通信机房综合防雷接地措施及防雷设施监测技术研究

中国人民解放军91001部队 卢 山

各类通信机房数量众多，分布于全国各地，地理地形、环境气象等条件复杂多样，且通信机房内电子设备及各类线缆众多，这些都是易受雷电灾害影响的特点。因此，做好通信机房防雷接地措施及防雷设施本身的故障监测预警等，保护各类设备免受雷灾损坏，保障通信联络通畅，显得尤为必要。

通信机房防雷接地措施主要分为三类：一是外部防护，将直击雷电流引入地下泄流；二是内部防护，即阻断雷电流沿数据线、信号线等线缆入侵毁坏电子设备；三是过电压保护，即限制被保护电子设备上雷电电压峰值。目前多数通信机房防雷设施监测和检测主要依靠人工，这就导致经常是故障发生后才能靠人工发现，但这时的电子设备可能已经损毁。防雷设施故障一般属于隐形故障，不易直接观察发现，当防雷设施规模比较大时，需要消耗大量的人工和时间寻找故障点。因此，研制一种依托网络的实时防雷设施监测系统，不但可以保护电子设备、工作人员及建筑物的安全，还可以最大限度地预防和降低雷电对电子设备的干扰。

1 常见雷击类型

1.1 直击雷

直击雷是雷云与大地之间发生的一种猛烈放电现象。直击雷只在带电雷云对地发生闪击时才会对地面附着物造成损害，换句话说就是直击雷发生比例较低，且直击雷一般只会击中地面小范围的物体，但是因为直击雷的闪击放电过程十分猛烈，其产生的峰值电压可达几万甚至几百万伏，峰值电流可达几十KA甚至几百KA，因此被直接雷击中的目标往往会造成严重损坏，甚至危及人员生命安全。

1.2 感应雷

感应雷是指雷电在带电云层间或雷云对地放电时，附近的室外信号线、地埋电力线、设备连接线等线缆上产生电磁感应波并入侵损坏电子设备，使串联在线路中的电子设备遭到损坏的放电现象。感应雷虽然强度不及直击雷，但发生的几率比直击雷高得多。不论是带电云层对地放电还是雷云对雷云之间放电，都有可能引发感应雷电波灾害。而且一次雷电闪击可能引发附近比较大范围内多个电子设备上的感应雷电过电压现象，而且感应电流能通过各类室外金属线缆侵入机房内，通过线缆传输使得雷电灾害范围扩大。

1.3 球形雷

球形雷是一种特殊的雷电现象，俗称滚地雷，一般是红色或橙色的圆形发光球体，直径10-40cm不等，通常维持数秒钟，遇到电气设备等障碍物时会产生爆炸。球形雷主要是沿建筑物的孔洞或门窗进入室内，也有的球形雷会沿烟囱或管道进入室内，球形雷可以在线缆上，有时驻停，有时自动消失。球形雷现象比较少见，主要是在一些特殊地形环境的通信机房产生。防范球形雷可以通过机房避雷系统、铁塔避雷系统、外围避雷系统等构成多层次的防护措施加以防范。

2 外部防雷设施

防范直击雷的措施主要是设计有效的避雷系统。避雷针、下引线线和接地装置构成完整通路后，将雷电流引入大地进行泄放。但避雷针、下引线和接地装置只能保护安装了这些避雷系统的建筑物本身不会受到直击雷袭击，雷电还是可能会通过雷电感应等其它形式损坏电子通信设备。通过科学设计避雷针保护指标、设置接地性能良好的接地系统可以较好地保护通信机房的天馈线系统和机房本身免遭直击雷袭击，但前提是避雷针、下引线、接地装置组成的接地系统必须有良好可靠的接地性能，足以将雷电流顺畅泄放至大地，否则非但起不到避雷作用，反而会成为引雷装置，又无法顺畅泄放雷电流，导致雷击损害程度更加严重。

连接避雷针和接地装置间的金属导线称为下引线，下引线将通过避雷针接收的直击雷电流引流至接地网进行泄放。接地网是由埋在地下一定深度的多个金属接地极和由导体将这些接地极连接起来组成网状接地装置，有一个具有良好接地性能的接地网对于接地系统至关重要，避雷系统接收的雷电流最终都要通过接地网泄放进入大地。如果接地网接地性能不佳，雷电流无法顺畅泄放入大地，这时不但会损坏电子设备，还会损坏建筑物甚至危及到人员安全。另外，解决防静电、电磁干扰等问题都需要性能良好的接地系统，通信机房的接地系统有建筑地、铁塔地、电源地、逻辑地、防雷地等。如果各地网互不连接而各地网的间距又达不到规范标准时，就可能出现地电位反击现象，这种情况下，应尽可能将各地网连接在一起，如果确实无法直接连接的，可通过设置地电位均衡器实现等电位连接。

3 内部防雷系统

在发生雷击的瞬间，避雷针、下引线会有强大的瞬时电流通过，此时周围会产生很大的雷电磁脉冲波，可能会波及到机房内部的电子设备，因此就需要采取内部防雷系统。内部防雷系统主要由屏蔽装置、防雷器和等电位连接装置三部分组成。内部防雷的主要对象是高电压引入和电磁脉冲波，其中尤以高电压引入的危害大。高电压引入是指由雷电高压通过室外金属线引入室内造成电子设备破坏的现象，雷击高压往往非常大，因此对电子设备的损害十分严重，甚至会造成电子设备大面积报废。高电压引入的途径有两种：一是直击雷直接击中室外金属导线，让雷电高压以波的形式沿导线引入室内；二是感应雷的高电压脉冲，由于雷雨云对大地放电或雷雨云之间放电形成的静电感应和电磁感应，感应出几千伏至几百千伏的地电位反击，这种感应高压可以沿电力系统的零线、保护接地线及其它接地线传入室内，造成大面积危害。

4 过电压保护

过电压保护是指限制被保护设备上的雷电过电压幅值。主要措施是在电源设备上安装电源类浪涌保护器（SPD），在信号设备上安装通信网络类浪涌保护器进行保护，这是保护电子设备在受雷电闪击时免受浪涌过电压危害的最有效手段之一。浪涌保护器会在低压系统出现浪涌等非正常情况时起效，通过限制瞬时过电压和分走浪涌电流等功能，将过电压降到安全值以下。

如果浪涌电压超过浪涌保护器的最高承受指标时，浪涌保护器可能会损坏失效。浪涌保护器的失效模式分为短路和开路两种。处于短路模式时，短路电流由配电系统流向失效的浪涌保护器，失效的浪涌保护器往往没有完全短路而有一定的阻抗，在开路前将发热引起燃烧，因此对处于短路失效模式的浪涌保护器应当安装断路器，使被保护系统与失效的浪涌保护器脱离。处于开路模式时，浪涌保护器对被保护系统不会产生影响，因此很难发现浪涌保护器已失效，为了能够及时发现失效的浪涌保护器，浪涌保护器本身应当具有失效指示功能。

5 防雷设施监测

防雷设施的日常维护大多采用定期巡检，但是有些防雷设施的老化问题往往无法通过巡检发现的，即使在巡检时防雷设施是合格的，但它可能已经处于性能劣化的边缘，后续极有可能因为性能下降而被雷电击穿。因此，为了切实保障防雷设施的运行安全，采取有效的实时监测措施尤为必要。

对防雷设施的监测过程中，通常采用漏电流和动作计数器，但漏电流和动作计数器往往无法实现分类报警和数据传输，时效性较差，往往无法及时发现安全隐患。如果要实时掌握防雷设施的运行状况，使运行维护人员能够有效监测防雷设施的运行状态，则应采用实时在线远程传输的监测方式。

防雷设施监测系统主要用于实时监测记录避雷系统的泄漏电流、接地电阻值、雷击时间和雷击次数。电流检测采用穿芯电流传感器实现取样，并采用微处理器技术和瞬态参数测试技术进行线性化处理，通过计算机网络进行实时数字传输。该系统具备高可靠性和安全性，且造价成本较低，可以安装到每组避雷器中完成实时监测，无需人工现场抄录避雷器的运行状况。通过监测中心后台管理系统修改报警阈值，可以实现自动报警，自动弹出报警避雷器的信息进入预警状态，使运行维护人员能够及时掌握避雷器状态，提前处理故障隐患。

防雷设施监测系统主要由数据采集系统、数据处理系统和监控服务系统组成。采用成熟传感器产品作为数据采集设备，数据处理系统负责将采集到的数据按照处理逻辑进行处理加工，处理后的数据接入监控服务系统以供监控服务器查询使用，通过计算机网络实现数据实时传输。数据采集系统主要包括避雷系统的泄漏电流记录器、雷击计数器、浪涌保护器探测器和地阻测试仪；数据处理系统包括数据采集处理模块和数据传输模块；监控服务系统包括监控服务器和数据查询软件等。

结束语：在信息化时代，通信对于生产生活的正常开展显得尤为重要，通信机房防雷接地好坏事关通信联络通畅大局，需要通信机房建设和维护部门不断进行优化完善。技术人员对于通信机房防雷接地措施的探究从未停止，各类防雷接地设备也在不断升级换代、优化性能指标，以求将防雷接地效果做得更好。本文通过对雷电类型的研究，从外部措施、内部措施和过电压保护三个方面探析了通信机房防雷接地的有效解决措施。防雷设施监测系统可以有效监测避雷系统的泄漏电流、地阻值、放电现象时间和放电次数，可以协助维护人员掌握防雷设施的运行状况，及时发现问题隐患，有效避免或降低雷击造成的损失。当然，通信机房防雷接地措施和防雷设施监测技术是系统性综合性工程，只有不断探索创新防雷接地和防雷设施监测手段，优化防雷接地设备性能，才能将防雷接地及对设施本身的监测效果做得更好更完善。