損毀，設備損壞、人員傷亡和電氣短路引起火災等嚴重後果，因此直擊雷發生的概率雖然很小，但其危害十分大，所以不能掉以輕心。 感應雷的危害 雷雲對地放電的主通道雖然沒有經過被保護物，但放電過程中產生的強大的電磁場可以在附近的導體中感應起電磁脈衝，我們稱為雷電電磁感應脈衝，即通常所說的感應雷。顯然感應雷是由直擊雷引起的，感應雷產生於導體中並沿導體傳播，損壞與導體相聯的某些設備或設備中的某些器件。（這些設備或器件的耐衝擊水準較低）通信站的設備中有大量的積體電路通過金屬導線相連，並且通信站也通過電力電纜和各種通信傳輸電纜與外界相連，這就為感應雷的侵入提供了良好的條件，加上現代通信設備採用了大量高集成度的微電子電路，其耐衝擊水準較低，容易被感應雷損壞，產生各種各樣的設備故障。如介面板損壞、內部通信口的損壞、整流模組的損壞等，有時感應雷引起故障甚至讓我們很難與雷電聯繫在一起，但卻是由雷電引起的。感應雷形成的破壞雖然不及直擊雷大，但其損害的往往是通信設備的核心器件，給正常通信帶來障礙。 有研究表明直擊雷可在其周圍1000米範圍的半導體上感應起危險電壓，加上通信站與外界連接的各種長距離電纜可在更大的範圍內感應上雷電電磁脈衝，並幾乎無衰減的沿電纜傳入通信站。因此對通信站來講感應雷的概率遠大于直擊雷的概率，可以這樣說通信站防雷主要是防感應雷。 二、通信站的防雷 直擊雷的防護 雖然有不少專家學者在努力的研究有效的防止直擊雷的方法，但直到今天我們還是無法阻止雷擊的發生。實際上現在公認的防直擊雷的方法仍然是200年前佛蘭克林先生發明的避雷針。 接閃器 避雷針及其變形產品避雷線、避雷帶、避雷網等統稱為接閃器。歷史上對接閃器防雷原理的認識產生過誤解。當時認為：避雷針防雷是因為其尖端放電綜合了雷雲電荷從而避免了雷擊發生，所以當時要求避雷針頂部一定要是尖端，以加強放電能力。後來的研究表明：一定高度的金屬導體會使大氣電場畸變，這樣雷雲就容易向該導體放電，並且能量越大的雷就越易被金屬導體吸引。這樣接閃器的防雷是因為將雷電引向自身而防止了被保護物被雷電擊中。現在認為任何良好接地的導體都可能成為有效的接閃器，而與它的形狀沒有什麼關係。 有鐵塔的通信站鐵塔本身就是良好的接閃器，如果鐵塔在建築物頂應將鐵塔四周與屋頂避雷帶作好電氣連接。鐵塔在通信站附近的可在建築物頂部設避雷帶，並校核鐵塔和避雷帶聯合防雷的保護範圍。方法見國標《建築物防雷設計規範》（GB50057--94）。 通信站附近無鐵塔的宜優先採用避雷網、作為建築物的接閃器，如果屋面有天線等通信設施可在局部加裝避雷針保護，這樣接閃器的高度不會太高，不會增大通信站的雷擊概率。避雷網的網格尺寸應不大於10mＸ10m，避雷針應與避雷網可靠連接。 引下線 引下線的作用是將接閃器接閃的雷電流安全的導引入地，引下線不得少於兩根，並應沿建築物四周對稱均勻的佈置，引下線的間距不大於18米，重要通信局和100米及以上的電信樓其引下線的間距應不大於12米。引下線接長必須採用焊接，引下線應與各層均壓環焊接，引下線採用10毫米的圓鋼或相同面積的扁鋼。對於框架結構的建築物，引下線應利用建築物內的鋼筋作為防雷引下線。 採用多根引下線不但提高了防雷裝置的可靠性，更重要的是多根引下線的分流作用可大大降低每根引下線的沿線壓降，減少側擊的危險。的目的是為了讓雷電流均勻入地，便於地網散流，以均衡地電位。同時，均勻對稱佈置可使引下線瀉流時產生的強電磁場在引下線所包圍的電信建築物內相互抵消，減小雷擊感應的危險。 接地體 接地體是指埋在土壤中起散流作用的導體，接地體應採用： 鋼管 直徑大於50毫米，壁厚大於3.5毫米； 角鋼 不小於50X50X5毫米 扁鋼 不小於40X4毫米。 應將多根接地體連接成地網，地網的佈置應優先採用環型地網，引下線應連接在環型地網的四周，這樣有利於雷電流的散流和內部電位的均衡。垂直接地體一般長為1.5-2.5米，埋深0.8米，地極間隔5米，水準接地體應埋深1米，其向建築物外引出的長度一般不大於50米。 框架結構的通信站應採用建築物基礎鋼筋做接地體。 感應雷的防護 前面已提到感應雷是因為直擊雷放電而感應到附近的金屬導體中的，其實感應雷可通過兩種不同的感應方式侵入導體，一是靜電感應：在雷雲中的電荷積聚時，附近的導體也會感應上相反的電荷，當雷擊放電時，雷雲中的電荷迅速釋放，而導體中原來被雷雲電場束縛住的靜電也會沿導體流動尋找釋放通道，就在電路中形成電脈衝。二是電磁感應：在雷雲放電時，迅速變化的雷電流在其周圍產生強大的瞬變電磁場，在其附近的導體中產生很高的感生電動勢。研究表明：靜電感應方式引起的浪湧數倍於電磁感應引起的浪湧。 感應雷可以通過電力電纜、通信電纜、光纖和天饋線侵入通信站，由於電力電纜的距離長且對雷電波的傳輸損耗小，所以由電源侵入的感應雷造成的危害十分突出，按原郵電部的統計約占了通信站雷擊事故的80%。因此，對通信站進行感應雷防護時，電源是重點。 感應雷還可以通過空間感應侵入通信站的內部線路，雖然經過建築物和機殼的遮罩衰減後其能量大為減小，但站內許多電信設備的抗過壓能力也很弱，如果處理不當也可能造成設備故障。 電源防護 資訊產業部發佈了專門的通信電源防雷標準，對各種通信站的電源防雷提出了具體要求，主要是兩條：一是電力電纜應有金屬遮罩層，且必須埋地進出通信站。二是在電源上逐級加裝電源避雷器，實現多級防護。即在變壓器的高壓端加裝高壓避雷器，低壓側加裝低壓避雷器，在交流配電屏和直流配電屏分別加裝交、直流避雷器。 通信電源防護應注意以下問題： 進局電力電纜的防雷容易引起重視，而其他進出通信站的電力線常常被忽視，如照明路燈線、塔燈電力線、非電信設施租用電信電力線等。現在宜採用太陽能塔燈，可減少一個雷擊入侵管道。其他出局電力線應在防雷系統的保護範圍內，否則應採取專門的防雷措施。 加裝直流避雷器是最近發佈的防雷標準中才提出的，因為直流避雷器的殘壓大大低於交流避雷器，因此能有效地提高通信站內敏感設備抵禦雷電電磁脈衝的能力。 避雷器的防雷能力與安裝方式有密切關係，主要是引線電感會產生額外的殘壓，應盡可能地縮短電力線與避雷器的連線和避雷器與接地匯接板連線的長度。 多級佈置避雷器可減小引線電感帶來的額外殘壓，因為前級避雷器已將大部分雷電流泄放入地，在後級的避雷器只泄放少部分雷電流，雷電流的減小必然導致引線上的附加殘壓減小。為保證避雷器由前到後順序泄放，避雷器的動作電壓應是後級不低於前級。避雷器之間的電力電纜長度不小於15米。 傳輸線防護 電信局內的低頻傳輸線大量是用戶線和中繼線，目前採用保安單元基本有效，如果採取進一步的防雷措施會急劇增大投資，目前尚無推廣方案。 光纖的防雷主要是針對其金屬護皮和金屬芯線，從線路防護的要求看這些金屬應接地，最好在埋地進局時接在底樓的接地匯接排上，而不要接在設備機架上。 天饋線防雷主要是針對同軸電纜，接地的波導管本身就有良好的防雷作用不需再加避雷器。同軸電纜天饋線應加裝相應的高頻避雷器，避雷器的地線應就近與機房的接地匯接排相連。天饋線的頂端應通過鐵塔接地，在入局處應接到機房匯接排。如果天饋線較長在其中間應每隔25米與走線架或鐵塔相連。 移動通信設備與光端機、微波、交換機相聯的PCM、DDF線線宜採用同軸電纜，可加裝相應的避雷器。 監控信號的資料傳輸線可加裝相應的資料避雷器。 所有進出通信站的通信傳輸電纜應採用有金屬遮罩層的電纜埋地進出，其遮罩層應在進局處就近接地。 聯合地網 通信站機房、變電房、鐵塔的接地極應連接起來，組成聯合地網，如果是框架結構的機房，建築物的基礎鋼筋是優良的環型接地網，應利用。聯合地網是通信站內所有設備共用的接地裝置。 接地電阻是地網的一個重要指標，部標對不同類型的通信站作了具體規定，其阻值為1到20歐。其依據是早期單線通信設備需要用大地做回路，不控制地電阻就無法通信。現在的通信設備不需要大地做回路了，但沒有研究阻值可放寬到何種程度，所以就沿用了過去的規定。從防雷技術的角度看，地電阻的要求已不那麼嚴格，而是強調接地系統的佈置，這在《建築物防雷設計規範》（GB50057-94）中已有體現。 早期的通信站建設中往往採用分離地網，要求交流地、直流地、保護地、資料地、防雷地等都採用單獨的接地裝置。其目的是想避免各系統的干擾通過地網耦合，但現在認為聯合地網更經濟有效。這是因為分離地網要求的條件太苛刻，地網須相距20米以上才認為實現了分離，而現代通信站需要五、六個這樣的獨立地網，在寸土寸金的年代很難辦到。另外，從技術角度看，分離地網在泄放雷電流時因接地線和接地電阻的不同，各接地系統會產生電位差，反而可能危害相互連接著的通信設備。聯合地網通過合理的佈置接地線可以實現通信設備間的等電位。 設備接地 通信站內所有設備的金屬外殼都應接地，金屬走線架、水管等金屬物也必須接地。站內金屬物良好的接地不但是用電安全的要求，也是遮罩雷電感應、均衡設備電位的重要措施。 接地有單點接地、多點接地和混合接地三種方式。從抗干擾的角度講：低頻通信設備宜用單點接地，高頻通信宜用多點接地，高、低頻混合通信設備宜採用混合接地。但目前部標統一規定各種通信站都用單點接地方式，接地線的要求是粗、短、直，要兼顧到泄放設備短路電流和泄放雷電流的能力。設備短路電流由電源電壓和接地阻抗決定，部標推薦用35-95平方毫米的多股銅線。而泄放雷電流只需大於16平方毫米的銅線即可。 接地彙集線的佈置 接地彙集線（匯流排）應佈置在靠近避雷器的地方，以使避雷器的接地連接線最短，各樓層的分彙集線應直接與樓底的總彙集線相連，這樣能保證實現單點接地方式，當樓層高於30米時，高於30米部分的分彙集線應與建築物均壓環相連，以防止側擊。 近年來IEC的研究認為：接地彙集線的多重互連是有益的，但部標尚未採納。 三、接地連線 通信站的種類很多，但其防雷思想是一致的，就是努力實現等電位。絕對的等電位只是一個理想，實際中只能儘量逼近，目前是綜合採用分流、遮罩、箝位、接地等方法來近似實現等電位。由於電信設備種類繁多，且新產品層出不窮，它們的耐過壓能力也有差別，目前在這方面的量化研究尚未普遍開展，因此，防雷的等電位理論還主要停留在定性上。現在這些措施經多年的實踐證明是行之有效的，但並不表示採取了這些措施就萬事大吉。我們還需在實踐中不斷地研究新問題、解決新問題，才能將通信站的防雷工作推向一個新水準。
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