通信局(站)防雷接地基础及综合技术介绍.ppt

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 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 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S1240NECNEAX6北电DMS100 200华为C C08中兴ZXJ105ESS巨龙 大唐等交换设备 接入网设备 如 华为Honet中兴ZXA10UT 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 CISCOCatalyst系列 如 3000 4000 5000 6000系列 路由器 CISCOCatalyst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 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 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 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 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 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 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 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 100MbLAN 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 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 7 通信局 站 的防雷接地综合技术 24 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 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 TK 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 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 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 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 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 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 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 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 内外网状多点连接法 MESH BN 内部网格状连接 外部也是与共用接地系统网格状连接 与建筑钢结构多点连接 46 地线结构 1 ITU T和IEC标准中关于接地方式的几种描述 47 地线结构 在实际应用中大多数使用的组合式连接法 星网组合连接法 星状接地系统与网状接地系统通过专门的一个接地点 总接地排 连接起来 网星网组合连接法 外部单点网状接地系统与外部多点网状接地系统通过专门接地点 总接地排 连接起来 星星组合连接法 不同楼层的星状接地系统分别在自己楼层接专门接地点或主干地线上 网网组合连接法 不同楼层的网状接地系统分别在自己楼层与建筑钢结构 均压环 多点网状连接 1 ITU T和IEC标准中关于接地方式的几种描述 48 地线结构 1 ITU T和IEC标准中关于接地方式的几种描述 49 内部星状隔离连接法的结构特点 从单个系统来看 每个设备的接地只能有一个点 一条线 而且所有设备的地线必须接到同一个专门接地点 类似我国的分接地排 从整个局站来看 则每个系统只能有一条总地线出来 连接到一个专门的接地点 类似我国的总接地排 上去 为了保证设备对地确实是单个接地点 设备对建筑钢筋必须绝缘 有一些交换机系统就是专门按这种接地方法设计的 5ESS DMS100 2 几种电信局站的接地方式的特点分析 地线结构 50 一种内部星状隔离连接法的电路图 2 几种电信局站的接地方式的特点分析 地线结构 51 内部网状隔离连接法的结构特点 一个系统群内各种设备地线相互连接成网格状 但设备不得直接与建筑钢结构相连接 而是汇总到一个专门的接地点后 再与建筑钢结构或共用接地系统连接 其基本特征是系统内连接成网格状 但系统与周边共用接地系统 CBN 呈隔离状态 所有进出网状系统设备群的电缆管线应集中在一个点 区域 内 其屏蔽外皮必须在顶部或底部的金属网格零电位参考平台的边缘接地 有一些交换机系统就是专门按这种接地方法设计的 AXE10 部分S1240 地线结构 52 2 几种电信局站的接地方式的特点分析 一种内部网状隔离连接法的电路图 地线结构 53 内外网状多点连接法的结构特点 系统内设备之间多点互连成网格状 机房周围沿内墙安装一圈均压环 该均压环又与建筑钢结构多点互连 至少四个角要与建筑立柱的钢筋连接起来 再让各种设备都就近多点互接连接到该均压环上去 在机房里的地面上还要预先铺设一层接地的金属网格 设备 管线都应就近接在金属网格上 2 几种通信局站的接地方式的特点分析 地线结构 54 星网 星星组合连接法的结构特点 在高层通信大楼内设备往往分别在不同的楼层 有的在底层 有的在顶层 系统之间又有大量电缆线连接在一起 当楼顶遭受雷击时 在强大雷击电流作用下 建筑钢筋 铁质磁性材料 的电感就会出现明显阻碍作用 导致高层位置的雷电压比地面层位置的雷电压高得多 从不同楼层分别取地参考电平的设备之间就会产生很大的电位差 导致设备接口受电位冲击损坏 不少地方就是严格按照一些接地规范去做了接地处理 加了层层保护 但还是雷击问题不少 2 几种电信局站的接地方式的特点分析 地线结构 55 高层通信大楼内设备接地网络的电位差影响问题 地线结构 56 在ITU Tk 27中就针对多层建筑的网状连接法提出了一系列特别的要求 所有走线应尽量靠在一起 可以减少导线之间的雷电感应电压 因为导线环之间的感应电压主要取决于导线环的面积 所有线缆的金属外皮 屏蔽层 在进处每一个楼层的边界处 接地环 都要有严格的接地或增加耦合接地 上面接地措施的其用意是企图通过处处接地方法强制地将地线上的雷电压波动抑制得比较平稳 避免地线上雷电压对设备之间的冲击 2 几种通