無接地條件的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備防雷方法探討

劉裕城，韓志強(qiáng)

（中國電信股份有限公司廣州研究院 廣州510630）

1 概述

一般情況下，樓房內(nèi)有接地裝置或經(jīng)工程改造后安裝有接地裝置，借助接地裝置，通信設(shè)備防雷可以獲得較滿意的效果。但在工程上，常常遇到樓房內(nèi)無接地裝置，也不可能進(jìn)行工程改造的情況。隨著下一代通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備安裝點(diǎn)增加，這種情況會更多。因此，需要研究無接地裝置的通信設(shè)備防雷方法。

無接地裝置的情況基本有3種：

·樓房是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，有鋼筋混凝土立柱和天面，無接地裝置供使用；

·樓房是磚混結(jié)構(gòu)，無鋼筋混凝土立柱，可能有或無鋼筋混凝土天面，無接地裝置可用；

·無鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，全是磚木結(jié)構(gòu)，在電氣上等同野外情況，也無接地裝置可用。

實(shí)際上，根據(jù)有關(guān)安全要求，后兩種情況必須做好直擊雷防護(hù)的接地處理。在工程上是完全可改造成有接地裝置的，因此，不討論它們的防雷問題，本文只研究第1種情況無接地裝置的通信設(shè)備防雷。

2 雷擊危害

無接地裝置的通信設(shè)備在樓房內(nèi)接線如圖1所示。通信設(shè)備遭受雷擊途徑主要有兩條。

·直擊雷：雷電擊中樓房，通過金屬通路擊中通信設(shè)備。

·感應(yīng)雷擊：雷電過電壓、過電流通過電源線和信號線侵入通信設(shè)備或通過空間感應(yīng)干擾通信設(shè)備。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，感應(yīng)雷擊危害不是主要的，而且危害不大，它可通過線間安裝避雷器（又叫浪涌保護(hù)器（SPD））來解決，相關(guān)規(guī)范已有詳細(xì)規(guī)定，本文不做進(jìn)一步討論。

直擊雷是無接地條件下通信設(shè)備的主要雷害。雷電一般首先擊中樓房頂層天面鋼筋，流過垂直向下的鋼筋（如立柱），鋼筋和通信設(shè)備間產(chǎn)生電壓（稱為雷電過電壓），這一雷電過電壓足夠高后會導(dǎo)致通信設(shè)備與鋼筋間的絕緣擊穿，雷電流侵入通信設(shè)備，并向電源線和信號線傳播。這一強(qiáng)大的雷電流會損壞通信設(shè)備，或引起火災(zāi)，使電源線和信號線產(chǎn)生高電壓，如有人正在操作電腦，而電腦又通過信號線與通信設(shè)備連接時，人員觸及會電死或電傷。如果有接地裝置時，侵入通信設(shè)備的電流可以通過接地裝置排泄，避免危害。

從實(shí)際雷擊現(xiàn)場情況來看，雷擊損壞主要是通信設(shè)備被雷擊中損壞，部分有破裂，而且墻上有雷電擊穿的痕跡，這與上述論述是一致。

當(dāng)然，危害的產(chǎn)生是由于雷電過電壓擊穿了通信設(shè)備與鋼筋間的絕緣，因此，需要研究它們間的雷擊電流電壓特性。

圖1 無接地裝置的通信設(shè)備接線

3 雷擊電流電壓特性

遭受直擊雷時，無接地裝置的通信設(shè)備雷擊原理如圖2所示，圖中i是通信設(shè)備鄰近鋼筋立柱雷電流，I是雷擊樓房的總電流，R為樓房接地電阻，S為通信設(shè)備離雷電流通路（立柱鋼筋）距離。一般來說，像這種無接地裝置樓房，多數(shù)接地電阻較大，地網(wǎng)可能就是鋼筋立柱地面部分。較好的情況是大樓接地電阻小于或等于4Ω。雷電流i=kI，k是分流系數(shù)，k的值為0～1，因?yàn)闃欠靠赡苡卸喔⒅?，流?jīng)通信設(shè)備鄰近的立柱雷電流只是總電流的一部分，實(shí)際情況很可能是k=1，即雷電流只沿著一根立柱入地。

圖2 無接地裝置的通信設(shè)備雷擊電原理

通信設(shè)備與雷電流通路間的雷電過電壓U，即圖2中AB點(diǎn)間電壓，是決定通信設(shè)備是否會受到雷擊侵入的重要參數(shù)。如果電壓U大于AB間擊穿電壓，則會發(fā)生擊穿，雷電流沿AB流入通信設(shè)備。

當(dāng)電源線由室外引入，零線與樓房地網(wǎng)不連接時，如圖2（b）所示，雷電過電壓U=U1：

而一般情況下，無接地條件樓房的IR的數(shù)值遠(yuǎn)大于M（dI/dt）：

當(dāng)電源線零線與樓房內(nèi)地網(wǎng)連接時，如供電變壓器在樓房內(nèi)，雷擊時，如圖2（c）所示，雷電過電壓U=U2：

Mi是電源回路與雷電通路i的耦合電感，Mj是電源回路與除雷電通路i外其他雷電流通路的耦合電感，M1和M2是電源回線與雷電通路的綜合（或叫等效）耦合電感，dI/dt是雷電流對時間的導(dǎo)數(shù)。

圖2中室外信號線現(xiàn)在一般很少用金屬線，如沒有金屬，則不用考慮其影響，如有金屬（如光纜金屬加強(qiáng)芯），雷擊影響如同電源線由室外引入情況。

從上分析可知：

可見電源線由室外引入時，通信設(shè)備與樓房鋼筋間的雷電過電壓遠(yuǎn)大于電源零線與地網(wǎng)連接情況。

同理，圖3是樓房有接地裝置時的雷擊電原理，此時，通信設(shè)備與樓房鋼筋間的雷電過電壓U=U3：

M3是接地回路與雷電通路的綜合（或叫等效）耦合電感，與上述U2同理：

由此也可看出，無接地裝置時，通信設(shè)備與樓房鋼筋間的雷電過電壓較大。

實(shí)際上，無接地裝置情況基本上是電源由室外引入，因此，本文所討論的無接地條件通信設(shè)備所受的雷電過電壓U：

一般情況下，R≥4Ω，取R=4Ω。雷電流I是一個脈沖電流，I是時間函數(shù)，波形和電流幅值都是一個隨機(jī)數(shù)。由于缺乏實(shí)際測量記錄數(shù)據(jù)，現(xiàn)在可供使用的直擊雷電流參數(shù)不多。

我國電力設(shè)備過電壓保護(hù)設(shè)計技術(shù)規(guī)程中，根據(jù)實(shí)際觀察數(shù)據(jù)，給出了直擊雷電流幅值的概率計算式：

P：雷電流大于I的概率；

圖3 有接地裝置的通信設(shè)備雷擊電原理

I：雷電流幅值，單位kA；

可以看出，雷電流大于20 kA的概率約為60%，即如樓房被雷擊中，100次有60次的雷電流幅值大于等于20 kA。

假設(shè)雷擊樓房的雷電流幅值Imax=20 kA，則通信設(shè)備與樓房鋼筋間的雷電過電壓U的最大值Umax：

這一電壓是相當(dāng)高的，一般情況下，足以擊穿通信設(shè)備、電源線和信號線，若擊穿，則雷電流侵入通信設(shè)備，產(chǎn)生設(shè)備損壞和人身安全事故。

從以上分析計算可知，無接地條件的通信設(shè)備雷擊危害主要是：通信設(shè)備與樓房鋼筋間的雷電過電壓。由于這一過電壓數(shù)值較大，必須采取防護(hù)措施。

4 防護(hù)措施

無接地條件的通信設(shè)備雷擊危害主要是通信設(shè)備與樓房鋼筋間的雷電過電壓。防護(hù)措施主要是提高它們間的絕緣耐壓水平，防止雷電過電壓擊穿絕緣將雷電流引入通信設(shè)備。當(dāng)然，防護(hù)水平應(yīng)適當(dāng)，必須做到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理。

防護(hù)原則是：通信設(shè)備、通信設(shè)備的電源線和信號線的絕緣耐壓水平Ut大于室內(nèi)電源線Up。即Ut>Up，考慮到要留有一定裕度，可取Ut=2Up。

雷電過電壓是沖擊電壓（脈沖電壓），Ut和Up應(yīng)該用沖擊電壓耐壓數(shù)值，但在實(shí)際應(yīng)用中，沖擊耐壓數(shù)值不容易獲得，可用工頻耐壓數(shù)值代替，通用民用樓房電源線（380/220 V）工頻耐壓值不超過2 500 V，可取Up=2 500 V。

主要防護(hù)措施如下。

（1）通信設(shè)備

·通信設(shè)備電路對金屬外殼耐壓要達(dá)到上述要求，即Ut≥2Up，外殼最好采用非金屬材料。

·安裝位置：盡量不靠近樓房墻內(nèi)立柱和金屬部分安裝，固定部件，如螺釘，盡量采用非金屬材料。

·通信設(shè)備電源線和信號線接口線間應(yīng)安裝避雷器（浪涌保護(hù)器（SPD））。

（2）電源線

通信設(shè)備連接電源線CD段的耐壓Ut要大于室內(nèi)電源線耐壓Up，Ut≥2Up，可采用加強(qiáng)絕緣電線或套裝塑料管的辦法解決。

（3）信號線

帶有金屬線的室外信號線要加強(qiáng)絕緣或套裝塑料管，光纜應(yīng)采用無金屬加強(qiáng)芯線材。室內(nèi)信號線采用無金屬加強(qiáng)芯光纜或加強(qiáng)絕緣電纜。

5 結(jié)束語

無接地條件的通信設(shè)備主要雷害是設(shè)備與樓房鋼筋間的雷電過電壓，其幅值大于有接地條件，無防護(hù)措施的危害很大。防護(hù)措施主要是加強(qiáng)絕緣，防止雷電過電壓擊穿絕緣將雷電流引入通信設(shè)備。上述防護(hù)措施簡單易行，可在工程上應(yīng)用。建議在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范上增加無接地條件的通信設(shè)備防雷要求。

1 GB/T 21545-2008.通信設(shè)備過電壓過電流保護(hù)導(dǎo)則,2008

2 YD/T2324-2011.無線基站防雷技術(shù)要求和測試方法,2011

3 GB50057-2010.建筑物防雷設(shè)計規(guī)范,2010