通信机房防雷接地讲解

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1、通信机房防雷与接地 主要内容 富兰克林与避雷针 雷击的主要途径 等电位连接 接地电阻值 基站地网 电源SPD的最大通流量与接地之间的关系 光缆内金属构件接地的处理 馈线SPD是否需要安装的问题 馈线接地点的处理原则 防雷器的选择 一 富兰克林与避雷针 避雷针的 发明者B Franklin 2006年是电学先驱B富兰克林诞生三百 周年。他在1706年1月17日生于美国波士顿。 在大气电学方面，他第一个发现雷电是由电 造成的。他发现闪电是一种电荷，这有很大 的实际用途。他知道电流可被针尖吸引，但 不知道闪电是否也会被吸引。一七五二年， 他进行了有名的、但也是危险的实验。实验 在费城郊野进行，在一个

2、行雷闪电的日子， 他把一只镶有金属在顶部的风筝放入云层去 ，连接风筝下端的线上则系着钥匙，当行雷 闪电之际，他即用手紧握钥匙，当即感觉一 种轻微的震动，流经拳头，然後通过身体， 进入地面。他事後说，那种震动有如电池所 产生一样。由此他证明了天电是一种放电现 象，发明了避雷针。 图1：富兰克林放风筝进行雷电实验 避雷针是是一根简单的安装在高层建筑物上的金 属针，称为接闪器，再加上引下线和接地极，就成 为一套完整的防护直击雷的装置。200多年来避雷 针有效地保护了各种建筑物和工业设施，避雷针的 防雷原理就在于它能接闪雷电流，并顺利地将其引 导进入大地，而保护它下面的或它周围的建筑物不 受雷击。避雷

3、针泄放雷电流时，在其周围将产生强 烈的电磁幅射干扰。在以前，或者说对于普通的建 筑物，机器，或人类，这种电磁幅射不会带来显著 的危害。可是到了现代社会的今天，计算机和其它 精密仪器设备在各行各业的大量应用，情况就不同 了。 在这些精密仪器设备中，存在大量的微电 子器件，特别是计算机芯片。在这些芯片中 ，集成着大量的微小的电子元件，它们很小 ，它们之间的绝缘也十分微弱。它们工作在 几伏的低电压下。避雷针引导雷电流产生的 强烈电磁幅射将在这些电子器件的回路中感 应生成过电压，这种过电压将有极大的可能 性击穿集成电路芯片中元件之间的绝缘，摧 毁这些芯片，造成对这些精密仪器设备的不 可弥补的损坏。 从

4、上世纪70年代初期美国的消雷器到90年代 初期的半导体消雷器、2000左右出现的各类 优化避雷针,以及八十年代放射源避雷针，到 的法国依丽（Helita）的Pulsar大气高脉冲电 压避雷针（Atmospheric high pulse voltage lightning conductor），到九十年代的富兰克 林避雷针（Franklin conductor）、圣埃尔摩 避雷针（Saint Elmo lightning conductor）， 到现在的各种型号的提前放电避雷针: 如拓海通用（TOHI）的易敌雷（Indelec）（E.S.E ）主动式提前放电避雷针;以及杜尔梅森的卫星（ Sat

5、elit）提前放电避雷针，西班牙Ingesco公司的 PDC系列主动式早期放电避雷针，等等。 这些都属于非常规避雷针。半导体消雷器宣传它 对雷电有两种作用.一是可以中和云中的电荷,二是 可以限制雷电流的大小.而各类优化避雷针宣传的主 要作用是可以改变雷电流波形陡度,减小雷电流的幅 值.其实这些都是人们为了市场制造出来的故事。 主动式提前放电避雷针(E.S.E）根据宣传资料的介 绍主要有两个作用，一是它可以“主动放电”，或“提 前放电”，或“早期放电”。即这些避雷针比普通避雷 针具有更好的引雷性能。二是将它的提前放电时间 换算成提前放电距离后，相当于增加了避雷针的高 度，从而可以增大保护半径。在

6、相同接地网（极） 和引下线的情况下，一根等高的普通金属针作接闪 器与一支昂贵的洋避雷针作接闪器可以得到同样的 保护效果和保护半径。 国际学术界对以法国为首的ESE避雷针，并 对其提出的相应标准草案持完全否定的态度 。17位属于ICLP（International Conference on Lightning Protection，国际防雷保护会议 ）的科学委员会成员的科学家，签发了一个 联合声明，反对ESE避雷针技术。这些科学 家代表了15个国家，包括美国、日本、英国 、和12个大陆欧洲国家。 接闪器 建筑物的接闪器（国家标准GB50057-94 规定接闪器由避雷针、避雷带、避雷网格） ；建

7、筑物柱内钢筋；基础接地体组成。 二 雷击的主要引入途径 雷电可以从基站通信设备四个接口影响移动通信 基站的正常工作，如图所示： 1）电源端口一直是雷电保护的重点，相关统计数据 显示，雷击造成设备的损坏90以上都是与电源端 口有关的接口。 2）天馈端口的雷电保护，标准规定SPD作为馈线可 以选择保护器件（不是必须的）。但对于馈线的雷 电保护接地却有明确的规定：铁塔上架设的波导馈 线、同轴电缆金属外护层应分别在上、下端及进入 机房入口处外侧就近接地，当馈线及同轴电缆长度 大于60m时，其外护层宜在塔的中间部位增加一个接 地连接点,接地连接线截面为不小于10mm2。 另外馈线的接地线应避免从雷电引下

8、线，特别是 从铁塔角引接。当基站采用房顶铁塔的方式时，馈 线入口处的接地排必须接在地网上，而不宜接在房 顶铁塔的塔基上，从而避免雷电流直接进入机房。 3）信号及系统端口：由于基站为了实现无人值守， 采用了环境监控装置3)站内传输设备与基站发射机 等相连的信号线，这些信号端口对于雷电的抗扰度 是较弱的，基站经常有信号接口雷击损坏的记录， 而且在采用屏蔽线时同样有雷击造成信号接口雷击 损坏的记录，在K56内容中基站设备信号端口没有提 供耐受浪涌电压（电流）指标要求，耐受能力的依 据没有，怎能评判是否对信号端口进行保护（当然 包括电源设备耐受浪涌电压/电流的指标）。 4）接地端口主要是瞬间的电位升对

9、设备的影响； 对于接地端口主要是瞬间的电位升对设备的影响， 移动机房设备直流供电一般采用两种形式：24V（直 流负接地）和-48V（直流正接地），而这两种形式 的供电都是需要接地。当有雷击通过地网泄放时， 则会造成瞬间的电位抬升，这样就使得直流电源正 负极的瞬态电位差很大，造成设备敏感部位（整流 模块和收发信机等）损坏。由于地电位抬升有时会 从前端（开关电源直流输出口）引入损坏设备，也 有可能从后端（用电设备如GSM的直流输入口）引入 损坏设备，所以应在直流电源的两端分别加装防雷 器，形成直流电源正、负极与地的瞬态等电位。 防止因地电位升高造成的电位反击损坏设备。以往 对阻性耦合，地电位升的影

10、响仅仅是理论分析上， 在实际应用的结果统计上，现场基站开关电源那边 的直流SPD雷击损坏的情况还很少见，下面是在其它 省、某地区直流SPD击坏的照片，显示了加在开关电 源直流端SPD被雷电击坏的状况，从击坏情况可以看 出地电位升高产生的能量还是相当可观的。因此基 站开关电源直流SPD不是可装可不装的问题，在雷暴 日较多、雷电强度较大的地区，特别是有铁塔的基 站，在开关电源的直流端一定需要加装直流SPD进行 保护。 三、等电位连接三、等电位连接 1 1、基站内经常遭雷击损坏设备情况、基站内经常遭雷击损坏设备情况 曾遭雷击损坏的设备：电源类占电源类占88%88%（变压 器、配电箱、稳压器、整流模块

11、、空调主板、 照明系统），信号类占信号类占12%12%（GSM或CDMA设 备的核心CPU、用户板、监控、传感器、消防 控制板、小微波）。 2 2 基站内经常遭雷击损坏设备的原因与分析基站内经常遭雷击损坏设备的原因与分析 这些设备的损坏的都是由于机房内某些设备的电源 线、信号线遭受雷击或有感应过电压时，使得自身 电位抬高。而其他设备仍处于低电位或零电位状态 ，由于机房内设备通过电源线或信号线均有若干联 系，这样就在设备间形成了等电位差，导致了设备 的绝缘及内部元器件被击穿所至。 机房设备的接地方式的等效图一般如图一所示， 当有雷击时，会在接地引线上产生较大的电位差， 这个电位差有时足以使设备损

12、坏。 设备A设备B 地电位抬高 U=Ldi/dt+IR 零电位 这个电位差，可根据下式算出：U=Ldi/dt+IR，如引线长1m ，入侵的雷电流为20kA(8/20us),则每米导线上的电压降为 3.6kV,如接地线长度为5米则地电位抬高为18kV。 为了减小此电位差，可采取如图所示的方法加以改造，这时的电位差，可根据 下式算出：U=Ldi/dt+IR如引线长1m，入侵的雷电流为20kA(8/20us),则每米导 线上的电压降为3.6kV，如果等电位连接点提高到a点（a至设备B之间为0.5m, a至PE之间为4.5m ），则设备A和设备B之间的电位差降为原来的十分之一 1.8kV，此改造方法适

13、用于机房设备较多的情况下使用。 采取右图所示的方法 改造后设备间的电位差会更低，效果更好。 a 设备 A 设备 B 地电位抬高 U=Ldi/dt+IRa 设备 A 设备 B a 地电位抬高 U=Ldi/dt+IR 3 通信用开关电源必须和电源一级SPD进行等电位连 接 移动基站机房设备的等电位连接，一般都忽略了一 个至关重要的环节，就是开关电源与电源一级SPD之 间的等电位连接。因为一般从交流配电箱配送到开关 电源的都是三相四线形式的电源，不做等电位连接的 等效形式如图所示： 被保护 设备 S P D U 1 U 2 U 3 以上是SPD安装后的残压示意图。 当有雷电流时，其中： U1为从配电

14、箱到SPD的连线上的残压； U2为SPD自身的残压； U3为从SPD的接地端子到接地汇流排间连线的残压。 这时，加在被保护设备的上残压为： U改造前=U1+U2+U3 SPD与被保护设备的等电位 为了减小加在被保护设备上的残压，我们可以采取如图所示的办法 ，即在SPD的接地端子与被保护设备的接地汇流排间加一根等电位连接 线。此时加在被保护设备上的残压为： U改造后=U1+U2 或 U改造后= U改造前-U3 当有雷电流（8/20s）时，在导线上产生的电压降可按下式计算： 假如引线长1米，入侵的雷电流为20kA（8/20us），则每米导线上 的电压降为： V= 11.44(H)20(kA)/8(

15、s )+IR 11.44(H)20(kA)/8(s ) =3.6（kV） 4 4、机房内等电位连接机房内等电位连接 4.1 机房内接地汇流排的改造 在机房走线架上依据走线架的位置新设一组环形（日字形或口字形）接地 汇流排，材料采用303mm铜排。要求环形接地汇流排为全封闭的且电气 连通。环形接地汇流排在靠近墙壁的两侧用膨胀螺栓和绝缘子将其固定在 墙壁上，位于走线架上的两侧可用螺钉直接固定在走线架上。根据实际情 况，位于走线架上的接地排可竖立在走线架上，也可横放在走线架上。接 地引下线应就近与环形接地汇流排可靠连接。对于公用建筑或租用民房还 应将房间里柱子的柱钢筋敲出，也与接地汇流排电气连通。

16、机房内各设备应用不锈钢螺钉就近与环形接地排可靠连接。包括交流配 电箱、开关电源、GSM设备、SDH设备、DDF、环境监控设备、走线架 、金属门窗等。 特别说明：如果机房内空间位置、设备摆放的情况不能完全做环形地排 ，可采用将局部设备做环形地排后，再与其他设备电气连通。 4 接地电阻值 原来所有通信局（站）的防雷检测技术人员，特别是来自气象局防雷中 心的检测人员，一提到建筑物、通信局（站）防雷接地检测，第一反映 的是接地电阻的检测，检测合格判断是接地电阻值是否符合各类标准的 要求，好象只要接地电阻符合要求，那么建筑物、通信局（站）防雷接 地问题就解决了，防雷检测工作就完事大吉了！。建筑物、通信局（站 ）地网的接地电阻基本上是人们对于防雷接地合格判定的唯一依据。 ITU2003年接地手册认为：为进行防雷，也难以设立人员保护所需的 明确的接地电阻。直击雷所带来的电流从几百到30万安培不等，这种电 流如果经过的电阻为1