通信局(站)防雷接地基础及综合技术

1 通信局（站）防雷接地基础及综合技术知识 华泓信息 2005年 5月 2 目 录 2 通信局（站）的防雷保护对象 1 通信局（站）的防雷和 供电系统接地分类 3 通信局（站）的雷电来源与途径 4 通信局（站）雷电保护区的划分和应用 5 通信局（站）雷击防护基本总则 6 通信局（站）的防雷接地调研流程 7 通信局（站）防雷接地综合技术 8 通信局（站）防雷设备选型技术 3 通 信局（站）根据其重要性、规模大小、系统容量、发生雷电事故的后果 和 严重 性，按防雷要求可分为以下四类 。（同时见图 1） 第一类防雷通信局 （ 站 ） 如：国家和省市级的通信中心 、 综合楼等大型通信局 （ 站 ） 。 第二类防雷通信局 （ 站 ） 如：市县级的目标局 、 微波枢纽站等中型通信局 （ 站 ） 。 第三类通信局 （ 站 ） 如：乡镇和城区的模块局等 。 第四通信局 （ 站 ） 如：接入网点 、 光环网点等 。 通信局（站）的防雷分类 1. 通信局（站）的防雷和供电接地分类 4 1. 通信局（站）的防雷和供电接地分类 通信局（站） 通信局（站） 移动 基站 微波 局站 第二类 目标局 第一类 综合通信中心 第三类 模块 局 第四类 接入网点 图 1： 通信局（站）的防雷分类 图 1 5 图 2： 通信局（站）的供电接地系统分类 1. 通信局（站）的防雷和供电接地分类 供电系统接地类型 TN系统 （三相五线制） TT系统 （三相四线制） IT系统 （三相三线制） TN-S 系统 TN-C-S 系统 我国通信局（站）普遍用 TN， 少量 TT 图 2 6 2. 通信局（站）的防雷保护对象 程控交换设备，如： 爱立信 AXE-10 贝尔 S1240 NEC NEAX6 北电 DMS100/200 华为 C&C08 中兴 ZXJ10 5ESS 巨龙、大唐等交换设备。 接入网设备，如： 华为 Honet 中兴 ZXA10 UT-AN2000设备等。 传输设备，包括： PDH、 SDH、 WDW等。 电源设备：包括： AC配电、开关电源、直流配电、 UPS等。 通信局（站）的防雷保护对象，包括如下通信设备： 7 数据设备，如： 多媒体网络设备 ， 包括： 以太网交换机： CISCO Catalyst系列，如： 3000、 4000、 5000、 6000系列 路由器： CISCO Catalyst系列，如： 2X00、 7X00、 12000系列 宽带接入（ ADSL、 LAN（ 10/100Mb）： 中兴、阿尔卡特、 NOKIA等。 基础数据网络设备，包括： 数字数据网 （ DDN） ， 如：美国 GDC公司： TMS3000、 OCM2000/1000 加拿大新桥公司： Mainstrait3600 系列 帧中继 （ FR）， 如： 新桥 Mainstrait36170 系列。 分组交换 ， 如： 北电 DNS-100。 配线设备，包括： MDF、 DDF、 ODF、 IDF等。 2. 通信局（站）的防雷保护对象 8 3. 通信局（站）的雷电来源途径 图 3：雷电的可能来源 /途径 通信局（站） 用户电缆 电力 /电源线 铁塔 /避雷针 光缆 进 /出局信号线 地电位升 图 3 9 天馈线 天馈线金属外皮：包括 GSM、 微波、无线接入等天馈线； 通信铁塔 移动基站、微波铁塔等； 用户电缆线 特别是乡镇、农村等架空的用户线； 进出局的信号线 特别是架空的信号线，如：到移动基站的 2M接口传输线； 电力 /电源线 特别是架空电力线。 3. 通信局（站）的雷电来源途径 10 光缆 特别是架空光缆：光缆的金属加强芯、光缆外皮的金属铠装层等。 与建筑立柱钢筋不绝缘的金属走线架 /吊架 对与移动基站共址而建电信机房，铁塔上的雷电流可能通过立柱和不绝 缘的金属走线架 /吊架，窜入到设备中； 地电位升（反击） 接地电阻较大的局（站）；使用分离地网的局站等； 空间电磁场感应 如雷电电磁脉冲 LEMP，可能在电信机房内的较长连接电缆上感应出较 高的过电压，造成设备电接口的损坏。 总之：只有针对上述雷电来源，采取合理的防护措施，通信设备才可 以得到较好的保护。 3. 通信局（站）的雷电来源途径 11 图 4：雷电保护区（ LPZ） 的划分 LPZ0A 区 ： 直击雷非防护区。本区内的各类物体均可能遭直接雷击，本区 电磁场没有衰减，属于完全暴露的不设防区。 LPZ0B 区 ： 直击雷防护区。本区内的各类物体很少能遭直接雷击，但本区 电磁场没有衰减，属于充分暴露的直雷击防护区。 LPZ1区 ： 第一屏蔽 防护区。本区内的各类物体不可能遭直接雷击，由于 建筑屏蔽的措施，本区内的电磁场得到了初步的衰减。 LPZ2区 ： 第二屏蔽 防护区。为进一步减小所导引的雷电流或电磁场， 而引入的后续防护区。 LPZ3区 ：第三屏蔽 防护区。如需要进一步减小雷电电磁脉冲（ LEMP）， 以保护敏感水平高的设备的后续防护区。 4. 通信局（站）雷电保护区的划分和应用 12 等电位连接点 通信电缆 金属设施 如水管 LPZ 0A 和 LPZ 1区的分界 旗杆或栅栏 天线 电力电缆 洞（如窗户） LPZ 0B LPZ 1 LPZ 2 LPZ 1和 LPZ 2区的分界 设备 LPZ 0A 图 4：雷电保护区（ LPZ） 的划分 LPZ0A区 : 直击雷非防护区。 LPZ0B区：直击雷防护区。 LPZ1 区 ： 第一屏蔽防护区。 LPZ2 区： 第二屏蔽防护区。 LPZ3 区： 第三屏蔽防护区。 13 4. 通信局（站）雷电保护区的划分和应用 LPZ 0A LPZ 2 例：通信机房 LPZ 0B 外部防雷装置 LPZ 0A, 0B 和 LPZ 1区界面上的等电位连接带 1 LPZ 1 电缆线路 LPZ 1 和 LPZ 2区界面上的等电位连接带 2 等电位连接线 代表屏蔽 2的房间 代表屏蔽 1的建筑物 接地装置 图 5：通信局（站） LPZ的应用举例 图 5 14 雷击设备损坏机理 根据通信局（站）的雷害调研结果，设备损坏途径基本表现为： 由于雷电流的存在，使得设备电路之间出现电位差，将器件击穿损坏。 雷击防护基本原则 遵循下列 3条基本原则 ： 分流或切断雷电流 将切断雷电流的来源或尽可能快速分流到大地 ， 降低电位差产生的可能性 。 通信设备系统而合理的连接和接地 设备合理的连接和接地 ， 可以大大降低设备间的地电位差 。 提高敏感接口的雷击抗力 加装合适的接口保护电路 （ 装置 ） ， 是一种有效保护敏感电信接口的措施 5. 通信局（站）雷击防护基本总则 雷电流）接：接地电阻、：导线电感、（电压降 :接 iRLdtdiLiRV 15 6. 通信局（站）的防雷接地调研流程 图 6：防雷接地的勘察、调研和分析流程图 通信局站 防雷类型 调研与分析结果 确定整改方案 通信设备 电源情况 现有防雷措施 设备接地情况 接地地网情况 进 /出局线缆情况 电源防雷情况 重要电信接口 防雷情况 天面层防雷情况 设备损坏情况 通信局站描述 地形 /环境 /位置 雷害原因分析 16 措施（一） 通信大楼的直击雷防护技术 7. 通信局（站）防雷接地综合技术 在通信铁塔顶上，安装 独立式避雷针装置。 见图 7， 包括 ： 独立避雷针、雷电流专用引下线、保护半径和范围的确定 通信 铁塔直击防护加强措施： 增加专用雷电流引下线 。 I L R - 独立 式 避 雷 针 安 装 示 意 图图 7 17 7. 通信局（站）防雷接地综合技术 措施（二） 通信电源系统的多级防雷技术 见图 8 电源第一级防雷 ： 市电（低压配电）输入端； 电源第二级防雷 ： 交流配电输入端； 电源第三级防雷 ：开关电源输入端； UPS输入端口； 电源第四级防雷： 机房内交 /直列头柜输入端 。 S608e_a SE 230/400 V H T M L 4 kV III 2.5 kV II 1.5 kV I 6 kV IV 设备 第一级 SPD 第二级 SPD 第三级 SPD 第四级 SPD 图 8 18 7. 通信局（站）防雷接地综合技术 措施（三） 室内设备地线系统 的规范接地和连接技术 Star- IBN： 星状的隔离接地网络 Mesh-IBN： 网状的隔离接地网络 Mesh - BN： 网状接地网络 Star-IBN 图 9： 设备地线基本连接结构图 （ 参考 ITU-T K.27 标准 ) Mesh-IBN Mesh-BN 机架 、 设备 、 组件等 连接导体 公共接地网 单点接至公共接地网 地排 电信设备接地网络见图 9 19 3、信号 /接口系统的防护（用户线、信号线、局内重要设备电接口） 措施（四） 通信接口的过电压保护技术 7. 电信局（站）防雷接地综合技术 对于存在雷害的下列重要通信接口 , 应加装信号 /数据接口用的过电压保护器： 线路类接口的保护 ： Fax、 Modem、 PABX等。 （ RJ11形式 ） 数字类接口的保护 ： 各类传输 /中继 2M 接口（ E1） ， 包括对称、同轴接口。 PCM / ISDN、 ADSL 宽带接入接口； DNIC接口 ： 2B+D、 2B1Q； 数据类接口的保护 ： V.24、 V.35、 RS232、 RS422、 RS485 等接口 以太网 接口 ： 10/100Mb LAN。 （ RJ45 形式 ） 天馈线接口的保护 ： GSM、 微波等同轴馈线接口 。 20 3、信号 /接口系统的防护（用户线、信号线、局内重要设备电接口） 措施（五） 传输设备雷害的重点解决措施 7. 通信局（站）防雷接地综合技术 通信传输雷害的重点问题 ， 普遍表现在以下两个方面： 移动基站设备 租用电信 传输 2M接口 产生的 雷害问题 。 交换（数据）设备对应传输 2M接口产生的雷害问题。 传输 2M接口雷害的解决措施 在传输设备 的收、发 2M端口 上，加装 2M接口专用的过电压保护器； 2M接口保护器的基本特性，如： 动作电压、限制电压要足够低， 耐雷能力足够高，良好的传输特性。 21 措施（六） 联合接地网及新型接地技术 7. 通信局（站）的防雷接地综合技术 联合接地网： 指通信局（站）所有设备的下列接地，共用一组地网的接地方式。 通信局（站）联合接地方式见图 10。 交流工作地 直流工作地 保护地 防雷地。 新型接地技术： 免维护化学地线系统 ， 如美国的 XIT、 IEA等化学接地棒 。 低电阻接地模块 长效接地极 石墨电极 降阻剂的使用 ， 如 LCRP长效降阻剂 等 。 22 图 10： 通信局（站） 联合接地模型 L1 L1 L2L3 N 蓄电池组 地面 MDF 保护地排 工作地排 总地排 开关电源的地线引线 -48V的正极 工作地母线 雷电引下线 建筑柱的钢筋 导线 基础地网 避雷针接地 直流工作地 （通常成环状） 保护地 避雷针 3 4m 渡锌钢材 建筑物的 支撑柱 23 措施（七） 总配线架（ MDF） 的防雷新技术 “ 保安单元 ” 的更换 采用 “ 固体放电管 ” （半导体放电管）保安单元，更换 “ 气体放电管 ” 保安单元。因为： 气体放电管使用一定年限时，存在漏气现象，防雷性能下降，寿命变短； 气体放电管的雷击限制电压特性、雷击响应时间均比固体管差； 固体管直流击穿电压能长期稳定在 190V 260V间，使用寿命长； 气体管长期使用时，动作电压偏高，其防雷性能严重下降。 固体（半导体）放电管、气体放电管的特性比较，见下表。 特性 类型 耐冲击能力 传输特性 雷击 限制电压 动作电压 一致性 响应 时间 使用 寿命 气体管（ GDT） 较强 （ 20kA） 好 （ Gb/s） 高 差 慢 一般 固体管（ SSA） 中等（ 5kA） 一般 （ 10Mb/s） 低 好 快 长 7. 通信局（站）的防雷接地综合技术 24 图 11 举例：总配线 架（ MDF） 内的保安单元（气体管） PTC: 1520 a b a b Protection unit ( integrated in MDF ) 保安单元 PTC PTC MOV AXE-10的用户板接口 cable shelf Line card ( AXE-10 or RSS) 用户板 a e e Earthing Copper Bar in the MDF MGB/MET Earthing conductor (2570mm2) 用户电缆 b PTC: 1520 GDT-230V MDF 用户 外线 总配线 用户板 连接电缆 外线 接地排 交换机 25 措施（八） 局内光缆的规范接地措施 重要性 光缆内的金属 外皮、加强芯 通常也是一个引雷的来源。 特别是架空进入机房的光缆，如果接地措施不好或方式不当，可能导致重的 后果，如： 损坏设备，甚至导致光缆、 ODF架起火的事故。 防护措施 光缆金属加强芯的正确规范接地 。 光缆金属 外皮（铠装层）的 正确规范 接地。 7. 通信局（站）的防雷接地综合技术 26 措施（九） 天馈线的规范防雷接地措施 重要性 各种天馈线，如微波、移动 GSM等是一个电信局（站）引雷的重要来源。 如果馈线的防雷接地措施不好或方式不当，同样可能导致设备损坏的后果。 特别是与移动基站共址的电信机房，更应考虑天馈线对电信设备的严重影响。 馈线防雷接地措施 室外天馈线金属外皮的可靠和正确接地 ； 室内天馈线金属外皮的可靠和正确接地 加装天馈线避雷器的应用否； 7. 通信局（站）的防雷接地综合技术 27 措施（十） 通信设备的绝缘规范性措施 重要性 （见图 12示） 当通信铁塔建在机房楼顶上，铁塔上的雷电流有部分将通过与建筑立柱不绝缘的 金属走线架 /吊架，窜入到 设备中，对电信设备造成危害。 机房内通信设备与建筑钢筋的绝缘，对防止雷电流进入到设备很重要。 电信机房的设备绝缘措施 金属吊架与走线架之间的绝 通信设备机架和走线架之间的绝缘 通信设备机架和楼板之间的绝缘 通信设备接地排与建筑钢筋之间的绝缘 图 11： 通信机房绝缘不良引雷问题的截面图示举例 。 7. 通信局（站）的防雷接地综合技术 28 图 12： 通信机房绝缘不良引雷问题的截面图示 Subscriber lines Cable shelf SGB Earthing Electrode Lightning rod steel tower antenna down conductor AC 交换机 DC MDF ODF DDF SDH 地面 MGB Steel of the building Steel of the building Solder joint Suspender Screw: ( no insulation from steel of the building) Lightning current i i i i Steel of the building pole of the building To other room 接地极 29 选型依据 信息产业部 强制性通信行业标准： 通信局（站）低 压配电系统用电涌保护器技术要求 （ 2002年） 通信局（站）低 压配电系统用电涌保护器试验方法 （ 2002年） 技术要求 : 整体要求 ： 保护模式、分离装置、告警功能等 电涌防雷特性 ： 最大持续运行电压、标称放电电流、电压保护水平、 冲击通流容量、等级限制电压等 安全特性 ： 着火危险性、失效安全特性、热稳定性等 环境适用性 ： 高温、低温、湿热、振动等 通信电源避雷器 (SPD:电涌保护器 ) 的选型 8. 通信局（站）防雷设备选型技术 30 选型依据 参考国际相关标准： IEC-61643-22 电信和信号网络接口的过电压保护器（ 2001年） ITU-T K.41 电信中心内部电信接口抗力要求（ 1999年） 主要技术要求 : 直流动作电压 工作速率 /带宽 冲击限制电压 标称放电电流 插入损耗 回波损耗 物理接口形式的多样化， 如： DB-9、 DB-15、 DB-25、 RJ11、 RJ45、 F1.6/5.6 (2Mb口同轴）、 BNC等。 8. 通信局（站）防雷设备选型技术 数据 /信号接口过电压保护器的选型 31 选型依据 可参考德国 VDE相关标准。 基本技术要求 额定工作电压 冲击限制电压 插入损耗 回波损耗 标称放电电流 工作频率 /带宽 最大输出功率 阻抗 基本技术参数（举例 ） 8. 通信局（站）防雷设备选型技术 天馈线避雷器的选型 额定工作电压 标称放电电流 8/20us 冲击限制 电压 (1kV/us) 插入 损耗 回波 损耗 最大输出功率 频率上限 阻抗 250V- 15KA 1000V 20dB 250W 2GH 50/75/93 32 地网构造与地线结构技术简介 33 1.地质条件 土壤电阻率 ： 在地球上的土壤千变万化，土壤导电性能差异很大。其土壤电阻率见下表： 土质 电阻率（ ） 电阻率（ cm） 肥土 50 5000 粘土 100 10000 湖水 200 20000 沙砾土 1000 100000 沙石 2000 200000 石灰石 4000 400000 花岗石 10000 1000000 地网构造 34 简单地说 ， 在土壤中打下各种材料 、 各种形状的金属体 ， 再焊接起来， 即可形成一个地网 。 但作用通信局站的地网 ， 有一些自己的要求： 足够的金属与大地之间的接触面积：保证大电流发热面积够大 ， 不至于烤干燥 、 变焦金属体外包土壤 。 恰当的深度 （ 电极体 ） ：有一定深度的极棒 ， 有利于将雷电流带到深一点的大地中去 ， 是电流分散更广 。 但是 ， 太深的地极也无法发挥泄流作用的 ， 因为雷击高频电 流有趋肤效应 ， 只会沿地表面的土壤向四周扩散的 。 耐锈蚀的表面处理：保证金属体能在潮湿大地中长期使用 。 电极体之间要有适当间距：角钢之间的间距有 5m时 ， 每根电极能发挥 90%作用 。 2.地网的构成 地网构造 35 所以说在地网的设计 、 施工时 ， 必须有如下认识： 1) 采用 L型角钢比圆钢的表面积更大 。 2） 深度采用 2m 3m， 利用了大部分的优质土壤 。 3） 深度柱基础钢筋泄流效果不算好 。 4） 角钢相应的间距就是 4m 5m为佳 。 角钢之间的电阻是并联关系 ， 所以角钢越多 ， 总电阻就越小 。 但任意两支角钢打入地下 ， 都会产生一定的屏蔽抵消作用的 。 角钢间距越小 ， 屏蔽作用就越大 。 所以打下角钢的数目和间距需要有合理的计算分配才好 。 2.地网的构成 地网构造 36 5）角钢表面用热镀锌可较长时间内防锈。 6）接地极也有用铜包钢，钢条外面包（镀）一 层铜。 优点： 外表是铜，可以在很长时间内防锈、防腐蚀； 雷电流走外表铜层，还具有比钢铁好得多的导电性能； 也具有钢材的机械强度（硬度）。 2.地网的构成 地网构造 37 用四极法测量： 3.接地电阻值的测量方法 方法一：标准四 (三 )极测试法。 方法二： 20/40m测试法。 方法三：中央稳定区 （ 零电位 ） 位置测试法 。 方法四：三极网络测试法 。 方法五：卡钳法 （ 单 、 双卡 ） 方法六：交流大电流测试法 （ 电力部门经常采用 ） 。 D X 地网 r 地网构造 38 方法四：三极网络测试法 。 考虑到一些旧城区的老局位置密集 ， 要远距离拉测试线很困难 ， 所以一般用摇表的测试结果都不理想 。 本方法另辟蹊径 ， 直接利用市话电缆作为测试线路 ， 可以将线路拉得很远 ， 可以测出较真实得结果 。 3.接地电阻值的测量方法 交接箱 1 交接箱 2 局站 局站地网 交接箱地线 交接箱地线 R1 R2 R12 地网构造 39 方法五：卡钳法 （ 单 、 双卡 ） 。 利用地线 、 地网之间形成的环路 ， 产生感应电磁场 、 测量其感应电压和感应电流 ， 找出环路的电阻 。 缺陷：若另外一个入地点的地电阻比较大 ， 则严重影响测试结果 。 3.接地电阻值的测量方法 局站地网 其它接地点 卡钳 地网构造 40 降阻剂的作用： 1） 保持土里的水分； 2） 增加土里的盐分； 3） 扩大电极与良导体的总接触面积 。 降阻剂一般分为： a) 粉末状化学物质 ：用水搅拌后成良导体；缺点是时间长了会结饼；对大电流通过时可能会烤焦 ， 失去导电作用；会加快对钢铁的腐蚀 。 b) 水凝胶状物质 ：与水化合后 ， 可以保持水分和盐分；缺点是容易随雨水流失；随时间易老化；会加快对钢铁的腐蚀 。 c) 非金属物质 (石墨粉 )：本身就是导电材料 ， 用水搅拌后成良导体；它不随时间易老化；也不会加快对钢铁的腐蚀 。 缺点是没压紧固化前导电作用较差 。 d) XIT式化学物质 ：逐渐与水气化合 、 流到土里起降阻作用。 缺点是仅使用二 、 三支不足以改善整个地网的接地电阻 。 4.地网形状及防护效果特点 地网构造 41 做地网时应注意的几个问题： 1、 化学接地极的使用问题 ：客观上说，这种接地棒的作用范围有限，只能改变局部土壤的接地电阻。因此在数量有限的情况下，它的总体效果没有传统地网或降阻剂好。最适合条件拥挤，没地方开挖的老局使用。但问题是价格高，大量使用耗资太大。 2、 非金属接地模块的使用问题 ：其实是石墨材料浇铸形成的。单从一块来看，它的作用比一支大角钢加降阻剂好不了多少，但它对里面的钢铁没有腐蚀作用，可以长期大量使用。只有在数量大的情况下，它的作用才能发挥出来，因此最适合在土质差、开挖面积大的地方使用。但问题是价格高，大量使用耗资太大。 3、 其他降阻剂的使用问题 ：从腐蚀性、流失性、老化时间、导电能力、成本价格等几个角度综合起来看，精细石墨粉的效果会好一些。而且石墨的价格在 2000多元 /吨，算比较便宜了。 4.地网形状及防护效果特点 地网构造 42 4、 地网范围大小的问题 ：由于地网中的电感会起阻碍作用，地网中超过 60m远的角钢对泄放局站雷电流作用不大了。所以超过 60m远的地网对降低低频接地电阻确实有帮助，但对防雷帮助不大。 5、 入局地线引入线问题 ：为了防止埋在地下的入局电缆、扁钢意外断裂，一般需要从不同位置拉两条地线进局做总接地排使用。另外，严禁从楼顶避雷引下线入地位置引机房室内地线，以免高电位反击。 6、 铜包钢接地体的使用问题 ：在一些土质差、需要使用降阻剂的地方可以使用铜包钢接地体，既抗腐蚀，又增加导电性。使用铜包钢接地体时，应先开挖深 2m左右的垂直孔洞，灌满降阻剂后，再打下该接地体，效果会好些。 4.地网形状及防护效果特点 地网构造 43 联合地网的问题： 1）联合接地是现代防雷的基本要求，应该认真遵守。 2）联合接地是指所有接地系统都使用同一个接地网平台。但不是所有地线、避雷引下线接在同一个点上，应该有一定的隔距才对。 4.地网形状及防护效果特点 DC地 保护地 交流地 基站接地 避雷针接地 联合地网 地网构造 44 联合地网接地电阻的一般指标： 国外某电信公司 与 国内某 通 信公司 4.地网形状及防护效果特点 大型综合局站 0.5欧以下 枢纽局站 1欧以下 大型市内局站 1欧以下 万门以下交换局 3欧以下 小型局站 2欧以下 2000门以下交换局 5欧以下 小型无线局站 2欧以下 微波、基站 10欧以下 其他站点 5欧以下 微波无源站 20欧以下 地网构造 45 地线结构 1.ITU-T和 IEC标准中的几种典型局站接地方法 从基本原理来说，有下面几种基本接地方法： 内部星状隔离连接法（ STAR-IBN） ： 内部星状连接，但与共用接地系统（如建筑钢结构）只有一个点连接。 内部网状隔离连接法（ MESH-IBN） ： 内部网格状连接，但与共用接地系统（如建筑钢结构）只有一个点连接。