淺談程控交換機(jī)房雷電防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李智標(biāo)，黃云，程建培，李偉明

（珠海市公共氣象服務(wù)中心，廣東 珠海 519000）

1 交換機(jī)房的綜合布線

程控交換機(jī)的布線是一項(xiàng)專業(yè)性很強(qiáng)的工作，其布線方案，在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該考慮到雷電安全問(wèn)題。布線工作包括程控交換機(jī)的中繼線、內(nèi)線、電力供電線、室內(nèi)接地線等。合理的綜合布線對(duì)程控交換機(jī)的正常工作和防雷至關(guān)重要。

理想的布線系統(tǒng)表現(xiàn)為：支持語(yǔ)音應(yīng)用、數(shù)據(jù)傳輸、影像影視，而且最終能支持綜合型的應(yīng)用。由于綜合型的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)布線系統(tǒng)選用的線材、傳輸介質(zhì)是多樣的（屏蔽電纜或雙絞線、非屏蔽雙絞線、光纜等），一般可根據(jù)機(jī)房的特點(diǎn)來(lái)選擇布線結(jié)構(gòu)和線材。

通信系統(tǒng)由交換設(shè)備、傳輸系統(tǒng)、終端設(shè)備組成，通信線路多由綜合布線系統(tǒng)擔(dān)當(dāng)，綜合布線系統(tǒng)由六個(gè)子系統(tǒng)組成 （工作區(qū)子系統(tǒng)、水平干線子系統(tǒng)、管理間子系統(tǒng)、垂直干線子系統(tǒng)、樓宇（建筑群）子系統(tǒng)、設(shè)備間子系統(tǒng)）。

2 程控交換機(jī)機(jī)房的防雷

建筑物電子信息系統(tǒng)遭受雷電的影響是多方面的，既有直接雷擊，又有從電源線路、信號(hào)線路等侵入的雷電電磁脈沖，還有在建筑物附近落雷形成的電磁場(chǎng)感應(yīng)，以及接閃器接閃后由接地裝置引起的地電位反擊。在進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)時(shí)，不但要考慮防直擊雷擊，還要防雷電電磁脈沖、雷電電磁感應(yīng)和地電位反擊等，因此，必須進(jìn)行綜合防護(hù)，才能達(dá)到預(yù)期的防雷效果。

2．1 雷擊的途徑

程控交換機(jī)遭雷擊的途徑與電子設(shè)備大體相同，一是直接雷擊，二是雷電波沿電話線侵入，三是雷電電磁脈沖造成的過(guò)電壓和過(guò)電流，為此采取的防范原則是“整體防御、綜合治理、多重保護(hù)”。力爭(zhēng)將其產(chǎn)生的危害降低到最低點(diǎn)。

雷擊的途徑除了直擊雷外還有雷電感應(yīng)、靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)和雷電波侵入等多種途徑。而程控交換機(jī)機(jī)房一般位于建筑物內(nèi)，所以其常見(jiàn)的雷電入侵途徑多位通過(guò)電源或信號(hào)線路的雷電波侵入。所以在入戶端安裝合適的SPD尤為重要。

2．2 防雷區(qū)的劃分

國(guó)際電工委員會(huì)IEC1312－1《雷電電磁脈沖的防護(hù)》的有關(guān)規(guī)定，把建筑物劃分為4個(gè)區(qū)：

LPZ0A區(qū)，在本區(qū)內(nèi)的物體都可能遭到直接雷擊和導(dǎo)走全部電流，區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)強(qiáng)度沒(méi)有衰減；

LPZ0B區(qū)，在本區(qū)內(nèi)的物體不可能遭到大于所選滾球半徑對(duì)應(yīng)的雷電流直接雷擊，區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)強(qiáng)度也沒(méi)有衰減；

LPZ1區(qū)，在本區(qū)內(nèi)的物體不可能遭到直接雷擊，流經(jīng)各導(dǎo)體的電流比LPZ0B區(qū)更小，區(qū)內(nèi)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度有可能衰減；

LPZn＋1區(qū)為后續(xù)防雷區(qū)。根據(jù)以上分區(qū)原則，應(yīng)盡可能把程控交換機(jī)放在LPZ2區(qū)，以減少雷電電磁脈沖對(duì)交換機(jī)的影響（圖1）。

2．3 機(jī)房位置的確定

程控交換機(jī)房的位置應(yīng)結(jié)合建筑工程的遠(yuǎn)、近規(guī)劃，以及地形位置等因素來(lái)確定。對(duì)高層建筑，一般的做法是把機(jī)房設(shè)置在建筑物頂四層以下首層以上的空間。在一般的建筑物都采用網(wǎng)格型接閃器、引下線用多根環(huán)形導(dǎo)體相互連接、接地體采用環(huán)形接地體或利用建筑物鋼筋或鋼構(gòu)架作為防雷裝置時(shí)其分流系數(shù) kc 有如下關(guān)系： 頂首層 Kc1＝1／2n＋0．1＋0．2×（cs／h1）1／3×（Cd／Cs）1／6；頂二層 Kc2＝1／n＋0．1；頂三層 Kc3＝1／n＋0．01；頂四層 Kc4＝1／n；頂四層以下Kcm＝Kc4＝1／n。在潮濕的地區(qū)，首層不宜設(shè)電話交換機(jī)房，根據(jù)計(jì)算，機(jī)房應(yīng)設(shè)計(jì)在頂四層以下。

3 電源及配電箱的防雷

在電源方面，采用TN—S電源系統(tǒng)，對(duì)于電源系統(tǒng)，應(yīng)采用三級(jí)分流限壓措施，以把雷電電磁脈沖幅值減到最小。因此，第一級(jí)設(shè)在主配電房的，當(dāng)電線進(jìn)入配電房時(shí)應(yīng)該埋地進(jìn)入，在變壓器的兩端加裝高低壓 SPD，低壓部分安裝 40kA（8／20μs）的電源避雷器；第二級(jí)設(shè)在樓層的電源箱處，安裝20kA（8／20μs）的電源避雷器；第三級(jí)設(shè)在交換機(jī)房的電源配電箱處，一般從配電房到機(jī)房的配電箱宜采用屏蔽電纜埋地進(jìn)入，在進(jìn)入到交換機(jī)房時(shí)應(yīng)將電纜的屏蔽層與機(jī)房的引下線相連接，在交換機(jī)房的電源配電箱處安裝 10kA（8／20μs）的電源避雷器。電涌保護(hù)器（SPD）必須能承受預(yù)期通過(guò)它們的雷電流并符合以下兩個(gè)附加要求：通過(guò)電涌時(shí)的最大鉗壓，有能力熄滅在雷電流通過(guò)后產(chǎn)生的工頻續(xù)流。

圖1 防雷區(qū)劃分示意圖

4 雷電電磁脈沖

4．1 干擾途徑

（1）空中雷電波的電磁輻射對(duì)建筑物內(nèi)電力線路和電子設(shè)備的電磁干擾；

⑵建筑物的防雷裝置接閃時(shí)，強(qiáng)大的瞬間雷電流對(duì)建筑物內(nèi)電力線路和電子設(shè)備的干擾。

⑶由外部各種強(qiáng)、弱電架空線路或電纜線路傳來(lái)的電磁波對(duì)建筑物內(nèi)電子設(shè)備的干擾。

4．2 防御措施

防御雷電電磁脈沖干擾的理想防雷設(shè)計(jì)方案是籠式避雷網(wǎng)，它利用的是法拉第籠原理。建筑物的金屬結(jié)構(gòu)物遍及各處，不用很多鋼材就可很容易連接起來(lái)形成法拉第籠，從而建筑物內(nèi)的程控交換機(jī)得到很好的屏蔽。屏蔽做得好，不僅能防御空間電磁波的輻射，而且還可使機(jī)房?jī)?nèi)部的分流和均壓達(dá)到最佳效果。

因此，防御雷電電磁脈沖對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)布線的要求非常嚴(yán)格。由于用作引下線的鋼筋混凝土柱內(nèi)的鋼筋和整個(gè)建筑物的屏蔽網(wǎng)都在外墻處，雷電流需經(jīng)此處的鋼筋分流到接地裝置上，所以外墻處的電流密度大，電磁場(chǎng)強(qiáng)。因此，程控交換機(jī)房中的電源和通信等線路的主干線不應(yīng)靠近外墻，最好設(shè)置在建筑物的中心部位。機(jī)房?jī)?nèi)的各種電氣饋線都要穿金屬管保護(hù)或采用雙層屏蔽電纜（或同軸電纜）。在一些有特殊要求的線路電源側(cè)，還應(yīng)加裝電涌保護(hù)器，防感應(yīng)雷的方法就是在金屬導(dǎo)線靠近設(shè)備前端安裝電源避雷器，當(dāng)線路出現(xiàn)雷電流時(shí)，線路通過(guò)電源避雷器瞬間與地線連通，將雷電流泄放到大地。電源避雷器除具有過(guò)電壓條件下快速與地線連通功能外，還有過(guò)電澈自動(dòng)斷路等功能。對(duì)于電源避雷器，隨著過(guò)壓或過(guò)電流狀態(tài)消失，器件的性能恢復(fù)如前，即產(chǎn)品具有反復(fù)多次保護(hù)功能，不影響線路正常工作。

5 避雷器的選擇與安裝

⑴在選擇避雷器時(shí)應(yīng)該考慮避雷器的壓敏電壓、殘壓、通流容量、漏電流、響應(yīng)時(shí)間、避雷器的電容等問(wèn)題在一般情況下，避雷器的壓敏電壓為電源額定電壓（有效值）的2．5倍。殘壓一般小于或等于壓敏電壓的3倍。而避雷器的通流容量是指避雷器允許通過(guò)雷電波的最大峰值電流量。所謂的響應(yīng)時(shí)間是指避雷器兩端加上的電壓等于壓敏電壓時(shí)，由于閥片內(nèi)的齊納效應(yīng)和雪崩效應(yīng)需要延遲一段時(shí)間后，閥片才能完全導(dǎo)通，這段延長(zhǎng)的時(shí)間叫響應(yīng)時(shí)間或時(shí)間響應(yīng)。

⑵程控交換機(jī)及其他通信設(shè)備信號(hào)線路，應(yīng)根據(jù)總配線架所連接的中繼線及用戶性質(zhì)，選用適配的信號(hào)線路浪涌保護(hù)器。浪涌保護(hù)器對(duì)雷電流的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)為納秒（ns）級(jí)，標(biāo)稱放電電流應(yīng)大于或等于0．5KA，并應(yīng)滿足線路傳輸效率。

⑶在總配線架模擬信號(hào)線路輸入端、配線架至交換機(jī)之間以及交換機(jī)的模擬信號(hào)線路輸出端，分別安裝信號(hào)線路SPD即避雷端子。

安裝SPD時(shí)，應(yīng)使SPD的兩端接線盡量短，以減少浪涌電流在SPD引線上的壓降，SPD兩端引線總長(zhǎng)不應(yīng)超過(guò)0．5米，且SPD的接地線應(yīng)就近接入PE線或PE母排。

6 機(jī)房等電位的確定、連接及線路的防雷

6．1 機(jī)房等電位連接

⑴機(jī)房等電位連接的具體要求

要求穿過(guò)各防雷區(qū)交界的金屬部件和系統(tǒng)，以及在一個(gè)防雷區(qū)內(nèi)部的金屬部件和系統(tǒng)，都應(yīng)在防雷區(qū)交界處做等電位連接，應(yīng)采用連接導(dǎo)線和線夾在等電位連接帶處做等電位連接。進(jìn)入防雷區(qū)界面的所有導(dǎo)電部件以及電力線、通訊線都應(yīng)在界面處作等電位連接。如在防雷區(qū)LPZO和LPZ1交界處的等電位連接帶上，將所有進(jìn)入交換機(jī)房的金屬導(dǎo)體都做等電位連接。此外，這些線路在LPZ1和LPZ2交界處應(yīng)安裝SPD。

⑵通信系統(tǒng)的各個(gè)外露導(dǎo)電部件應(yīng)建立等電位連接網(wǎng)絡(luò)。信息系統(tǒng)的金屬部件如箱體、外殼、機(jī)架等與建筑物的共用接地系統(tǒng)的等電位連接有兩種主要方法。應(yīng)采用兩種基本等電位連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的一種：M型（網(wǎng)格型）結(jié)構(gòu)。

采用M型等電位連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)，系統(tǒng)的金屬部件不應(yīng)與共用接地系統(tǒng)部件絕緣。M型等電位連接網(wǎng)絡(luò)應(yīng)以多點(diǎn)連接方式匯集到共用接地系統(tǒng)，從而構(gòu)成Mm型等電位連接網(wǎng)絡(luò)。

通常，M型等電位連接網(wǎng)絡(luò)用于相對(duì)廣延的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中各設(shè)備間連有許多線路及電纜，各種設(shè)施及電纜從多個(gè)點(diǎn)進(jìn)入信息系統(tǒng)。

M型結(jié)構(gòu)，對(duì)于高頻來(lái)說(shuō)，也獲得了一個(gè)低阻抗的網(wǎng)絡(luò)。而且，等電位連接網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)短路環(huán)路對(duì)磁場(chǎng)也起到多個(gè)衰減環(huán)路的作用，從而對(duì)通信系統(tǒng)附近的原有磁場(chǎng)加以衰減。

在較為復(fù)雜的系統(tǒng)中，可將兩種類型結(jié)構(gòu)（S型和M型）的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。更方便靈活，接線簡(jiǎn)便，安全、可靠。

6．2 確定機(jī)房接地系統(tǒng)

（1）機(jī)房建立接地系統(tǒng)是為了設(shè)備和人身的安全。

（2）機(jī)房建立接地系統(tǒng)是交換機(jī)設(shè)備穩(wěn)定、可靠工作的需要。

接地是防雷體系中最基本的，也是最有效的措施。程控交換機(jī)的接地包括：直流電源接地；電信設(shè)備機(jī)殼或機(jī)架屏蔽接地；入站通信電纜的金屬護(hù)套或屏蔽接地；明線或電纜入站避雷器接地和信號(hào)電纜空線對(duì)的接地等。

6．3 機(jī)房接地的分類

按照“接地”的作用不同，又可以分成“工作接地”、“保護(hù)接地”和“防雷接地”等形式。對(duì)重要的通信設(shè)備系統(tǒng)，一定具備的是“工作接地”，它為整個(gè)系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)參考電位，有了這個(gè)參考電位，系統(tǒng)才能正常工作；如果系統(tǒng)同時(shí)由強(qiáng)電電源供電，還需將設(shè)備外殼接“保護(hù)地”，以保護(hù)人身安全；如果系統(tǒng)還有室外架空金屬設(shè)備或電纜與之相連，還需要系統(tǒng)在合理位置接“防雷接地”，防止雷擊高壓串入系統(tǒng)中。

如果通信系統(tǒng)的“工作地”、“保護(hù)地”和“防雷地”是分別安裝，互不連接，自成系統(tǒng)，我們稱作“分設(shè)接地系統(tǒng)”。如果三者合并設(shè)在一起，形成一個(gè)統(tǒng)一接地系統(tǒng)，我們稱為“統(tǒng)一接地系統(tǒng)”。統(tǒng)一接地系統(tǒng)能消除不同接地點(diǎn)可能存在的電位差，在發(fā)生雷擊時(shí)，可以較好地抑制不同接地點(diǎn)之間發(fā)生的放電現(xiàn)象。

6．4 機(jī)房接地系統(tǒng)的連接

在實(shí)際布線過(guò)程中，采用類似“分散接地”的布線方式，即工作地線和保護(hù)地線都從地線排上引出，兩種地線不直接就近相連，其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)雷電流流過(guò)接地網(wǎng)時(shí)，雷電流只縱向流動(dòng)，即使存在接觸不良的接點(diǎn)，也不會(huì)造成橫向干擾。

交換機(jī)的接地處理：用一根135mm2的多股銅芯導(dǎo)線，單獨(dú)連接到接地線線排上。

（1）不直接與交換機(jī)的正極就近相連，也不將機(jī)柜與帶正極的纜、線隨機(jī)連接。

（2）機(jī)柜與高架地板及底座的接觸部分都進(jìn)行了絕緣處理，相當(dāng)于采用了“懸浮接地”方式，以防止相近面層的靜電及建筑物的雜散電流串入機(jī)柜，對(duì)通信造成干擾。

總配線架的接地：?jiǎn)为?dú)從母線排上引入兩根50mm2的多股銅芯導(dǎo)線，其中1根接到配線架底座上，另一根接到配線架上端的接地銅排上。雙線分別接地的優(yōu)點(diǎn)是：一方面可以提高保安設(shè)備和告警信號(hào)電路的可靠性；另一方面，當(dāng)通信線路上受到雷擊和高壓電流而通過(guò)保安器入地后，可迅速降低配線架上的電位。

選擇接地裝置材料時(shí)，要充分考慮其導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性、耐腐性和承受電流的能力。宜選用熱鍍鋅鋼材、銅材及其他新型接地材料。

設(shè)計(jì)地網(wǎng)時(shí)，采用聯(lián)合接地方式設(shè)計(jì)，應(yīng)將多根接地體連接成地網(wǎng)，地網(wǎng)的布置應(yīng)優(yōu)先采用環(huán)型地網(wǎng)，這樣有利于雷電流的散流和內(nèi)部電位的均衡，與大樓立柱內(nèi)主筋焊接連通。確保接地電阻≤1Ω。用35mm2銅芯塑膠軟線做接地干線，將地網(wǎng)與機(jī)房等電位匯接排連接。構(gòu)成統(tǒng)一的接地體，這樣將減少地電位升高的可能性，同時(shí)也可以使設(shè)備安全的工作。采用聯(lián)合接地方式后，使設(shè)備、地板的接地更加可靠，有效地保證了設(shè)備和人身安全。

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