无接地条件的网络设备防雷方法探讨

刘裕城，韩志强

（中国电信股份有限公司广州研究院 广州510630）

1 概述

一般情况下，楼房内有接地装置或经工程改造后安装有接地装置，借助接地装置，通信设备防雷可以获得较满意的效果。但在工程上，常常遇到楼房内无接地装置，也不可能进行工程改造的情况。随着下一代通信网络的设备安装点增加，这种情况会更多。因此，需要研究无接地装置的通信设备防雷方法。

无接地装置的情况基本有3种：

·楼房是钢筋混凝土结构，有钢筋混凝土立柱和天面，无接地装置供使用；

·楼房是砖混结构，无钢筋混凝土立柱，可能有或无钢筋混凝土天面，无接地装置可用；

·无钢筋混凝土结构，全是砖木结构，在电气上等同野外情况，也无接地装置可用。

实际上，根据有关安全要求，后两种情况必须做好直击雷防护的接地处理。在工程上是完全可改造成有接地装置的，因此，不讨论它们的防雷问题，本文只研究第1种情况无接地装置的通信设备防雷。

2 雷击危害

无接地装置的通信设备在楼房内接线如图1所示。通信设备遭受雷击途径主要有两条。

·直击雷：雷电击中楼房，通过金属通路击中通信设备。

·感应雷击：雷电过电压、过电流通过电源线和信号线侵入通信设备或通过空间感应干扰通信设备。

根据实践经验，感应雷击危害不是主要的，而且危害不大，它可通过线间安装避雷器（又叫浪涌保护器（SPD））来解决，相关规范已有详细规定，本文不做进一步讨论。

直击雷是无接地条件下通信设备的主要雷害。雷电一般首先击中楼房顶层天面钢筋，流过垂直向下的钢筋（如立柱），钢筋和通信设备间产生电压（称为雷电过电压），这一雷电过电压足够高后会导致通信设备与钢筋间的绝缘击穿，雷电流侵入通信设备，并向电源线和信号线传播。这一强大的雷电流会损坏通信设备，或引起火灾，使电源线和信号线产生高电压，如有人正在操作电脑，而电脑又通过信号线与通信设备连接时，人员触及会电死或电伤。如果有接地装置时，侵入通信设备的电流可以通过接地装置排泄，避免危害。

从实际雷击现场情况来看，雷击损坏主要是通信设备被雷击中损坏，部分有破裂，而且墙上有雷电击穿的痕迹，这与上述论述是一致。

当然，危害的产生是由于雷电过电压击穿了通信设备与钢筋间的绝缘，因此，需要研究它们间的雷击电流电压特性。

图1 无接地装置的通信设备接线

3 雷击电流电压特性

遭受直击雷时，无接地装置的通信设备雷击原理如图2所示，图中i是通信设备邻近钢筋立柱雷电流，I是雷击楼房的总电流，R为楼房接地电阻，S为通信设备离雷电流通路（立柱钢筋）距离。一般来说，像这种无接地装置楼房，多数接地电阻较大，地网可能就是钢筋立柱地面部分。较好的情况是大楼接地电阻小于或等于4Ω。雷电流i=kI，k是分流系数，k的值为0～1，因为楼房可能有多根立柱，流经通信设备邻近的立柱雷电流只是总电流的一部分，实际情况很可能是k=1，即雷电流只沿着一根立柱入地。

图2 无接地装置的通信设备雷击电原理

通信设备与雷电流通路间的雷电过电压U，即图2中AB点间电压，是决定通信设备是否会受到雷击侵入的重要参数。如果电压U大于AB间击穿电压，则会发生击穿，雷电流沿AB流入通信设备。

当电源线由室外引入，零线与楼房地网不连接时，如图2（b）所示，雷电过电压U=U1：

而一般情况下，无接地条件楼房的IR的数值远大于M（dI/dt）：

当电源线零线与楼房内地网连接时，如供电变压器在楼房内，雷击时，如图2（c）所示，雷电过电压U=U2：

Mi是电源回路与雷电通路i的耦合电感，Mj是电源回路与除雷电通路i外其他雷电流通路的耦合电感，M1和M2是电源回线与雷电通路的综合（或叫等效）耦合电感，dI/dt是雷电流对时间的导数。

图2中室外信号线现在一般很少用金属线，如没有金属，则不用考虑其影响，如有金属（如光缆金属加强芯），雷击影响如同电源线由室外引入情况。

从上分析可知：

可见电源线由室外引入时，通信设备与楼房钢筋间的雷电过电压远大于电源零线与地网连接情况。

同理，图3是楼房有接地装置时的雷击电原理，此时，通信设备与楼房钢筋间的雷电过电压U=U3：

M3是接地回路与雷电通路的综合（或叫等效）耦合电感，与上述U2同理：

由此也可看出，无接地装置时，通信设备与楼房钢筋间的雷电过电压较大。

实际上，无接地装置情况基本上是电源由室外引入，因此，本文所讨论的无接地条件通信设备所受的雷电过电压U：

一般情况下，R≥4Ω，取R=4Ω。雷电流I是一个脉冲电流，I是时间函数，波形和电流幅值都是一个随机数。由于缺乏实际测量记录数据，现在可供使用的直击雷电流参数不多。

我国电力设备过电压保护设计技术规程中，根据实际观察数据，给出了直击雷电流幅值的概率计算式：

P：雷电流大于I的概率；

图3 有接地装置的通信设备雷击电原理

I：雷电流幅值，单位kA；

可以看出，雷电流大于20 kA的概率约为60%，即如楼房被雷击中，100次有60次的雷电流幅值大于等于20 kA。

假设雷击楼房的雷电流幅值Imax=20 kA，则通信设备与楼房钢筋间的雷电过电压U的最大值Umax：

这一电压是相当高的，一般情况下，足以击穿通信设备、电源线和信号线，若击穿，则雷电流侵入通信设备，产生设备损坏和人身安全事故。

从以上分析计算可知，无接地条件的通信设备雷击危害主要是：通信设备与楼房钢筋间的雷电过电压。由于这一过电压数值较大，必须采取防护措施。

4 防护措施

无接地条件的通信设备雷击危害主要是通信设备与楼房钢筋间的雷电过电压。防护措施主要是提高它们间的绝缘耐压水平，防止雷电过电压击穿绝缘将雷电流引入通信设备。当然，防护水平应适当，必须做到技术可行、经济合理。

防护原则是：通信设备、通信设备的电源线和信号线的绝缘耐压水平Ut大于室内电源线Up。即Ut>Up，考虑到要留有一定裕度，可取Ut=2Up。

雷电过电压是冲击电压（脉冲电压），Ut和Up应该用冲击电压耐压数值，但在实际应用中，冲击耐压数值不容易获得，可用工频耐压数值代替，通用民用楼房电源线（380/220 V）工频耐压值不超过2 500 V，可取Up=2 500 V。

主要防护措施如下。

（1）通信设备

·通信设备电路对金属外壳耐压要达到上述要求，即Ut≥2Up，外壳最好采用非金属材料。

·安装位置：尽量不靠近楼房墙内立柱和金属部分安装，固定部件，如螺钉，尽量采用非金属材料。

·通信设备电源线和信号线接口线间应安装避雷器（浪涌保护器（SPD））。

（2）电源线

通信设备连接电源线CD段的耐压Ut要大于室内电源线耐压Up，Ut≥2Up，可采用加强绝缘电线或套装塑料管的办法解决。

（3）信号线

带有金属线的室外信号线要加强绝缘或套装塑料管，光缆应采用无金属加强芯线材。室内信号线采用无金属加强芯光缆或加强绝缘电缆。

5 结束语

无接地条件的通信设备主要雷害是设备与楼房钢筋间的雷电过电压，其幅值大于有接地条件，无防护措施的危害很大。防护措施主要是加强绝缘，防止雷电过电压击穿绝缘将雷电流引入通信设备。上述防护措施简单易行，可在工程上应用。建议在有关标准规范上增加无接地条件的通信设备防雷要求。

1 GB/T 21545-2008.通信设备过电压过电流保护导则,2008

2 YD/T2324-2011.无线基站防雷技术要求和测试方法,2011

3 GB50057-2010.建筑物防雷设计规范,2010