通信工程中設(shè)備防雷接地抗干擾設(shè)計(jì)

劉東坤，宋仕澤，汪恒旭，喬志明，羅 欽

（山東科技大學(xué)濟(jì)南校區(qū)，山東 濟(jì)南 250031）

0 引 言

在通信工程設(shè)備防雷接地工作開展過程中，由于工作認(rèn)識(shí)存在誤區(qū)，使得防雷接地抗干擾系統(tǒng)未能發(fā)揮出相應(yīng)作用，間接影響通信工程運(yùn)行的可靠性。通過對(duì)設(shè)備雷電侵入途徑進(jìn)行分析，針對(duì)性進(jìn)行設(shè)備防雷接地抗干擾設(shè)計(jì)，主動(dòng)消除雷電侵入風(fēng)險(xiǎn)，可保證通信設(shè)備的運(yùn)行可靠性。

1 工作認(rèn)識(shí)誤區(qū)

1.1 工作理念落后

部分工作人員工作理念落后，對(duì)通信工程設(shè)備防雷接地工作沒有足夠認(rèn)知，使得防雷工作未能充分發(fā)揮作用，影響設(shè)備運(yùn)行安全性。

1.2 防雷接地系統(tǒng)不完善

部分通信工程進(jìn)行設(shè)備防雷時(shí)，沒有建構(gòu)科學(xué)完善的防雷接地系統(tǒng)，使得防雷工作存在短板，無法保證通信設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 整體防雷接地意識(shí)缺乏

由于人員主觀意識(shí)偏差，缺乏整體防雷接地意識(shí)，在進(jìn)行防雷接地抗干擾設(shè)計(jì)工作時(shí)，沒有突出各個(gè)防護(hù)技術(shù)的融合，沒有實(shí)現(xiàn)預(yù)期防雷接地工作效果。

2 雷電侵入途徑

2.1 天饋線引入

雷電擊中通信鐵搭后，產(chǎn)生的高壓電流會(huì)沿著天饋線泄放。由于天饋線與部分設(shè)備相連接，將導(dǎo)致部分設(shè)備受到雷擊，影響設(shè)備運(yùn)行安全。

2.2 交流配電引入

部分通信工程采取架空方式進(jìn)行線路引入，但在交流配電運(yùn)行過程中，可能會(huì)使得雷電引入，對(duì)內(nèi)部通信設(shè)備產(chǎn)生物理損壞[1]。

2.3 直流系統(tǒng)引入

通信站內(nèi)的很多設(shè)備都采取直流供電，一旦雷電沿著直流系統(tǒng)引入，將對(duì)通信設(shè)備產(chǎn)生巨大破壞，直接影響通信工作的安全性。

2.4 信號(hào)傳輸線引入

開展通信工作時(shí)，需使用大量通信傳輸線，雷電由信號(hào)傳輸線引入后，會(huì)對(duì)相關(guān)連接設(shè)備產(chǎn)生直接損壞。

2.5 接地系統(tǒng)引入

如果接地系統(tǒng)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，當(dāng)雷擊問題出現(xiàn)時(shí)，將可能沿著接地系統(tǒng)引入，對(duì)相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生直接損壞，影響通信工程的運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性。

3 防雷接地抗干擾設(shè)計(jì)原理及要求

3.1 設(shè)計(jì)原理

進(jìn)行設(shè)備防雷接地抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)科學(xué)連接信號(hào)源地面與信號(hào)測(cè)量裝置，確保模擬信號(hào)的面積、連接趨于一致，提高系統(tǒng)的整體抗干擾能力。進(jìn)行繼電器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，為保證設(shè)備運(yùn)行安全性，需保證設(shè)備分離獨(dú)立運(yùn)行。為將模擬型號(hào)與數(shù)字信號(hào)的干擾控制在最低，需設(shè)計(jì)相關(guān)地線，使得兩者控制處于不同界面。

3.2 設(shè)計(jì)要求

進(jìn)行通信工程設(shè)備防雷接地抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)要求：（1）高壓防護(hù)接地裝置，應(yīng)與機(jī)架的耐電壓大于3 000 V，避免擊穿、飛弧問題的出現(xiàn)；（2）機(jī)架高壓防護(hù)裝置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證防護(hù)架與接地設(shè)備之間的絕緣電阻大于1 000 Ω，保證設(shè)備系統(tǒng)的整體運(yùn)行安全性與可靠性；（3）高壓機(jī)架的防護(hù)接地設(shè)備，應(yīng)與其連接端子的截面積大于35 m2；（4）機(jī)架高壓防護(hù)裝置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)相關(guān)線路進(jìn)行金屬絕緣防護(hù)，接地連接線的截面積應(yīng)在6 m2以上。

在通信工程運(yùn)行過程中，為保證設(shè)備的運(yùn)行安全與質(zhì)量，進(jìn)行設(shè)備高壓雷擊防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的防雷接地抗干擾要求，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)的防護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試設(shè)備的防雷接地保護(hù)效果，進(jìn)而根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化[2]。

4 防雷接地抗干擾設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 分流散流設(shè)計(jì)

接地工作的開展對(duì)設(shè)備防雷工作非常重要。高效可靠的接地系統(tǒng)，可提高雷電泄流的速度，縮短雷電產(chǎn)生電流、電壓在設(shè)備儀器中的停留時(shí)間，有效保護(hù)設(shè)備儀器運(yùn)行安全。

進(jìn)行接地電阻設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)接地體到接地設(shè)備的接地母線距離，計(jì)算接地表面與土壤的接地電阻，分析接地電阻設(shè)計(jì)方案的可行性，選擇合適的電阻材質(zhì)、大小和技術(shù)方案，保證接地電阻可發(fā)揮出一定價(jià)值。

為實(shí)現(xiàn)分流散流設(shè)計(jì)工作目標(biāo)，可進(jìn)行散流電阻的設(shè)計(jì)，基于接地體向周邊擴(kuò)散20 m，分析覆蓋土壤的散流效果。通過分析可知，影響散流效果的主要因素為土壤含水量。為降低接地電阻，應(yīng)從接地體的最佳埋深、不等長技術(shù)、化學(xué)降組等領(lǐng)域入手，實(shí)現(xiàn)預(yù)期降低電阻工作目標(biāo)。

垂直接地體的合理埋深，可將散流電阻控制在一定范圍內(nèi)。在對(duì)垂直接地體的埋深數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考量三維地網(wǎng)因素，三維地網(wǎng)指接地體的埋深與接地網(wǎng)的等值半徑。處于同一數(shù)量級(jí)的接地網(wǎng)，應(yīng)根據(jù)三維接地網(wǎng)的特點(diǎn)，選擇埋深范圍內(nèi)的最大值，實(shí)現(xiàn)降低電阻的預(yù)期工作目標(biāo)。

進(jìn)行分流散流設(shè)計(jì)時(shí)，可合理應(yīng)用不等長接地體技術(shù)。因?yàn)榻拥鼐W(wǎng)中各個(gè)接地體之間存在埋深間距，而且埋深間距為接地體長度的2倍左右。若電流流入單一接地體時(shí)，受到接地體之間的相互制約，則會(huì)阻滯電流的流散。該種電流流散現(xiàn)象，即為不等長接地體的屏蔽作用?；诓坏乳L接地體技術(shù)的合理應(yīng)用，可有效解決單一接地體的屏蔽問題，提高多個(gè)接地體的利用效率，有效降低接地體的散流電阻，實(shí)現(xiàn)設(shè)備防雷接地抗干擾工作預(yù)期目標(biāo)[3]。

4.2 等電位聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)設(shè)備防雷接地抗干擾工作要求，可合理應(yīng)用等電位聯(lián)結(jié)技術(shù)。等電位聯(lián)結(jié)技術(shù)的應(yīng)用主要涉及以下部分：外部與設(shè)備之間的等電位、建筑物內(nèi)部的等電位、等電位聯(lián)結(jié)措施等。進(jìn)行設(shè)備等電位聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，基于通信工程設(shè)備的金屬外殼，直接與等電位母排進(jìn)行電氣聯(lián)結(jié)，或者直接與接地基準(zhǔn)平面進(jìn)行電氣聯(lián)結(jié)，設(shè)備中的用電線路將通過電涌保護(hù)器與設(shè)備外殼進(jìn)行等位聯(lián)結(jié)。例如，對(duì)銀行機(jī)房的通信系統(tǒng)進(jìn)行等電位設(shè)計(jì)時(shí)，采取M型等電位連接技術(shù)方案，避免設(shè)備運(yùn)行過程中受到低頻電流的干擾，保證在雷電環(huán)境下設(shè)備處于等電位狀態(tài)下，規(guī)避雷電對(duì)設(shè)備的損壞。

4.3 接地與屏蔽設(shè)計(jì)

在通信工程設(shè)備運(yùn)行過程中，為實(shí)現(xiàn)防雷接地工作要求，應(yīng)進(jìn)行正確接地與雷電屏蔽，提高設(shè)備的抗干擾能力。例如，用電設(shè)備的高壓側(cè)加裝專業(yè)避雷針，避免雷電進(jìn)入設(shè)備的低壓區(qū)域而影響設(shè)備的運(yùn)行安全。

設(shè)備低壓側(cè)進(jìn)行接地保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，需保證低壓側(cè)出線電纜的鋼鎧有效可靠接地，并設(shè)計(jì)多路接地，保證設(shè)備高效接地。例如，在通信工程設(shè)備運(yùn)行過程中，需利用室外通信線進(jìn)行工作，為避免雷電侵入，可在進(jìn)線側(cè)設(shè)計(jì)相應(yīng)的雷電電涌保護(hù)器，避免交換機(jī)設(shè)備受到雷擊而影響通信工程的整體運(yùn)行安全性。同時(shí)，應(yīng)確保避雷針獨(dú)立引入大地，保證避雷針的接地安全性與可靠性。

在對(duì)微機(jī)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)時(shí)，為避免雷電沿通信信號(hào)線侵入設(shè)備，應(yīng)對(duì)通信信號(hào)線進(jìn)行保護(hù)，采取雙絞層屏蔽電纜對(duì)通信信號(hào)線進(jìn)行屏蔽處理，有效抑制雷電侵入問題。鋪設(shè)通信信號(hào)線時(shí)，應(yīng)將其與強(qiáng)電導(dǎo)向分開鋪設(shè)，避免強(qiáng)電導(dǎo)線產(chǎn)生的電場(chǎng)諧波影響設(shè)備運(yùn)行安全。例如，進(jìn)行通信工程的設(shè)備儀器控制時(shí)，同時(shí)擁有模擬電路與數(shù)字電路，必須將數(shù)字電路與模擬電路分開。若兩者線路控制沒有進(jìn)行有效分離，在實(shí)際運(yùn)行過程中不僅會(huì)相互干擾，而且會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害，直接影響通信工程的整體運(yùn)行安全性。

4.4 浪涌保護(hù)器設(shè)計(jì)

在通信工程設(shè)備運(yùn)行過程中，一旦出現(xiàn)雷電侵入問題，將對(duì)相關(guān)設(shè)備、開關(guān)、繼電器產(chǎn)生瞬態(tài)浪涌過電壓，浪涌電壓的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的運(yùn)行安全性、可靠性下降，直接影響通信工程的整體運(yùn)行可靠性[4]。

進(jìn)行設(shè)備防雷接地抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，為有效預(yù)防浪涌電壓問題，應(yīng)配備浪涌保護(hù)器設(shè)備。浪涌保護(hù)器采用等電位理論，將浪涌電流泄放到大地。浪涌電壓出現(xiàn)時(shí)，瞬變電壓抑制二極管，可以首先做出技術(shù)動(dòng)作，開始對(duì)浪涌電流進(jìn)行泄放，將輸出鉗位控制于截止電壓，主動(dòng)規(guī)避過載電壓對(duì)設(shè)備的物理損害。當(dāng)抑制二極管的放電電流逐漸上升時(shí)，使得充氣式放電器端電壓超過其點(diǎn)火電壓，發(fā)生相關(guān)技術(shù)動(dòng)作，同步開始泄放電流。此時(shí)，充氣式放電器處于低阻狀態(tài)，端電壓僅為10～30 V，可避免長時(shí)間浪涌電壓導(dǎo)致抑制二極管燒毀。

進(jìn)行浪涌保護(hù)器設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要配置氣體放電管與抑制二極管，而且需要配置壓敏電阻、奇納二極管、金屬間隙等元件。通過融合各個(gè)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而發(fā)揮出浪涌保護(hù)器的工作效能，保證通信工程中設(shè)備的運(yùn)行安全性。

4.5 接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.5.1 TN-C-S系統(tǒng)

TN-C-S系統(tǒng)主要應(yīng)用于區(qū)域變電所引線給用電設(shè)備領(lǐng)域，如通信工程設(shè)備用電時(shí)，為避免雷擊風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)選擇對(duì)應(yīng)接地系統(tǒng)。例如，用電接入前采用TN-C系統(tǒng)，在用電接入時(shí)進(jìn)行重復(fù)接地，進(jìn)而成為TN-S系統(tǒng)。通過對(duì)該接地系統(tǒng)進(jìn)行分析可知，該系統(tǒng)中的保護(hù)接地線PE所連接的通信工程設(shè)備外殼在工程正常運(yùn)行過程中不帶電，其中中性線N會(huì)帶電，有效提高了設(shè)備運(yùn)行安全性與可靠性。

當(dāng)N線與PE線的引線均從接地體的同一位置引出時(shí)，應(yīng)選擇正確的接地電阻值，使得不同電氣設(shè)備獲得相同的接地基準(zhǔn)電位點(diǎn)，保證設(shè)備整體接地，主動(dòng)規(guī)避雷擊風(fēng)險(xiǎn)，保證通信工程運(yùn)行可靠。

4.5.2 TN-S系統(tǒng)

若通信工程設(shè)備用電運(yùn)行過程中需在建筑場(chǎng)所內(nèi)配置獨(dú)立的配電所，為保證設(shè)備運(yùn)行安全性，則可應(yīng)用TN-S系統(tǒng)，TN-S接地系統(tǒng)具有安全可靠的基準(zhǔn)電位。通過對(duì)TN-S接地系統(tǒng)進(jìn)行分析可知，在該系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)的保護(hù)接地線PE沒有電流通過，因此對(duì)應(yīng)接入的設(shè)備外殼沒有對(duì)地電壓，使得該系統(tǒng)具有非常強(qiáng)的電磁適應(yīng)性。出現(xiàn)突發(fā)雷電事故時(shí)，可快速切斷設(shè)備電源，保證通信設(shè)備整體安全。若通信工程設(shè)備運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，頻繁受到雷電侵入，則可應(yīng)用TN-S接地系統(tǒng)，有效保證精密電氣設(shè)備的運(yùn)行安全[5]。

4.5.3 TT系統(tǒng)

TT系統(tǒng)，即三相四線接地系統(tǒng)，該接地系統(tǒng)可在通信工程設(shè)備防雷接地抗干擾工作中發(fā)揮一定作用。通過對(duì)TT系統(tǒng)進(jìn)行分析可知，在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，不論三相負(fù)荷是否平衡，中性線是否帶電，保護(hù)接地線PE線均不會(huì)帶電，用電設(shè)備外露導(dǎo)電部分也不會(huì)帶電，可確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備帶電，影響設(shè)備運(yùn)行安全。為避免設(shè)備帶電且受到雷電襲擊，應(yīng)利用殘留電流開關(guān)設(shè)置為用電設(shè)備的保護(hù)裝置，提高設(shè)備的整體防雷接地抗干擾性能。

在TT接地系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可有效保護(hù)設(shè)備與人身安全，而且該系統(tǒng)可取得一定基準(zhǔn)接地電位，使得通信工程中的設(shè)備具有一定防雷接地抗干擾功能，保證通信工程的運(yùn)行可靠性。

4.5.4 TN-C系統(tǒng)

TN-C接地系統(tǒng)主要應(yīng)用于三相負(fù)載相對(duì)平衡的用電領(lǐng)域。在通信工程的設(shè)備運(yùn)行過程中，三相負(fù)載相對(duì)平衡，則可合理應(yīng)用該接地系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)防雷接地抗干擾工作預(yù)期目標(biāo)[6]。

當(dāng)接地系統(tǒng)的PEN線產(chǎn)生不平衡電流時(shí)，設(shè)備線路中可能會(huì)出現(xiàn)高次諧波，并在中性線上進(jìn)行疊加，進(jìn)而導(dǎo)致中性線帶電，使得中性線的接地電位處于不穩(wěn)定狀態(tài)。該種運(yùn)行條件下，設(shè)備外殼帶電，會(huì)誘發(fā)雷電侵入風(fēng)險(xiǎn)。為保證通信工程設(shè)備的運(yùn)行安全，應(yīng)對(duì)設(shè)備的多種運(yùn)行工況進(jìn)行剖析，進(jìn)而選擇適宜的接地系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備防雷接地抗干擾設(shè)計(jì)工作目標(biāo)。

5 結(jié) 論

進(jìn)行通信工程設(shè)備防雷接地抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)目的，應(yīng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行與雷電侵入情況進(jìn)行分析，依據(jù)防雷接地抗干擾設(shè)計(jì)原理與要求，選擇合適的設(shè)計(jì)技術(shù)方案，有效提高設(shè)備儀器的運(yùn)行可靠性，為通信工程的整體運(yùn)行鋪墊安全基石。