鐵路通信綜合防雷系統(tǒng)及其建設(shè)要求

張永毅 上海鐵路局電務(wù)處

雷電的危害一般分為兩類，一是雷電直接擊在建筑物上發(fā)生熱效應(yīng)作用和電動力作用；二是雷電的二次作用，即雷電流產(chǎn)生的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。這兩種危害產(chǎn)生的高電壓、大電流可能會經(jīng)通信系統(tǒng)中的電源、傳輸通道、接地系統(tǒng)、通信鐵塔與建筑物直擊雷防護(hù)系統(tǒng)，以傳導(dǎo)、感應(yīng)的方式損壞通信及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，造成行車通信系統(tǒng)失效，嚴(yán)重時可能會直接威脅鐵路安全。

為了有效的避免這種雷電造成的通信設(shè)備損壞，提高通信設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的運行可靠度，就需要為整個通信系統(tǒng)建立起一套完備的雷電綜合防護(hù)系統(tǒng)（以下簡稱通信綜合防雷），該系統(tǒng)不僅要采取完善的直擊雷防護(hù)措施，同時應(yīng)對通信機房內(nèi)的電源、傳輸、視頻等系統(tǒng)進(jìn)行可靠有效的感應(yīng)雷防護(hù)，是一個多層次的綜合防護(hù)體系。

1 通信綜合防雷的系統(tǒng)構(gòu)成及作用

通信綜合防雷主要由通信機房外部防雷、內(nèi)部防雷和共地系統(tǒng)幾部分組成。外部防雷主要用于防直擊雷，改善通信機房電磁環(huán)境條件，防護(hù)措施包括通信機房頂安裝避雷網(wǎng)（帶）、引下線、外部綜合接地網(wǎng)等工程；內(nèi)部防雷主要用于減小和防止雷電流在需防護(hù)空間內(nèi)所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)，防護(hù)措施包括等電位連接系統(tǒng)、分區(qū)分級分設(shè)備安裝浪涌保護(hù)器、合理布線等工程；共地系統(tǒng)主要是指外部防雷和內(nèi)部防雷的共用同一個接地裝置。通信綜合防雷系統(tǒng)圖如圖1所示。

2 通信綜合防雷采用的主要技術(shù)

通信綜合防雷應(yīng)采用綜合防治的方式，常用的技術(shù)有傳導(dǎo)、分流、接地、屏蔽、等電位連接等。

2.1 傳導(dǎo)

傳導(dǎo)是外部防護(hù)、防范直接雷擊的主要措施。接閃器（避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)）將閃電的巨大能量引導(dǎo)入大地，不使它對被保護(hù)的對象產(chǎn)生破壞作用。但是在引導(dǎo)閃電入地的導(dǎo)線上要通過巨大雷電電流，會產(chǎn)生感應(yīng)電磁場，也可能損壞設(shè)備。傳導(dǎo)技術(shù)必須與其他防雷措施綜合使用，才能使被保護(hù)的設(shè)備處于安全狀態(tài)。

2.2 分流

分流即暫態(tài)等電位連接，對于遠(yuǎn)處落雷產(chǎn)生的雷電電磁脈沖在電力線、電話線、信號線或者這類電纜的金屬外套上的感應(yīng)沿導(dǎo)線入侵的電壓波，用浪涌保護(hù)器（SPD）分流入地。針對不同的信號電路結(jié)構(gòu)，需要選用不同型號的浪涌保護(hù)器（SPD）。

2.3 接地

接地是將雷電流的能量泄放入地，要求接地電阻小，是防雷工作的重點、難點。在通信機房附近要有一個良好的接地系統(tǒng)，保證防雷設(shè)施通過接地系統(tǒng)把雷電流泄入大地，從而保障通信設(shè)備和人身安全。另外，防干擾的屏蔽、防靜電裝置等都需要通過良好的接地系統(tǒng)來解決。

2.4 屏蔽

屏蔽是用金屬網(wǎng)、箔、殼、管等導(dǎo)體把需要保護(hù)的對象包圍起來，將閃電的脈沖電磁場從空間入侵的通道進(jìn)行阻欄隔開。

2.5 等電位連接

等電位連接是內(nèi)部防雷措施中很重要的一部分。將防雷空間內(nèi)的防雷裝置和建筑物的金屬構(gòu)架、金屬裝置、外來導(dǎo)線、電氣裝置、電信裝置等各種金屬物用金屬導(dǎo)體連接起來，形成一個等電位連接網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)均壓等電位，消除因地電位驟然升高而產(chǎn)生的“反擊”。

圖1 通信綜合防雷系統(tǒng)示意圖

3 通信綜合防雷的實施

前面介紹了通信綜合防雷的系統(tǒng)組成及主要技術(shù)，在建設(shè)通信綜合防雷系統(tǒng)時，除了常見的通信機房內(nèi)、外部防護(hù)，對于部分通信機房，還需綜合考慮無線鐵塔的防雷，只有綜合權(quán)衡，并按照相關(guān)的技術(shù)要求才能建成一套行之可行的通信綜合防雷系統(tǒng)。

3.1 通信機房外部防護(hù)

通信機房外部防護(hù)主要是根據(jù)"法拉第"均壓原理，將通信機房設(shè)計成一個屏蔽籠式結(jié)構(gòu)，并提供一個綜合接地網(wǎng)以保證樓層內(nèi)各點電位分布均勻，改善通信設(shè)備所處場地機房電磁環(huán)境條件，為電子設(shè)備提供耐沖擊過電壓和抗電磁干擾的運行環(huán)境。通信機房整體外部防護(hù)措施包括通信機房頂安裝避雷網(wǎng)、帶；引下線；綜合地網(wǎng)；無線鐵塔地線及與綜合地網(wǎng)的連接等技術(shù)，整體防護(hù)示意圖如圖2所示。

圖2 通信機房外部整體防護(hù)示意圖

3.2 通信機房內(nèi)部防護(hù)

內(nèi)部防護(hù)主要用于減小和防止雷電流在需防護(hù)空間內(nèi)所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)，內(nèi)部防護(hù)措施包括接地及等電位連接、加裝浪涌保護(hù)器(SPD)防護(hù)、線纜屏蔽以及電源防雷等防護(hù)項目。整體防護(hù)示意圖如圖3所示。

圖3 接地匯集線及等電位連接的連接示意圖

3.2.1 接地匯集線及等電位連接

接地匯集線主要是指設(shè)置于通信機房內(nèi)的接地連接線（排），主要有通信設(shè)備接地匯集線、電源防雷箱接地匯集線、機房屏蔽接地匯集線。

等電位連接是指各接地匯集線采用2×25mm2多股絕緣阻燃銅導(dǎo)線單點冗余連接到綜合接地網(wǎng)上。

3.2.2 加裝浪涌保護(hù)器(SPD)防護(hù)

浪涌保護(hù)器是電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置，過去常稱為“避雷器”或“過電壓保護(hù)器”。其作用是把竄入電力線、通信傳輸線的瞬時過電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)姶蟮睦纂娏餍沽魅氲兀Ｗo(hù)被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。通信機房內(nèi)各種通道SPD的安裝主要以下幾個原則：

（1）室內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸線長度在50 m-100 m時，可在通信機房設(shè)備接口處設(shè)置浪涌保護(hù)器；大于100 m時，宜在兩端設(shè)備接口處設(shè)置浪涌保護(hù)器。

（2）根據(jù)通信機房實際雷害狀況可選擇在下列接口處安裝SPD。例如室外引入的PCM電纜、2 Mbps信號線和遠(yuǎn)端機房引入的信號電纜，可在DDF架的相應(yīng)端口安裝SPD；綜合通信樓內(nèi)的網(wǎng)管系統(tǒng)中，可對樓外引入的網(wǎng)絡(luò)線、控制線，兩端加裝SPD保護(hù)；環(huán)境監(jiān)控和視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，當(dāng)樓外的監(jiān)控點不在聯(lián)合地網(wǎng)范圍內(nèi)或攝像機遠(yuǎn)離監(jiān)控中心時，可分別在信號（控制、視頻）線路及電源線路兩端安裝SPD。

3.2.3 線纜屏蔽

線纜屏蔽是對引入通信機房的電纜金屬屏蔽層采用16 mm2的多芯銅導(dǎo)線與室外接地匯流排可靠連接，從而將沿電纜屏蔽層上感應(yīng)的雷電流直接泄放入地。鎧裝電纜在接入設(shè)備時其電纜屏蔽層和設(shè)備防雷地可靠連接。對鐵塔引入機房的饋線在進(jìn)入機房時不管鐵塔上的屏蔽層在鐵塔上做了幾次接地，在進(jìn)入機房時，都必須在進(jìn)入機房饋線處0.5 m-1 m處將饋線金屬屏蔽外層用饋線夾接至室外接地匯集排上，并將饋線夾進(jìn)行防水處理。

3.2.4 電源防雷

雷電電磁脈沖由工頻電源饋線侵入是防護(hù)重點，電源系統(tǒng)應(yīng)采用多級防護(hù)，最終將過電壓降到設(shè)備能承受的水平。主要有以下防護(hù)要求：

（1）外電網(wǎng)引入通信機房一般有主、備用兩路電源，應(yīng)全部納入防雷。

（2）采用多級防護(hù)原則。第1級防護(hù)設(shè)在戶外交流電源饋線引入處（配電盤），在通信機房設(shè)立電源防雷箱屬于第2級防護(hù)，在通信開關(guān)電源柜設(shè)立第三級防護(hù)。

（3）電源防雷箱應(yīng)具有故障聲光報警、雷電計數(shù)和狀態(tài)顯示（三相電源每一相線均有狀態(tài)顯示）等功能。

3.3 無線鐵塔的防雷

無線鐵塔的防雷主要包括基礎(chǔ)地網(wǎng)、輔助地網(wǎng)、無線鐵塔地網(wǎng)及與綜合地網(wǎng)的連接、天饋線的室外防護(hù)、天饋線的室內(nèi)防護(hù)等部分。

3.3.1 基礎(chǔ)地網(wǎng)

當(dāng)天線鐵塔座落在機房旁邊時，其地網(wǎng)面積應(yīng)延伸到塔基四腳外1.5 m以遠(yuǎn)的范圍，網(wǎng)格尺寸應(yīng)不大于3 m×3 m，其周邊為封閉式。同時，還應(yīng)利用塔基地樁內(nèi)2根以上主鋼筋作垂直接地體，與地網(wǎng)焊接連通。

3.3.2 輔助地網(wǎng)

當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)的接地電阻值達(dá)不到要求時，可適當(dāng)擴大地網(wǎng)的面積，即在地網(wǎng)外圍增設(shè)1圈或2圈環(huán)形接地裝置。環(huán)形接地裝置由水平接地體和垂直接地體組成，水平接地體周邊為封閉式，水平接地體與地網(wǎng)宜在同一平面上，環(huán)形接地裝置與地網(wǎng)之間以及環(huán)形接地裝置之間應(yīng)每隔3 m-5 m相互焊接連通一次；也可在鐵塔四角設(shè)置輻射式接地體，延伸接地體的長度宜限制在10 m-30 m以內(nèi)。環(huán)形接地裝置的周邊可根據(jù)地形、地理狀況決定其形狀。

3.3.3 無線鐵塔地網(wǎng)及與綜合地網(wǎng)的連接

當(dāng)無線鐵塔距離通信機房小于20 m時，需要將鐵塔的環(huán)形地網(wǎng)與通信機房綜合接地網(wǎng)連成一體，連接線的中點加用設(shè)垂直接地體。

3.3.4 天饋線的室外防護(hù)

鐵塔上架設(shè)的饋線及其他同軸電纜金屬外護(hù)層應(yīng)分別在天線處、離塔處以及機房入口處外側(cè)就近接地（天線處、離塔處工藝做法為從饋線的地線卡子引出線就近接引至鐵塔避雷針接地扁鋼，應(yīng)確保接地卡子與天饋線連接處防水、防滲漏良好）；當(dāng)饋線及其他同軸電纜長度大于60 m時，在鐵塔中部增加一個接地點，接地連接線應(yīng)采用截面積不小于10 mm2的多股銅線。

3.3.5 天饋線的室內(nèi)防護(hù)

天饋線在室內(nèi)接入電臺時，應(yīng)加裝天饋線浪涌保護(hù)器，并且將浪涌保護(hù)器的防雷地線接到綜合接地匯流排。

4 結(jié)束語

通信綜合防雷是一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題，不可能依靠一、二種先進(jìn)的防雷設(shè)備或防雷措施就能完全消除雷擊造成的各種過電壓、過電流問題，必須針對雷害入侵途徑，對各種可能產(chǎn)生雷擊的因素進(jìn)行排除，并采用綜合防治的手段，同時必須進(jìn)行嚴(yán)格認(rèn)真的日常維護(hù)及整修作業(yè)，使通信綜合防雷系統(tǒng)處于較好的工作狀態(tài)，才能將雷害減少到最低限度。