《通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范》YD.doc

通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范YD/T5098-2001综述 作者： 刘吉克 金山 王国伟2003年03月31日 摘要：信息产业部邮电设计院是制定中华人民共和国通信行业防雷接地标准的编制单位，上世纪60年代，原邮电部设计院的防雷专家就对工程中出现的雷害事故进行了广泛、深入的研究，1986年开始编制国内外第一个将联合接地理论用于通信局（站）的标准YDJ26-89通信局站接地设计技术规定（综合楼部分）到YD5098-2001通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范的颁布已经是第五个标准了，YD5098-2001使通信局（站）的防雷进入到一个崭新的阶段，该标准采取广泛与IEC及ITU等相关国际标准接轨的编写方法，不但结合了中国国情，也充分考虑了通信局（站）的具体情况而推出的集科学性、先进性、实用性与国际接轨的工程设计标准。目前已经在通信局（站）防雷工程中起到非常明显的效果，全面的解决了占通信局（站）雷击事故85%以上的雷电过电压保护问题。关键词：雷电 接地 过电压 保护 工程 标准概述YD50982001通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范是为了解决综合通信大楼、交换局、数据局、模块局、接入网站、IP网站、移动通信基站、卫星地球站、微波站等因雷电感应通过电源线、信号线、网络数据线、天馈线、遥控系统、监控系统引入的雷害，确保通信设备的安全和正常工作而编制的。通信局（站）雷电过电压保护工程的基础应建立在联合接地、均压等电位分区保护之上是非常重要的,另外通信局（站）雷电过电压保护设计应根据电磁兼容原理,按防雷区划分，对电涌保护器的安装位置进行合理规划。从通信局（站）雷击概率的统计分析，近年来虽然对通信局（站）建筑物的防雷接地进行了大量的改造,但雷电产生的浪涌电流还是造成通信设备的损坏,雷击使通信中断的事故时有发生，根据国内外有关资料的统计，雷击造成通信设备损坏事故的85%是雷电过电压引起的，因此对通信局（站）雷电过电压的保护就更为重要。通信局（站）雷电过电压保护并非是简单的、单一的雷电过电压保护器件应用，而是应用电磁兼容的原理，根据雷电保护区的划分，对一个通信局（站）进行综合、多级雷电过电压保护。通信局（站）传统的雷电浪涌保护方法，在选择浪涌SPD件时，仅考虑被保护的通信设备本身，没有根据电磁兼容（EMC）原理，把局部或单一的防护措施归结到系统防雷，即整体防护的概念。由于缺乏通信局（站）系统和整体的观念，导致在通信局（站）电源系统网络，甚至在雷电防护的薄弱环节的不同点安装过电压保护器时，各类防护器件之间不能相互协调、相互之间不能控制。由于防护器件在设计时，其防护性能仅仅是从被保护设备本身的需求，而通信局（站）系统的防护，各级防护器件是相辅相成的，互相影响的，此时用以局部防护的过电压器件不能有效的发挥其防护性能，影响了通信局（站）的整体防护。另外还有一个重要的立论基础，通信局（站）的雷电过电压保护设计必须是建立在联合接地基础上。通信局（站）受到雷电冲击时，通信局（站）内冲击电位分布和空间瞬时电磁场将关系到建筑物内人身和设备的安全。由于受冲击时地电位升高，将影响到装在通信楼内，而与楼外有电气联系的通信设备，雷电对通信局（站）的影响可以从三个方面对设备产生危害，首先浪涌电流沿着缆线进入设备，其次，由于地电位对通信设备产生影响，设备的冲击阻抗的反击地电位的大小，通常可达数十至数千伏。另外第三个方面，作为现代数字化通信设备的控制计算机，对雷电极为敏感。即使几公里以外的高空雷闪或对地雷闪出有可能导致这些通信设备的薄弱环节计算机CPU控制中心误动或损坏，根据国外资料介绍0.03高斯的磁场强度可造成计算机误动，2.4高斯即可使元件击穿。对于雷电电磁场的影响，主要是雷击通信局（站）时雷电流在建筑物的分布直接影响到通信设备，特别是对雷击敏感的计算机控制单元及数字终端设备在建筑物内的布局，合理的在通信机房安装设备布局可有效的减少雷害；通信局（站）采用联合接地可有效的解决地电位升的影响；而在通信大楼配电系统、计算机、控制终端、监控系统、终端设备输入端安装浪涌保护装置，并对通信局（站）出入缆线采取屏蔽、接地等措施，可有效减少雷电对各类网络系统的侵害。下面对YD5098-2001规范中关键的问题进行论述。1 通信局（站）内部网络数据线的雷电过电压保护 长期以来，通信局（站）设备防雷都是以防止雷电涌沿局外线路感应问题为主，随着通信设备的电子化、高度集成比、微型计算机控制、智能化、特别是数字通信技术发展，使得这些通信系统对浪涌较为敏感电路的雷电承受能力进一步下降，特别是通信大楼内计算机、控制终端、监控系统、终端设备更容易遭受雷电的侵害，由于在综合通信大楼内，集中了交换机、传输设备、监控及网络设备、控制终端、电源、无线等系统，各系统之间的内部连接线路纵横交错、非常复杂，连接线路可达100200米，这些连接线路因雷电电磁场的感应，将雷电浪涌传到系统之间的接口的电路中去，对浪涌较为敏感的接口电路产生影响和冲击，局站内部接口的连接线类型较多，有屏蔽线和非屏蔽线，也有对称和非对称线，由于这些线缆物理结构上的差异，对雷电电磁场感应影响的大小也有所不同，因而就要求这些通信系统的接口应具有更好的防雷性能，IEC-61644对连接通信、信号网络接口的浪涌保护装置提出了基本的要求和测试方法，ITU-T K系列文件对于各种通信系统的雷电保护和测试也提出了指导性方法，最近ITU推出的K41建议电信中心内部通信接口抗雷电过电压能力，在这个新建议中，主要涉及的是不出局且长度在100米左右的通信线路。该建议的推出表明，国际上已经将电信中心内部通信接口抗雷电过电压的要求提到很重要的位置上。这些文件表明：“通信局（站）内部或建筑物内部的计算机的雷电防护方法和所用的SPD已趋成熟，并走向规范化”。 另外根据邮电部设计院从对深圳、江门、茂名、东莞、韶关、南昌、湖南、河北、南宁等10几个省市的综合通信大楼雷害事故统计表明：楼内网络接口设备、计算机控制终端、交换机的CPU控制模块、交换机及移动通信的控制终端、微机接口电路、设备测试台、交换机计费系统微机、营业厅内的收费微机、营业用多路计费器、测量室自动测量系统、监控系统被雷击损坏的事故时有发生；另外移动通信、微波站内的网管监控及干线监控、遥信接口、数据采集板等设备也时有雷击损坏的事故发生的情况，这表明计算机、控制终端及网络设备的接口是雷电浪涌侵入的薄弱环节，国外的研究表明：“作为现代数字化通信设备的控制计算机，对雷电极为敏感。即使几公里以外的高空雷闪或对地雷闪出有可能导致这些通信设备的薄弱环节计算机CPU控制中心误动或损坏，根据国外资料介绍0.03高斯的磁场强度可造成计算机误动，2.4高斯即可使元件击穿”。从另一个方面讲，国外厂商早在90年代初期（国内在95年前后）已经推出了大量的计算机、控制终端及网络设备用的SPD，其产业已有很大规模的发展，其中用于计算机、控制终端及网络设备SPD已经系列化，并且其质量和性能完全能满足通信系统的要求，另外由于半导体放电管的出现，其元件的特殊性及优良品质使得用半导体放电管元件组合的SPD可以免去每年的例行检测，且保证了通信系统安全可靠的运行。因此对通信局（站）计算机、控制终端及网络设备的进行雷电过电压保护，条件已经成熟，为了减少成本和合理投资的角度出发，建议仅对建在多雷区、强雷区的通信局（站）内计算机、控制终端及网络设备进行雷电过电压保护，对于建在中雷区的通信局站内的计算机、控制终端及网络设备，如果该局时有雷击损坏的事故发生，则应参照执行。另外从通信局（站）的调研情况看，现有的通信局（站）计算机、控制终端及网络设备的数据线，由于各方向的线数不多、控制单元分散的缘故，一般都用的是无屏蔽的线，改为屏蔽线和串金属管线在施工和运作起来都有困难（垂直管线除外），而且成本将非常之高，那么安装SPD既经济、又方便，并且提高了通信系统安全可靠性。2 通信局（站）配电系统的雷电过电压保护2.1 通信局（站）配电变压器雷电过电压保护器件的选择 从架空高压电力线终端杆引入通信局（站）的10kV或6.6kV高压电力线，从防雷的角度出发必须更换为屏蔽电缆，而且进入通信局（站）配电变压器高压侧的屏蔽电缆在条件允许的情况下宜全程埋地引入；当配电变压器设在通信局（站）建筑物内部时（建在郊区和山区的微波站、移动通信基站的配电变压器，不宜与通信设备设在同一建筑物内），高压屏蔽电缆应从地下入局，且屏蔽电缆长度应为300500米，屏蔽层两端应就近接地。在架空高压电力线终端杆与屏蔽电缆的接头处，三相电力线应就近对地分别加装额定电压为12.7kV（系统额定电压10kV）或7.6kV（系统额定电压6.6kV）的交流无间隙氧化锌避雷器，通信局（站）供电的实际情况。GB 11032-89交流无间隙金属氧化锌避雷器（*一个过时的标准）对10kV避雷器是满足一般雷暴强度情况下的要求，为城市配电系统配套使用的，其标称放电电流为5kA的等级，对地处多雷区以下地区的城市使用该量级的配电避雷器，应该说基本能满足通信局（站）配电变压器高压侧雷电过电压保护的要求，但对于地处多雷区以上地区，并且建在郊区、山区的通信局（站）应该承认标称放电电流为5kA的等级的高压配电避雷器可能远满足不了雷电过电压的需要，根据该标准附录D要求，对于建在郊区、山区，地处中雷区以上的通信局（站）使用的交流无间隙金属氧化锌避雷器是根据当地雷电的强度，由用户或设计者向厂商提出交流无间隙金属氧化锌避雷器放电电流的要求，强雷电避雷器主要是避免在雷电较强的地区，以往建在多雷区的通信局（站）及建在山上的微波站由于在设计上误用常规的交流无间隙金属氧化锌避雷器，造成高压避雷器、配电变压器被雷击坏的事故时有发生。因此对于建在郊区或山区，地处中雷区以上的通信局（站），在架空高压电力线终端杆与屏蔽电缆的接头处，避雷器必须采用标称放电电流大于20kA的交流无间隙氧化锌避雷器（强雷电避雷器），而配电变压器高压侧应在靠近变压器处装设相应系统额定电压等级标称放电电流大于5kA的交流无间隙氧化锌避雷器，配电变压器高压侧避雷器和低压侧SPD的接地端子、变压器的外壳、交流零线、以及电力电缆的屏蔽层应就近接地。 2.2 通信局（站）低压配电系统雷电过电压保护器件的选择 通信局（站）低压配电系统雷电过电压保护器件的选择应根据雷电活动区的划分、通信局（站）的分类、通信局（站）所处的地理环境、建筑物的形式、供电方式以及所在地区电压波动的的情况，在设计中对电源SPD提出的不同要求。并且在器件回路中串接保险丝，目的主要是防止器件因各类因素损坏或由于暂态过电压使器件燃烧（国内外通信局（站）发生过多次此类事故，国外的防雷公司的SPD产品在工程上一般都要求采用串接保险丝，IEC60364-5-534过电压保护装置对此有专门论述），影响通信局（站）供电线路的正常工作（由于以往的规范忽视了在并联回路中串接保险丝，从而给通信局（站）的正常供电带来了隐患）保险丝标称电流的量级一般为上一级保险丝的1/1.6倍。 另外单纯从价格的意义讲，冲击通流容量较小的SPD一般价格上远小于冲击通流容量大的SPD，但从技术经济比的角度去考虑问题，可能这一观点又喻于了新的含义，通流容量是指器件不发生实质性破坏而能通过规定次数、规定波形的最大电流峰值，冲击通流容量较小的器件在通过同样的雷电流的条件下其寿命远小于冲击通流容量大的器件，根据有关资料介绍：“MOV元件在同样的模拟雷电流8/20mS、10kA测试条件下，通流容量为135kA的MOV的寿命为10002000次，通流容量为40kA的MOV的寿命为50次，两者寿命相差几十倍（注：据笔者分析，被测试的MOV元件可能是由小通流容量的MOV组合型的产品，但测试结论也可以说明冲击通流容量较小的器件在通过同样的雷电流的条件下其寿命远小于冲击通流容量大的器件）”由于配电室、电力室入口处的SPD要承受沿配电线路侵入的浪涌电流的主要能量，因此其器件在满足入口界面处标称放电电流要求的前提下，可根据情况选择较大通流容量的过电压保护器。 通信局（站）低压配电系统雷电过电压保护器件的选择还应根据配电方式是采用TN系统通信局（站）一般配电方式采用TN-C-S系统，还是TT系统来确定SPD在配电系统中的安装方法，TN系统一般应采用相线及零线应分别对地加装过压型SPD的方式，而通信局（站）若采用TT系统移动通信基站和郊县的市话交换局一般无专用配电变压器，基本上是采用380V输电线（缆）直接引入，即TT配电系统，相线应分别对N线加装过压型SPD，N线对地间应采用由放电管组成的SPD。2.3 通信局（站）内直流电源线的雷电过电压保护器件的选择 根据YD/T 58592通信用配电设备5.4.8.1条直流配电设备输出电压及其整定范围的规定中整定范围确定了SPD的标称电压。该标准对1260V配电设备的绝缘强度试验电压（有效值、时间为1min）的要求为500V，因此可见相对于配电设备的耐雷击允许值要远大于500V的要求（一般雷电的允许值为工频的6倍左右），按照本规定对SPD的电压及标称放电电流的要求，此时SPD的残余电压一般小于300V，远小于工频绝缘强度实验电压的要求。 另外通信设备允许的直流供电电压有一定的变化范围，如交换设备工作电压的标称值为-48V,但其允许的直流供电电压的变化范围一般在-40V-57V之间,也就是说在供电电压达到-57V时,交换设备是允许的, 在通信电源工程设计时，由于采用了限制直流供电电压的变化范围的措施，使标称工作电压一般控制在-48V左右，用于交换设备直流供电电压的SPD标称导通电压应选择大于70V小于90V，即SPD标称导通电压最小值已大于直流供电电压最大工作电压-57V的20%以上，因此该值足以避免因SPD指标的波动而影响设备的正常工作的情况，另外通信局（站）内直流电源线使用的SPD必须具有带保险丝功能的器件，其标称放电电流应为大于等于3kA的SPD，SPD应就近接地。2.4两级SPD的隔距按照国内外有关文献及标准，根据两级SPD的类型，SPD对雷电反映时间的快慢，连接线缆的材料及粗细，当两级都为MOV时，连接线缆隔距一般要求为35米；当两级SPD为不同器件时，连接线缆隔距一般要求为10米或连接线缆电感量为715mH。因此为了有可操作性，当上一级SPD为雷击电流型SPD，次级SPD采用过压型SPD时，两者之间的配电缆线隔距应大于10米。当上一级SPD与次级SPD都采用过压型SPD时，两者之间配电缆线的隔距应大于5米。 3 通流容量和标称放电电流根据雷电活动区的划分、通信局（站）的分类、通信局（站）所处的地理环境、建筑物的形式、供电方式，在设计中对电源SPD提出的不同要求，对于雷电电流SPD的应用在IEC 1643-1（P1）、A2.0; IEC364-5-534; IEC 1643-2; IEC1312都有论述。电源用SPD通流容量和标称放电电流参考了IEC 1312雷电电磁脉冲的防护、IEC 61643-1连接在低压配电系统的SPD的技术要求和测试方法、原邮电部标准YD/T944-1998通信电源设备的防雷技术要求和测试方法、2000年增补内容的国家标准GB50057-94建筑物防雷设计规范等标准，并根据对国内外通信局（站）配系统使用SPD的具体情况广泛调查，以及国内外厂家的SPD产品的性能而取定的。在本规范设计条款指标中对所要求的冲击通流容量与标称放电电流量之间的换算按照2.5 倍考虑，条款中若标的是标称放电电流，那么相对于冲击通流容量指标就是标称放电电流量级的2.5倍。即条款中SPD标称放电电流为20kA，那么对应于冲击通流容量SPD的指标要求为50kA，条款中冲击通流容量与标称放电电流指标与各个公司SPD产品自身的标注无关，SPD各项指标必须是通过信息产业部检测的数据。电源用SPD通流容量和标称放电电流的取定还应根据电源SPD安装的必要性，其原则确定如下： SPD安装在被保护电路中，对被保护电路无不利影响； 在正常情况下SPD是否会损坏； SPD损坏的后果会造成什么影响，采取什么措施进行保护； SPD能否起到保护作用； 各级SPD之间的相互协调；4 雷电过电压保护器件对通信局（站）接地电阻的要求 通信局（站）联合接地地网的接地电阻值已满足SPD接地的需要，因此对在通信局（站）使用的SPD接地电阻值不做严格要求，设计时仅需将通信局（站）使用的各类SPD的接地端子就近接地。5 工程设计、施工、监理、维护和各类保护器件选择的技术依据首先YD5098-2001是工程设计、施工、监理、维护和各类保护器件选择的技术依据，使通信局（站）雷电过电压保护工程有了可依椐的规定。通信系统是世界上最先进的电子技术的体现，通信局（站）内汇集了大量的先进设备信息产业、通信各子系统非常复杂，而且通信局（站）又是一个至关重要的保密要害部门，由于外系统不熟悉信息产业通信系统的特点和设备系统的情况，盲目从事通信局（站）的防雷工作，推荐不适合通信局（站）使用的产品，可能会对通信局（站）带来不安全因素，因此规定所选用的电涌保护器应经过信息产业部认可的检测部门测试合格的产品，结束语根据国际电联提供的世界年雷暴日分布统计，中国是世界上年雷暴日最多的国家之一，因此中国的雷害事故就更加频繁。我国的防雷专家在长期的广泛探索中，结合IEC、ITU-T相关文件，提出了有中国特色的通信局（站）防雷保护设计方法，有效的降低了雷击概率，但是通信局（站）的防雷接地还有很多方面的问题有待解决。最近将要推出的中华人民共和国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、通信局（站）低压配电系统用电涌保护器测试方法又是与国际、相关建议接轨，并结合了中国国情的体现，希望中华人民共和国通信行业标准的防雷接地标准可以为中国电信、中国移动、中国联通、中国网通、中国铁通、中国卫星通信集团公司及其它系统的通信行业的各类通信局（站）和信息系统的安全运行提供可靠的保障。附录 信息产业部邮电设计院防雷接地研究回顾1962年在工程设计中，针对通信工程遇到的雷害问题，邮电部设计院就开始了防雷接地的研究，翻译了大量的国外防雷接地的技术资料。1964年在微波站接地问题上提出了联合接地的理论。1972年成立了专门从事通信防护工作的研究所，翻译了CCITT防雷接地手册等建议。1974年邮电部设计院代表邮电部组织国内电力、总参14个部委参加的长沙通信大楼的雷电实验研究。1986年邮电部设计院谢锋、马士怡、梁奎端、