现代防雷技术PPT课件第九章通信系统的防雷保护

第九章、通信系统的防雷保护,随着社会信息化程度的不断提高通信和信息产业飞速发展，在生活中扮演越来越重要的角色。由于在现代通信系统之中大量的使用了大规模集成电路，其供电电压只有几伏(V)，传递的信号电流也仅为微安(A)级，使得通信系统对雷电的直击、绕击、雷电的一次效应、雷电波的入侵，特别是雷电磁脉冲的干扰等承受能力越来越低。当被雷电袭击时，轻者会使通信设备不能正常工作或产生误动，重者会将设备损坏，造成通信中断。本章从天馈线系统的直击雷防护、通信系统电源的雷电防护、通信信号系统的雷电防护、通信系统的防雷接地几方面对通信系统的防雷进行全面阐述。第一节微波站的防雷保护近几年来微波通信技术得到了广泛应用。由于微波通信为视距通信,由于接收和发射信号的需要微波站通常建在高层建筑物或高山上,而天线又安装在铁塔上,裸露在大气中,故遭受雷击的几率较大。高山微波站占地面积狭小,地势峻峭,土壤电阻率高,接地电阻一般很难满足要求。同时，微波通信设备中有很多属于弱电设备，对雷电干扰、低电位干扰都相当敏感，当遭受雷击时,微波设备常常受到干扰影响正常工作或损坏。,雷电对微波站设备的入侵主要有两种途径：一是直接雷雷电直击站内金属设施、缆线后,以行波的方式沿着导线两边传播,入侵到室内设备；二是感应雷电和雷电的二次感应,在雷云对大地、雷云对雷云之间的放电过程中,雷电的电磁辐射可以影响设备的工作。因此微波通信系统的雷电防护分为三个部分：直击雷的防护、感应雷的防护、线路侵入波的防护。911直击雷的防护微波通信系统的天馈线一般都装设在地理位置较高的山顶或建筑物顶的塔架上，易于遭受直击雷的侵害。对直击雷的保护主要是用避雷针来保护，避雷针一般安装在铁塔上或建筑顶上，若建造在山顶上的是矮小微波天线和微波房，可用独立避雷针防护直击雷。通过避雷装置即避雷针、引下线和接地网络构成完整的电气通路后将雷电流泄入大地。可以通过合理的设计避雷针的保护角和良好的接地系统起到保护作用。在现有的通信系统防雷规程例如；YD2011-93微波站防雷与接地设计规范；中指出应使所有的设备应在避雷针的保护范围之内，天馈线装置及其安装的金属塔架较高且十分重要对于它的直击雷防护更应引起重视。具体的保护范围的计算可以参考中华人民共和国电力行业标准交流电气装置的过电压保护和绝缘配合DL/T620-1997之5.2条规定进行。以两种简单的单针系统为例进行分析:,图91通信塔下基站及杆塔基站示避雷针保护范围示意图,单支避雷针的保护范围如图91所示，它是一个旋转的圆锥体。设避雷针的高度为h（m），被保护物体的高度为hx（m），在hx高度上避雷针保护范围的半径rx由下述公式决定：其中p是考虑避雷针高度影响的校正系数，称为高度影响系数。当h30m时，p=1；当30mh120m时，；当h120m时，按120m计算。对于多雷区或者安全裕度要求高的地区应该减小避雷针的保护角。同时为了避免雷电流入地时可能对周围物体造成反击，避雷针与建筑物、构筑物、电气装置之间的空气和地中均应保持一定距离，不同文献上规定不同。这是各文献的可靠性不同而要求的距离不同。在雷电流通过独立避雷针、建筑物、构筑物时，产生的反击过电压是和雷电流幅值、陡度、引下线波阻抗和接地装置的接地电阻有关。在一定的耐雷水平下，间隙距离（Sk和Sd）基本上与冲击接地电阻以及校验点对地高度h成正比。一般Sk和Sd可按式（6-1）、式（6-2）计算，但Sk和不宜小于5m,Sd不宜小于3m,（9-1）,Sk0.12Ri+0.1h(9-1)Sd0.2Ri(9-2)式中Sk避雷针与被保护物空气中的间隙，m；Sd避雷针与被保护物地中的间隙，m；Ri避雷针冲击接地电阻，；h地面上避雷针校验点高度，m接闪器通过引下线将雷电流安全的导引入地,引下线通过的电流会有直流也会有交流，大家知道，导线对不同的电流其阻抗是不同的其压降也就不一样，这就是引下线的地电位差问题。接闪器应设置专用雷电流引下线，材料宜采用40毫米乘以4毫米的镀锌扁钢。以50mm2的铜缆为例，直流电阻R仅为0.3m/m；但对雷电高频脉冲来说则电感L(包括自感和互感)显得很大达到1-1.5H/m假如波形为8/20s电流峰值I为10kA雷电流通过该地线。则每米引下线上压降为UU=IR+Ldi/dt(9-3)=(10*103)*(0.3*10-3)+(1*10-6)(10*103)/(8*10-6)=3+1250=1253V/m,从上面计算分析可知在引下线上会因雷电流的通过而产生较大的电位差可能会引起反击，因此必须采取措施予以限制。引下线数量不得少于两根，并应沿建筑物四周对称均匀的布置,引下线间距、焊接长度材料规格也必须符合要求,引下线应与各层均压环焊接。同时为了引流和分流的需要机房内各种电缆的金属外皮、设备金属外壳、和不带电的金属部分、各种进出机房建筑的金属管道、金属进风道、走线架、以及各种设备的接地均应以最短距离与每层楼的接地母线连接，每层楼的接地母线均应与多根接地引下线连接。对于框架结构的建筑物,宜利用建筑物内的柱钢筋作为防雷引下线，把柱、梁、板的钢筋连接起来,这样可以形成人们常常所说的法拉第网。对于和微波塔上设备相连接的电源线、信号线等通道，为防止雷电波沿此类通道侵入微波站。应采用金属外皮电缆或将导线穿入金属管，金属管或金属外皮应在上下两端与塔身相连，并应水平平直埋入地中10m以上才能进入配电屏或机房。912感应雷的防护如果雷电不是直接击到微波塔上、而是击中附近的物体，由于电磁感应也会在微波通信系统的各种回路中感应出很高的感应电压。为了减小雷电电磁感应的电磁干扰，应对微波通信系统采取有效的屏蔽措施。微波站防雷中常用的屏蔽措施有：,（1）机房的屏蔽。现行微波站防雷规程规定：通信机房及调度综合楼的建筑钢筋，金属地板构架等均应相互焊接，形成等电位法拉第笼。如设备对屏蔽有较高要求，则机房四周都应装设金属屏蔽网。（2）信号线和电源线的屏蔽。所有信号线（不论室内和室外）都必须屏蔽，架空电力线在进入机房前必须改为屏蔽或穿铁管，屏蔽（或铁管）的两端都应可靠接地。不论信号线还是电源线在进入机房时，还需进一步采取分流措施。措施是水平埋地10m以上，埋入深度应大于0.6m。屏蔽层外有铠装者，铠装两端接地；无铠装者，穿铁管，铁管两端接地。图92可以说明为什么必须两端接地及埋地的作用。（3）2GHz微波站天线同轴电缆的屏蔽作用。按等电位要求，天线电缆的屏蔽至少应在塔顶、进入过线桥及机房内三点接地。雷击微波塔时，天线电缆外皮中流过雷电流，此电流在芯线及外皮间产生感应电压。据试验结果，天线馈线引入部分流均占总电流的7%。除此之外，还有塔灯电源的屏蔽。塔灯电源的屏蔽。塔灯电源线必须用屏蔽电缆穿入铁管中，铁管各段必须连接良好，屏蔽或铁管两端接地，进入机房前水平埋地10m以上，埋入深度应大于0.6m。,图92信号线的屏蔽,（a）屏蔽层一端接地对低频磁场不能屏蔽，微波塔落雷，地电位升高，用户设备可能反击；（b）屏蔽层两端接地，对电场、磁场都可屏蔽；（c）屏蔽电缆穿入金属管埋地，分流屏蔽中电流小，引入的干扰小。913线路侵入波的防护微波通信系统通过电力线路、通信线路和外部系统相连，这些进出微波通信站的活动在雷电活动时会成为雷电侵入微波通信系统的重要途径，可能对站内设备造成危害，需要采取相应的措施进行防护。微波站电力变压器高压侧的三根相线，应分别就近对地加装氧化锌避雷器；电力变压器低压侧的每根相线应分别就近对地加装氧化锌无间隙避雷器。变压器的机壳、低压侧的交流零线，以及与变压器相连的电力电缆的金属外护层，应就近接地。进入微波站的低压电力电缆的长度应不小于50m，其三根相线及零线在进入交流屏之前，应分别对地加装氧化锌无间隙避雷器或其他可靠防雷器件，屏内交流零线不作重复接地。微波站电力变压器不宜与微波机房在同一建筑物内，若其安装在机房内时，高压电力电缆长度应不小于200m，在与架空电力线的接头处，电缆金属外护层应就近接地，电缆内三根相线应分别对地加装氧化锌避雷器。,当电缆埋设于年雷暴日超过20天，大地电阻率超过100欧米的地段时，应在电缆上方埋设屏蔽线。微波站的架空高压电力线路，其进站端上方宜设架空避雷线，长度为300-500m。避雷线的保护角应不大于25o避雷线(除终端杆外)宜每杆作一次接地。为确保安全，宜在避雷线终端杆的前一杆上，增装一组氧化锌避雷器。若已建站的架空高压电力线路防雷改造采用避雷线有困难时，可在架空高压电力线路终端杆、终端杆前第一、第三或第二、第四杆上各增设一组氧化锌避雷器，同时在第三杆或第四杆增设一组高压保险丝。避雷线与避雷器的接地体，应设计成辐射形或环形。微波站的交直流配电设备及电源自动倒换控制架，应选用机内具有分级防雷措施的产品，即：交流屏输入端、自动稳压稳流的控制电路，均应有防雷措施；直流屏的输出端应有浪涌吸收装置。在雷害严重的地区应考虑采用隔离变压器，同时在隔离变两侧加装避雷器，对于比较重要的枢纽微波站应配备自备发电机、UPS等备份电源。为防止雷电波沿电话线路侵入站内，应加装压敏电阻或浪涌吸收器进行保护，也可以用放电管进行保护。914接地电阻值微波中继站地网的工频接地电阻值应不大于10欧；微波枢纽站地网的工频接地电阻值应不大于5欧。无源中继站地网的工频接地电阻值为20-30欧。架空电力线与电力电缆接口处的保护接地以及电力变压器保护接地的接地电阻值应不大于10欧。架空电力线上方的避雷线及增装在高压线上的避雷器的接地电阻值，其首端(即进站端)应不大于10欧，中间和末端应不大于30欧。,第二节市话通信的防雷保护,市话通信局（站）设备防雷都是以防止雷电波沿局外线路侵入为主，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时一步下降，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100200m，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。因此市话通信系统的雷电防护应将重点放在市话通信线通道和以交换机为代表的敏感设备上。通信传输通道信是通信系统中的一个非常重要的组成部分，通信传输有多种手段，主要以有线通信传输为主。在通信网络中，通信电缆纵横交错，架空电缆、直埋电缆、套管敷设电缆都随处可见，由户内延伸到户外或由户外引入室内，雷电磁脉冲能够在传输线路及其回路中感应暂态电压，而与传输线路相连的通信设备中的电子电路绝缘低，电子元件耐压低，容易受到损害或击坏。因此，应对通信信号线路做好防雷保护措施。,921户外通信线路防雷保护通信明线线路对雷电的防护主要是采取“避”、“挡”、“放”的方法。“避”就是用终端架空地线避雷,“挡”就是用分级保护挡雷,“放”就是终端杆安装放电器,泄放雷电流。架空地线是架设于终端杆(250m)以内的线路上方,并在每根杆进行接地,在有分级保护的电杆可以不接地,接地电阻应小于5。架空地线的作用,就是把雷电引入自身并泄入大地,保护引入电缆和终端设备。分级保护装设作用是把远方的雷电沿架空明线向终端传来时,通过分级保护逐步放电,将雷电压幅值逐级减小,从而起到阻挡的作用,减轻了雷电对终端杆设备的威胁。通信电缆线路雷电防护。通信电缆对雷电的防护,应根据电缆铺设地段年平均雷暴日数、雷电强度、土壤电阻率、电缆品质因素和地理环境等确定。一般防雷措施有:地下直埋电缆每隔2km需做防雷地线。防雷地线用钢绞线垂直电缆铺设方向引伸出15m以远,另一端要与电缆铠装钢带、电缆铅护套焊实。钢钎入地点的接地电阻率应小于5m,当土壤接地电阻率大于100m时,接地电阻可为10。做跨接线。每个电缆接头处都须做跨接线,可用5根1.2mm2铜线绞合而成,两端分别焊于电缆接头两侧的电缆钢带上,中间焊于电缆套管中央。它可以减少电缆外皮电阻,避免雷电流使钢带与电缆外皮产生跳弧击穿。,做横连线。凡有几条电缆同沟铺放在一起时,一般应在每850m左右处用3股1.2mm2铜线横连所有电缆。若接头不在一起,其它电缆须切开口连接,须把钢带和铅护套处理净后焊在一起。电缆横向互连,可以共同抵御雷击。做防雷线。在雷电严重的地段,应在直埋电缆上平行铺放镀锌钢绞线,称为防雷线。其作用是遭雷击后能分流一部分雷电流,同时具有降低地中电位梯度的功能,减少直接落雷的可能性。消弧线。通信电缆与孤立电杆、高耸建筑物、孤立大树应保持一定距离。若地下电缆距离单棵大树、电杆、高塔、过近时,可用消弧线方法防雷。消弧线用两根钢绞线埋于电缆和大树等物体中央,一根埋深与电缆埋深相同,另一根埋于电缆埋深的1/2处,成半圆形埋于大树等物体周围,消弧线两端要用地线钎子接地。若大树离电缆近,且该处土壤电阻系数又大,消弧线难起到应有防雷作用时,可把该处电缆改成塑料护套电缆,电缆长度应超出大树根等物体两侧20m以外。922户内通信线路防雷保护对于内部的通讯线路常用浪涌吸收器对室内线路进行保护，常用的浪涌吸收器主要有以下几种:(1)气体放电管：气体放电管受到瞬态高能雷电冲击时，能以l0-6s量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数kW的浪涌功率。(2)压敏电阻：受到瞬态高能量雷电冲击时，压敏电阻可以10-9s量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数kW的浪涌功率。,(3)抑制二极管：有更高的电流导通能力，受到瞬态高能量雷电冲击时，它能以10-9s量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数kW的浪涌功率。(4)RC电路：RC浪涌吸收电路的吸收速度和所选择元件的参数有关，它的主要特点是频率特性好，即具有滤波特性。(5)光电隔离技术：即用光纤传输来防雷电，由于光信号不受电磁干扰的影响，因此，对通信传输防雷也可利用光纤。(6)隔离变压器：有的传输通道可在不影响通信功能下，在两端加装隔离变压器，以隔离浪涌电流对通信设备的危害。(7)选用带有屏蔽层的电缆或将电缆穿放在金属套管里而，将屏蔽层和金属套管良好接地，使感应电流不再经过信号线，而是经过屏蔽层或金属套管落地，尽可能减少浪涌电流对通信设备的影响。923交换机的防雷保护市话通信系统中敏感设备多，交换机以其价格昂贵、影响范围广雷击损坏造成的损失和影响大。以交换机作为市话通信系统的敏感设备的代表作雷电防护分析具有很好的代表性和实际意义。根据国际电工委员会IEC1312-1雷电电磁脉冲的防护的有关规定,把建筑物划分为4个区:LPZOA区,在本区内的物体都可能遭到直接雷击,区内电磁场没有衰减;LPZOB区,在本区内的物体不可能遭到雷击,区内电磁场也没有衰减；LPZ1区,在本区内的物体不可能遭到直接雷击,区内的电磁场有可能衰减；LPZ2区为后续防雷区。根据以上分区原则,应尽可能把程控交换机放在LPZ2区,以减少雷电电磁脉冲对交换机的影响。,对交换机等作电位连,减少防雷范围内各种金属部件和系统之间的电位差。对穿过各防雷区交界的金属部件和系统,以及在一个防雷区内部的金属部件和系统,都应在防雷区等电位。如在防雷区LPZO和LPZ1交界处的等电位连接带上,将所有进入交换机房的金属导体都应做等电位连接。此外,这些线路在LPZ1和LPZ2交界处应安装SPD。数字程控交换机房的接地包括:直流电源接地；电信设备机壳或机架屏蔽接地；进入机站通信电缆的金属护套或屏蔽接地；明线或电缆入站避雷器接地和信号电缆空线对的接地等。为做好程控交换机的接地,有些单位单独为程控交换机做了一副人工地极,地极的接地电阻也符合规范的要求,但是人工接地极和大楼的防雷接地由于受场地的限制不足20m。为解决上述问题,通常的做法是把程控机的所有接地与全站共用的通信接地装置相连,然后再把共用接地装置与大楼的防雷接地相连,做成合设接地极。采用合设接地极后,通信设备的接地装置需采用专用的接地干线,干线的截面积不小于25mm2的多股铜线。目前,交换机的传输网络在室外是采用架空和埋地两种方法。其中架空线缆应把电话线或电缆在进入机房前埋地,埋地长度2(为接地电阻的电阻率,单位是.m),实际长度50m。而埋地电缆一般是采用金属铠装电缆直接埋地,或非金属屏蔽电缆穿金属管直接埋地。从避雷角度来讲,在有条件的情况下入室电缆应选择埋地方式。程控交换机的传输网络在室内应沿专用的信号电缆槽布线,避免沿大楼结构柱或紧贴外墙敷设；强弱电电缆不宜同槽敷设,以减少干扰。,加强交换机的屏蔽(包括空间和线路屏蔽)除了信号线和电源线外,交换机房也应作屏蔽处理,具体做法是把金属门、窗、天花龙骨和防静电专用地板接地。在电源方面,应采用三级分流限压措施,以把雷电电磁脉冲幅值减到最小。因此,第一级设在主配电房的低压部分,安装40KA的电源避雷箱；第二级设在楼层的电源箱,安装20KA的电源避雷箱；第三级设在交换机房的电源开关处,安装10KA的电源避雷箱,或在UPS前安装一级电源避雷箱。在信号方面,也应采用分流限压措施。首先在中继线和用户线分别安装性能可靠的程控交换机避雷器,在交换机和计费终端之间安装网络避雷器。924接地系统通信大楼防雷接地系统设计应遵循国家规范建筑物防雷设计规范GB50057-94及原邮电部颁行业标准电信专用房屋设计规范YD5003-94。高度接近100m及100m以上的通信楼，按第一类防雷建筑物设防；其余的通信建筑按第二类防雷建筑物设防。建筑物的防雷接地系统通常由接地体、引下线、接闪器及均压网组成。1接地体接地体一般利用大楼本身基础作为自然接地体。当大楼基础为桩基时，将外圈桩基钢筋用404的镀锌扁钢或8镀锌钢筋闭环联成一体，并使之形成网格状的均压带。当大楼基础为其他基础时，将外圈基础钢筋用404的镀锌扁钢或8镀锌钢筋闭环联成网状，作为接地体。对于系统中的垂直接地体，宜采用长度不小于2.5m的镀锌钢材、硅酸盐水泥包封电极或石墨电极。接地体埋深不小于60cm。在寒冷地区应埋在冻土层下面。接地体应避开埋设在污水排放和土壤腐蚀性强的地段，当难以避开时应采取防腐措施。,2接地引线和接地汇集线接地引线采用404或505的镀锌扁钢。接地引线不宜与暖气管道同沟布放，且出土部分应有防机械损伤的措施。接地汇集线可用接地汇集排或汇集环。汇集环安装在地下室或底层，距墙面为50mm左右，汇集排安装在电力室。不同的金属材料互连时应防止电化学腐蚀，接地线不得使用铝材。接地汇集线的截面积应根据最大故障电流确定，一般不应小于120mm2或相同阻值的镀锌扁钢。3接地电阻值综合通信大楼的接地电阻值不宜大于1欧姆。当楼内通信设备有更高的要求时或临近有强电磁场干扰，而对接地电阻提出更高要求时，应取其中的最小值作为设计依据。,第三节通信系统的电源保护,通信系统电源系统应有良好的防雷措施，并要严格按照移动基站防雷与接地设计规范和通信局(站)电源系统总技术要求以及有关电源系统防雷与接地规范要求安装。进入基站的低压电力电缆宜从地下引入机房，其长度不宜小于50m,(当变压器高压侧已采用电力缆时，低电侧电力电缆长度不限)；电力电缆在进入机房交流屏处应加装避雷器，从屏内引出的零线不作重复接地；出入基站的所有的电力线均应在出口处加装避雷器；基站供电设备的正常不带电的金属部分，避雷器接地端均应作保护接地，严禁作接零保护的基站电源设备应满足相关标准。根据通信局(站)电源系统总技术要求规定，通信局(站)的供电方式为“县以上城市各种通信局(站)宜采用10kV高压市电引入，并采用专用变压器供电,采用三相五线制供电方式。”即进入机房的供电线有3根相线、1根零线(中性线)和1根地线(保护地)。变压器低压侧的交流零线就近接地，在机房内零线与地线隔离分开。当三相交流电处于完全平衡理想状态时，零线电流为零，零线与地线电位一致；当三相交流电不平衡或出现缺相时，零线上出现电流，并对地产生电位差。移动通信基站常用的配电系统为TN系统和TT系统。9.3.1TN系统的防护TN系统分为TN-C-S系统和TN-S系统。,（2）TN-S系统。在变压器低压侧,N线同PE线相连并与联合地连接,以后的供电电路中N线与PE线是分开的,因此接入交流配电屏后,相线对PE线、N线对PE线需安装电源避雷器。如果保护接地点与变压器地网相互连通,TN系统宜将各相保护器直接对地连接,相线及中性线分别对地加装限压型SPD。9.3.2TT系统的防护TT系统中,除变压器的中性点接地外,N线自始至终都与地绝缘(保护器接地点与变压器地网不连通时),因此配置电源避雷器时需要相线对N线、N线对PE线之间进行保护。TT系统需装设3个限压型SPD和1个间隙型组合的3+1SPD。（1）电源系统一级过电压保护：在低压电力电缆引入机房入口处配置60120kA的氧化锌SPD，其主要用途是拦截由供电线路直接进入的雷电过电压。（2）电源系统二级过电压保护：电源系统二级过电压保护器通常采用40kA的氧化锌SPD,一般安装在电源柜内的电源入口处。它的主要作用是降低一级过电压保护后的雷电残压。一般可使用32A空气开关作保护,对TN系统宜采用四氧化锌模块对地连接,对TT系统宜采用3+NPE的连接方式。（3）电源系统的三级保护直流电源的保护：,直流过电压保护器一般安装在直流屏、直流配电盘内,多采用1015kA的氧化锌SPD,并串接16A空气开关作保护。其主要作用是防止直流线路上的雷电感应,消除地网电位不平衡的影响。在直流保护器的安装过程中要充分做好绝缘保护,以免发生短路。根据移动通信基站所在地区、供电方式、雷暴强度及雷暴日的大小来确定SPD的容量配置。SPD冲击通流容量要求是(kA)/每线的指标,如果厂商说明书上的冲击通流容量指标是整个SPD几相之和的虚拟量,则起不到保护作用,而且自身也会遭到损坏。多级雷电过电压保护与安装方式有密切关系,应尽可能缩短电力线与SPD的连线和SPD与接地汇接板连线的长度。当两极雷电过电压保护均采用限压型SPD,则两极之间的电缆连线距离应大于5m;当第一级雷电过电压保护采用间隙型SPD,第二级雷电过电压保护采用限压型SPD,则两极之间的电缆连线距离应大于1015m。由于间隙型SPD的残压极高,动作时间较慢,移动通信基站不宜使用。多级保护可以逐步减小残压,因为前级雷电过电压保护已将大部分雷电流泄放入地,后级的雷电过电压保护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。为保证雷电过电压保护由前到后顺序泄放,SPD的动作电压应是后级低于前级。,第四节移动通信基站防雷保护,移动通信迅猛发展，遍及每个角落，移动通信基站正常运行是移动通信的关键。移动通信基站设备是集成化较高的微电子设备，其耐冲击能力差，雷电引起的过电压，感应雷过电压、地电位反击是造成设备烧毁的主要原因。为使移动客户获得良好的通信效果，规范移动通信基站防雷接地保护系统的连接方式，整治基站遭受雷电过电压、感应雷过电压、地电位反击的危害，应作为提高移动通信网络运行维护质量研究的重点。移动通讯基站和微波站、市话通信局一样都要进行包括防直击雷、防雷电感应国电压、防感应雷电波沿各种线路侵入、防地电位反击以及操作瞬间过电压影响等整体防护，因而可以采取相同的措施。但移动基站的防雷又有自己的特点：移动基站站点多分布范围广。移动通信基站可以根据站址位置分为市区站与郊区站。市区站多选用民用建筑为机房,在房顶安装移动通信天线或建轻型楼顶塔；郊区站多为建在郊区或山上的自建机房与铁塔。移动通信基站为通信电源最恶劣的应用环境，高耸的铁塔及远距离的供电线路都会成为雷击的目标。因此移动通讯防雷的重点在于在不同的周围环境中因地制宜的布置防雷措施。9.4.1移动通信基站的防雷防护一、移动通信基站的防雷防护措施,1、联合接地网的组成通信系统接地网应按照均压、等电位的原理，将工作地，保护地和防雷地组成一个联合接地网。站内各类接地线应从接地汇集线或接地网上分别引入，一般通信系统联合地网由机房地网，铁塔地网和变压器地网组成，接地网的组成如图所示。基站地网应充分利用机房建筑物的基础(含地桩)，铁塔基础内的主钢筋和地下其他金属设施作为接地体的一部分。当铁塔设在机房房顶，电力变压器设在机房楼内时,地网可合用机房地网。,图93移动通讯基站接地网示意图,机房地网组成：机房地网应沿机房建筑物散水点外设环形接地装置，同时还应利用机房建筑物基础横梁、竖梁内两根以上主钢筋共同组成机房地网。当机房建筑物基础有地桩时，应将地桩内两根以上主钢筋与机房地网焊接连通。当机房设有防静电地板时，应在地板下围绕机房敷设闭合的环形接地线，作为地板金属支架的接地引线排，其材料为铜导根截面积为50-75mm2，并从接地汇集线上引出不少于二根截面积为50-75mm2的铜质接地线与引线排连通。对于利用商品房或民用建筑作机房的通信基站，应尽量找出建筑防雷接地网或其他专用地网，并就近再设一组地网，三者相互在地下焊接连通，有困难时也可在地面上可见部分焊接成一体作为机房工作地，保护地和铁塔防雷地。工作地及防雷地在地网上的引接点相互距离不应小于5米，铁塔尚应与建筑物避雷带就近两处以上连通。铁塔地网的组成：当通信铁塔位于机房旁边时，铁塔地网应延伸到塔基四脚外1.5m远的范围,网格尺寸不应大于3m乘以3m，其周边为封闭式，同时还要利用塔基地桩内两根以上主钢筋作为铁塔地网的垂直接地体，铁塔地网与机房地网之间应每隔3-5m相互焊接连通一次,连接点不应少于两点.当通信铁塔位于机房屋顶时，铁塔四脚应与楼顶避雷带就近不少于两处焊接连通，同时宜在机房地网四角设置辐射式接地体，以利雷电流散流。,变压器地网的组成：当电力变压器设置在机房内时，其地网可合用机房及铁塔地网组成的联合地网；当电力变压器设置在机房外，且距机房地网边缘30mm以内时，变压器地网与机房地网或铁塔地网之间，应每隔3-5mm相互焊接连通一次(至少有两处连通)，以相互组成一个周边封闭的地网。当地网的接地电阻值达不到要求时，可扩大地网的面积，即在地网外围增设1圈或2圈环形接地装置。环形接地装置由水平接地体和垂直接地体组成，水平接地体周边为封闭式,水平接地体与地网宜在同一水平面上，环形接地装置与地网之间以及环形接地装置之间应每隔3-5m相互焊接连通一次；也可在铁塔四角设置辐射式延伸接地体，延伸接地体的长度宜限制在10-30m以内。2、接地体材料接地网对于通信系统有十分重要的意义，其作用是把各种故障电流顺利的泄入大地为站内设备提供参考电位。接地网性能主要依赖3个因素:组成接地网的导体物理特性(外形、尺寸、材料)、上壤模型和故障电流的特性。其中，土壤参数随变电站的位置而定（不考虑季节影响），故障电流具有随机性难以控制，接地网的材料特性便于控制。目前欧美各国广泛采用铜材作为接地网材料，而我国除一些引进的工程项目采用铜材接地网外，其它大都采用热镀锌钢材。,接地体采用热镀锌钢材，其规格要求如下：钢管直径50mm，壁厚不应小于3.5mm。角钢不应小于5050mm乘以5mm扁钢不应小于40mm乘以4mm。垂直接地体长度宜为1.5-2.5m，垂直接地体间距为其自身长度的1.5-2倍。若遇到土壤电阻率不均匀的地方，下层的土壤电阻率低，可以适当加长。当垂直接地体埋设有困难时，可设多根环形水平接地体，彼此间隔为1-1.5m，且应每隔3-5米相互焊接连通一次。在沿海盐碱腐蚀性较强或大地电阻率较高难以达到接地电阻要求的地区，接地体应采用具有耐腐,保湿性能好的非金属接地体。接地体之间所有焊接点，除浇注在混凝土中的以外，均应进行防腐处理。接地装置的焊接长度:对扁钢为宽边的2倍，对圆钢为其直径的10倍。在寒冷地区，接地体应埋设在冻土层以下。接地线和接地引入线接地线宜短直，截面积为35-95mm，材料为多股铜线。接地引入线长度不宜超过30m，其材料为镀锌扁钢，截面积不宜小于40mm乘以4mm或不小于95mm2的多股铜线。接地引入线应作防腐，绝缘处理，并不得在暖气地沟内布放，埋设时应避开污水管理和水沟，裸露在地面以上部分，应有防止机械损伤的措施。接地引入线由地网中心部位就近引出与机房接地汇集线连通，对于新建站不应少于两根。接地汇集线接地汇集线一般设计成环形或排状，材料为铜材，截面积不应小于120平方毫米，也可采用相同电阻值的镀锌的扁钢。机房内的接地汇集线可安装在地槽内，墙面或走线架上，接地汇集线应与建筑钢筋保持绝缘。,3、接地电阻的要求通信系统对接地电阻有严格的要求，根据YDJ26-89通信局(站)接地设计暂行技术规定基站地网的接地电阻值应小于5欧姆，对于年雷暴日小于20天的地区，接地电阻值应小于10欧姆。架空电力线与电力电缆接口处的保护接地以及电力变压器(一般均100KVA以下)保护接地的接地电阻值应小于10欧姆。架空电力线上方的避雷线及增装在高压线上的避雷器的接地电阻值，其首端(即进站端)应小于10欧姆,中间或末端应小于30欧姆。943各种接地系统的注意事项（1）铁塔上安装移动基站馈线的防雷接地铁塔上架设的移动通信基站馈线、同轴电缆金属外护层,应在上下端及进入机房入口处外侧就近接地,在机房入口处的接地应就近与地网引出的接地线妥善连通;当铁塔高度大于等于60m时(馈线及同轴电缆长度大于60m时),其屏蔽层宜在铁塔的中间部位增加一个与塔身的接地连接点,室外走线架始末两端均应和接地线、避雷带、地网焊接。（2）房顶立轻型楼顶塔的防雷接地对于利用办公楼、宾馆、高层建筑和居民楼作为移动通信基站机房,铁塔位于机房顶时,铁塔四脚应与楼顶避雷带或在楼顶的避雷网预留的接地端不少于两处焊接连通,以及与建筑物楼顶的各类可能和大地构成回路的金属管道连通,同时宜在机房地网四角设置辐射式接地体,以利雷电流散流。,（3）民用建筑物内的基站接地系统移动通信基站地网的概念在民用建筑中是不可能存在的,民用建筑本身的防雷接地仅利用建筑物内的金属构件和基础内的钢筋作为防雷接地系统,但作为雷电流引下线柱内的主钢筋并非要求焊接,因此将建筑物本身金属构件作为惟一的接地系统是不可靠的。应在此基础上另设一个辅助接地系统,2个接地系统焊接为一体,才可保证移动通信基站接地系统的可靠性。如可根据基站环境条件,在建筑物的一侧地下设一组接地体与建筑物立柱牢固焊接;或将机房内所有的立柱主钢筋焊接连通,作为基站的接地系统。若基站选在办公楼或大型建筑内,由于建筑筋混凝土基础埋地较深,与大地的接触面积大,因此可充分利用建筑物的防雷接地系统,尽可能与和大地构成回路的金属管道及大楼顶避雷带上或避雷网预留的接地端多次焊接连接。可能的情况下,敲开几根柱子的混凝土保护层,将钢筋与大楼顶避雷带或避雷网预留的接地端牢固焊接,作为基站的接地系统。（4）郊区基站的接地系统建在郊区、山区的独立机房的地网应采用环形接地网的方式。环形接地网围绕铁塔和机房一圈,并分别与铁塔基础多处牢固焊接,机房接地引接点应在远离铁塔的一侧。如果大地的电阻率较高,则再在地网四角采用辐射型接地体(辐射型水平接地体周围采用液状长效降阻剂处理),944移动基站的综合布线（1）进入移动通信基站的低压电缆应全程埋地引入,埋地长度不小于15m,埋地深度不小于0.7m。（2）引入电缆规格要求选用ZR-RVV22-525(100m以内),或ZR-RVV22-525(100m以上)。（3）铠装电缆的金属护层两端应就近与地网焊接。（4）电缆走线要求有良好观感,并设置标识,电缆在建筑物强电井内可以直接敷设,在机房楼内可敷设在走线架上。（5）电缆在建筑物外墙要穿PVC管保护,穿墙时要做护套,穿墙洞口须做放火、防水封堵。,图94移动通信塔下基站及杆塔基站示意图,图95移动通信塔下基站及杆塔基站防雷接地示意,与室外地网相连接。机房内接地汇集排在地网上的引接点、馈线与室外地网相连点、雷电流引下线在地网上的引接点等各点间保持大于5m以上的距离与地网焊接。4各种接地系统的注意事项（1）铁塔上安装移动基站馈线的防雷接地铁塔上架设的移动通信基站馈线、同轴电缆金属外护层,应在上下端及进入机房入口处外侧就近接地,在机房入口处的接地应就近与地网引出的接地线妥善连通;当铁塔高度大于等于60m时(馈线及同轴电缆长度大于60m时),其屏蔽层宜在铁塔的中间部位增加一个与塔身的接地连接点,室外走线架始末两端均应和接地线、避雷带、地网焊接。（2）房顶立轻型楼顶塔的防雷接地对于利用办公楼、宾馆、高层建筑和居民楼作为移动通信基站机房,铁塔位于机房顶时,铁塔四脚应与楼顶避雷带或在楼顶的避雷网预留的接地端不少于两处焊接连通,以及与建筑物楼顶的各类可能和大地构成回路的金属管道连通,同时宜在机房地网四角设置辐射式接地体,以利雷电流散流。（3）低压电缆引入时的防雷接地,依照移动通信基站防雷与接地设计规范要求,移动通信基站的交流供电系统应设置专用电力变压器,采用三相五线制供电方式。由于移动通信基站用电负荷小,容量要求约20kW,故许多移动通信基站没有专用配电变压器,采用380V低压电缆直接引入。（1）进入移动通信基站的低压电缆应全程埋地引入,埋地长度不小于15m,埋地深度不小于0.7m。（2）引入电缆规格要求选用ZR-RVV22-525(100m以内),或ZR-RVV22-525(100m以上)。（3）铠装电缆的金属护层两端应就近与地网焊接。（4）电缆走线要求有良好观感,并设置标识,电缆在建筑物强电井内可以直接敷设,在机房楼内可敷设在走线架上。（5）电缆在建筑物外墙要穿PVC管保护,穿墙时要做护套,穿墙洞口须做放火、防水封堵。,第十章、高层建筑物防雷保护,第一节雷电流的效应10.1.1沿导线的电位降雷电引入高电位是指直击雷或感应雷从输电线、通信电缆、无线电天线等金属的引入线引入建筑物内，发生闪击而造成的雷击事故。这种事故的发生率很高，而且事故往往又比较严重。当雷电流通过接地引下线时，在导线的周围产生电磁场并沿着导线产生一电位降(图101).在单位时间内单位导体长度上的这种电位降可以下式表示:,它由传播速度V=300米/微秒及波头陡度为di/dt的电流所产生。波阻抗Z约为300至500欧。根据以上的数值，对陡度为1千安/微秒的雷电流来说，沿导线的电位降约为1至1.7千伏/米。,图101沿引下线的电位降,i-雷电流;Ui-电位降;DC-引下线，其波阻抗为Z，电感为L，电阻为R,换言之，防雷装置可用一个集中元件的电路来代表。沿导线的电位降为:,式中L为导线的电感，R为其有效电阻。长导线的电感约为1至1.5微亨/米，由此可知，对于陡度为1千伏/微秒的雷电流来说，其电感电位降约为11.5千伏/米，在波头的持续时间内导线上的欧姆电压降微不足道。在截面为50毫米的铜导线上，电压降仅为0.36伏/米*千安，而在同截面的钢线上则为3.4伏/米*千安。以测量到的最大雷电流陡度为100千安/微秒来计算，在10米长的单根引下线上电感电压降约为11.5兆伏。但这一高电压只出现于雷电流波头存在的一瞬间，为时也不过1微秒或更短。由于电晕损耗，这一电压将进一步降低。如果使雷电流分布在几条并联的引下线上，由于每根引下线上的电流陡度系按并联导线的跟数成反比减小，所以感应电压降将大为减低。这一关系只适用于根数不多而长度相近的并联引下线。然而，即使把无限数目的导线沿圆周排列在一起，它的感应电压降也只是稍稍减小一些而已。,10.1.2接地极本身及其附近的电位降当雷电流i通过接地极而流入大地时在如地点和大地远处某一点之间将产生一电位降。,式中L为接地极的有效电感，R为其相对于真正零电位面的欧姆电阻同形式接地极的有效电感可以忽略不计。对于较长的接地极要考虑地极的电感，但长度再长时须视为波阻抗，在电阻率很高的土壤中，单根长接地极或网形接地装置，则电感的影响也可以忽略。接地欧姆电阻并不影响建筑物本体的保护，但是它控制着沿周围地面的电位降。离接地极越远，所造成的跨步电压越低。将不同直径的环形接地极埋于不同的深度，可以把跨步电压限制在安全的水平。为了把建筑物入口处的跨步电压减小到最低值，可以埋设一个接地网在很多场合中可以采用一种简便的措施，铺上厚度至少为20厘米的绝缘层，这绝缘层可用碎花岗石或玄武岩垫底，上面再浇三层厚度至少各为2厘米的沥青，各层沥青间还要称上一层黄麻。,10.1.3感应电压闪电通道上电荷时间的变化产生位移电流并使绝缘的金属物体得以电容性充电。雷电流产生的磁场变化在金属环路中感应出电压和电流。在偶尔的情况下，金属部件P于引下线或某一接地部分间的电场可以增强到发生击穿的程度。与此相比，在金属环路中感生出危险电压的情况要经常得多。但总的来说这种危险值出现于陡度大的雷电流波头部分而持续的时间不会超过1至2微秒。感应电压的大小于环路的尺寸及距离雷电流通过的导线远近有关。如图102所示：,图102雷电流的电感效应,i雷电流；U引下线的电压；DC引下线；P对地电容为Ce，对引下线电容为Cg的孤立的金属部件；Uc-UCe/(Ce+Cg)在P上的电容性感应电压；L与引下线之间的互感为M的金属环路；UiM(di/dt)电感性感应电压.如图103所示的是另一种形式的环路。它是由距离引下线DC中心某一a处的一根金属导线B所构成。导线B可以是绝缘的或可与引下线DC分开接地。流经引下线的雷电流i，对每千安/微秒的电流陡度，在沿半径为r的引下线DC方向上，宽度为a，长度为1米的环路所感生的电压为:,图103相邻金属部件间的电压,AT-接闪装置；DC引下线；E接地极；BP等电位连接线；AD间隙；B，C为相邻的平行导体；a环的宽度当环的宽度a为1米或更大一些时，感应电压U可达到引下线电位降U1的数值，约为1至1.7千伏/米千安/微秒。当引下线的直径增大时，例如采用钢管，则感应电压将显著降低。同样，将电缆贴近引下线处，例如在钢柱上，也将降低感应电压。,10.1.4相邻导体间的电位差,在图103中，导体B的上部和引下线DC间的全部电位差为UaUiUe。如前节所述，只在电流的波头部分感应电压可超过1000千伏。相比之下，欧姆电压Ue可保持其峰值至1020微秒或以上。当Re5欧，i80千安时，次电压可达400千伏。然而，在建筑物内欧姆电压的影响可通过电位均衡而消除，以图3所示的导体C来说，可在靠近地面处把导体C和DC连接在一起。,把雷电流分散到几根沿着建筑物四周对称分布着的引下线上，可使相邻导线间的电位差以及引下线上的电压降显著减小。沿建筑物四周分布的引下线于接闪装置和接地极结合起来构成一个笼子，因为雷电流通过时要产生电压降，称为动态笼。每根引下线中泄放的雷电流随总的引下线数目的增加而减少。如把钢结构和钢筋混凝土建筑物内的钢铁部分陡连接成为一体，则可获得很显著的效益而并不增加费用。前面对相邻导体间电压差的计算结果仅仅是近似值。因电流和电压均在随时间和空间变化。电感和电容效应也应该考虑进去。在引下线上有相当大的一部分电位差通过电耦合而传送到了附近平行的导体上去，因此在这些导体之间的电位差就减低了。精确的计算需遵循波传播的规律，即使如此仍有电晕影响的问题存在。,10.2.2引下线为尽可能地减小沿引下线的电感压降，接闪装置必须通过引下线以最短的路径接地。引下线避免形成环路。碰到建筑上大型外伸的凸出物时，要将引下线笔直的穿过去而不要绕着突出物安装。各引下线应沿建筑物合理对称的分布，从房角开始沿屋面边缘而敷设，彼此间的距离应不超过20米左右。小房屋最少也应有两条引下线分布于两个对角上。引下线不应紧靠房门或窗户，至少应保持0.5米以上的距离。如果引下线敷设在壁龛之内或在粗灰泥涂层之下的不易检查之处，则必需有防腐措施。钢架和钢筋混凝土的护板如果已连成一个金属体，则可以当引下线使用。这一措施的优点已在前节中指出。露天的消防扶梯，户外电梯的轨道及金属的门帘等，即使仅伸出几厘米也可作引下线的一部分来使用。可是如果打算使用水落管和其他通风及空调管道时，必须注童查连接处可能有不良接触并要当心这种管子将来可能被换成塑料的。水落管道过掺槽与接闪装置相连，故可做为引下线用。基础大于3030米的建筑物有时需装相距不超过20米左右的内部引下线。建筑物里面的柱子可用于此目的。在不能采用这种措施的地方，例如机场大厅或体育馆，则外部引下线的数目要相应增加。然而引下线之间的距离不必小于10米左右。,10.2.3接地装置导体的电感仅在雷电波波头期间才起作用，在这期间以外，防止接地处出现过大的电位差的最简单的好方法是在建筑物周围埋设闭合的导体环。当建筑物内要装内部引下线以及当公用事业的金属管道要作等电位连接时这种环形接地极可作为中问的联系。这个方法还有一个优点即接地电阻值不再影响建筑物本身和内部装置的保护。大地的电位可借埋设的管线和电缝传到很远的地方。因此对某些电气装置和器件规定了最大的接地电阻值。1.接地装置的接地电阻关于建筑物的接地装置的接地电阻值，应根据建筑物内安装的电气设备、通信设备或其他设备的要求而定。（1）当楼内有重要的计算机系统、微波通信系统或调度自动化系统时，接地电阻值宜小于1，最高不得大于4，接地装置应有降低冲击接地电阻及降低跨步电压的措施。（2）当楼内安装有配电设备或较重要的电气设备时，接地装置的接地电阻不宜大于4，最高不得超过10。（3）若为一般的写字楼、高层家属楼时，接地电阻一般要小于5，最高不宜超过10，接地装置应为环形闭合式，要有均压措施，对跨步电压要有严格的限制措施。,2.接地装置的形式接地装置应围绕建筑物四周做成闭合的环形，每隔35m与建筑物的钢筋混凝土基础连接一次，每隔815m用接地引下线与接闪装置相连。在雷电活动强烈的地区，或建筑物较高时，以及建筑物附近经常有行人走动时，还有如图所示的降低冲击接地电阻的措施和均衡电位分布的措施。,图104高层建筑物的闭合式接地装置,图中均压环1一般距建筑物基础1.5m，并四周做成圆弧状，均压环2距均压环1的距离视场地情况可为510m，放射线是为降低纵向电位分布和冲击接地电阻而设置的，另外在地面还要垫上1530cm厚的砾石和沥青混凝土路面，在高土壤电阻率地区，对均压环和纵向放射线，还可以加高效膨润土降阻防腐剂进行降阻处理，水平接地体的埋深应达到0.81.5m，对接地引下线应从地下与水平接地体连接处刷沥青漆进行防腐处理。仅当被保护的目的物内没有任何金属设施或不需要电位均衡措施的地方，例如像农村中的房屋或遗棚，才允许将每根引下线分别接地。当采用一根单独的接地极时，它必须足以使雷电流散入大地而不致发生沿地面放电。因此这个接地极就应埋得相当深而且必颓有足够的长度。在第十六章中讨论了接地极的型式和尺寸，同时也提到可利用钢筋混凝土的基础做为接地极，但这一基础必须是没有绝缘层包封才行.当建筑物的外墙位于整块混凝土基础上时，埋置在混凝土中的导休可用作接地板。这种导体，一般为镀锌的钢筋，可称之为“基础接地”。它不但安装价廉而最大的优点是不会生锈。当采用这种基础接地时，应使它位于潮湿层，以获得适合的接地环境。,在这种基础中，水泥的数量应不少于300公斤米，而其厚度最少应为10厘米。在不能利用基础接地的地方或基础并不与引下线相联时，应当埋设环形接地网，并使引下线与其相联。这个环形接地网必须离开建筑物约l至2米，其深度至少为0.5