通信综合楼的防雷与接地技术

胡行会

1 概述

雷电是一种强烈的大气放电现象,自古以来就是威胁人类生命财产的一大自然现象。近些年来,随着建筑智能化的迅速发展,建筑物内信息系统的防雷保护问题日益受到关注并已成为整个建筑物防雷设计的一个重要组成部分,对防雷问题也提出了更高、更苛刻的要求。直到今天,接地仍然是应用最广泛的并且无法替代的电气安全措施之一。

通信机房配备着信息系统和各种电子设备,其过电压耐受能力是有限的。当雷电侵入波从户外的电源线、信号线和各种金属管道侵入建筑物后,很容易使室内的电子设备损坏或造成永久性损伤,从而造成一定的经济损失。雷电对通信设备具有很强的破坏性,在破坏形式上主要有直击雷、雷电感应、雷电波侵入和地电压反击等,尤以感应雷为常见。

2 通信系统接地的作用

1)抑制噪声。噪声也就是电磁干扰,无处不在,只是强弱不同,或是对通信系统的影响程度不同而已。要想完全消除噪声在实际中几乎是不可能的,只能寻找一些降低噪声的方法,尽可能地减少它的影响[1]。在通信系统中,消除或是减小电磁干扰涉及耦合路径和接地系统的重要功能。

2)提供参考电位。一个电路只能有一个参考地,并以这个参考地来进行电路分析。不允许有两个参考地,因为它们代表不同的地电位,会导致噪声。

3)提供工作地。许多电子设备都要求1 Ω～5 Ω的直流接地电阻。接地电阻的大小是由接地极、接地体等材料共同决定的,还与具体接地点土壤的电特性有关。可靠、有效的接地可使通信系统更加可靠地工作。

3 通信综合楼的防雷

3.1 防雷原则

1)外部保护,即通过在建筑物上装设接闪器(避雷针、避雷网、避雷带)、引下线、接地装置,将绝大部分雷电流直接引入地下地网泄散;2)内部保护及过电压保护,即：阻塞沿电源线、数据线、电缆线引入的过电压;3)过电压保护,即限制保护设备上浪涌过电压幅值。这三道防线相互配合、各行其责、缺一不可。

3.2 通信楼的防雷保护系统

1)直击雷保护系统。一定高度的金属导体会使大气电场畸变,这样雷云就容易向该导体放电,且能量越大的雷就越容易被金属导体吸引。接闪器防雷就是因为将雷电引向自身而防止了被保护物被雷电击中。然后通过引下线将接闪器接闪的雷电流安全地导引入地。引下线一般不得少于两根,并应沿建筑物四周对称均匀的布置。

2)感应雷保护系统。感应雷是由遭受雷击电磁脉冲感应或静电感应而产生的,其形成的几率很高,且由于通信楼引出的各种缆线较多,加之楼内设备大都采用了高集成度的微电子电路,故感应雷对建通信楼内的电气设备,尤其是低压电子设备威胁巨大,所以说通信楼防雷主要是防压感应雷。

研究表明：雷云的静电感应引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌,因此感应雷的破坏作用主要由静电感应引起。

3.3 建立联合接地系统,形成等电位防雷体系

所谓联合接地,从功能来看,即将电子设备的工作接地、保护接地、逻辑接地、屏蔽体接地、防静电接地以及建筑物防雷接地等共用一组接地系统的接地方式,如图1所示[3]。从建筑物的施工来看,即将建筑物的基础钢筋,梁柱钢筋,金属框架,建筑物防雷引下线等连接起来,形成闭合良好接地的法拉第笼,将综合通信楼内各部分的交流工作地,安全保护地,直流工作地,防雷接地与建筑物法拉第笼良好连接,各点形成等电位,消除感应过电压产生的因素,如图2所示。

处在防雷区的计算机机房内的所有设备,均应做等电位联结。从等电位的角度出发,地网只是一个电位基准点,不是绝对的零电位点。电位均衡联结,就是使导体良好的导电性联结,使它们达到电位相等,为雷电流提供低阻抗通道,以使它迅速泄流入地。

4 通信综合楼电源的接地措施

对电源系统的防雷应采取多重保护、层层设防的原则,一般来说,电源系统应采取三级～四级的保护措施进行防雷,即在电力引入通信楼的高压端各相安装大容量电源防浪涌保护器,作为第一级保护,又称为泄流保护级。一般要求该级电源保护器具备100 kA/相以上的最大冲击容量,并要求限制电压应小于1 500 V。

在向重要或敏感用电设备供电的分路配电设备处安装电压开关型防浪涌保护器(SPD),作为第二级保护,又称为过压保护级。这些SPD对于通过了第一级保护的剩余浪涌能量进行更完善地吸收,对于瞬态过电压具有极好的抑制作用。该处使用的电源防浪涌保护器要求的最大冲击容量为45 kA/相以上,要求的限制电压应小于1 200 V。

在用电设备内部电源部分使用一个内置式的电源防浪涌保护器,作为第三级保护,又称为浪涌抑制级,以达到完全消除微小的瞬态过电压的目的。该处使用的电源防浪涌保护器要求的最大冲击容量为 20 kA/相或更低一些,要求的限制电压应小于1 000 V。对以上三方面防雷建设的任何一方面的忽略,都可能导致机房雷击事件的发生。

5 光缆、电缆的接地

1)进入通信局站的光缆,若光缆中含有金属加强筋和钢带恺装层,则加强筋和钢带恺装层在机房内应可靠的连接到机房的保护接地排。

2)所有进出局站的线缆都应采用埋地敷设方式,并应选用具有金属外护套的电缆。对于长途架空明线进局的线缆,应在进入室内之前至少20 m处改换成埋地电缆。如果采用普通的双绞线或多芯电线,应将它们穿过埋地的铁管后进局。电缆的金属外护套或铁管两端应分别就近与防雷的接地装置相连。在上述电缆与架空线连接处应加装浪涌保护器。保护器的连接线应尽可能短,其接地端应就近与电缆的屏蔽层以及杆塔的接地导体相连。

3)所有进出建筑物的线缆应考虑加装浪涌保护器。

4)从电磁兼容(EMC)的观点来看,保护器最好安装于线缆在建筑物的入口处,但考虑到实际运行环境和安装的方便,建议将保护器安装于被保护设备附近,保护器的连接线应尽可能短,其接地端应就近与地网及电缆的屏蔽层相连。电缆内的空线对也应与屏蔽层及保护器的接地端相连。

5)在雷击建筑物或其附近时,电力线、通信线等尽可能采用屏蔽电缆,屏蔽层两端都应接地。

6)在局站范围内,严禁布放架空线缆。相邻建筑物间的电力线、通信线等应采用屏蔽线或穿过金属管埋地走线,其屏蔽层或金属管应分别接在两个地网以及建筑物的进/出口处。

7)未用的用户外线电缆应在配线架处做接地处理。

6 通信机房接地系统的几个误区

1)有人认为,为了保护通信设备免受雷击,设备的接地就应该采取单独的“通信地”,需要和建筑物的防雷接地分开。实际上,各种相关规范规定,通信设备的接地、保护接地和建筑物防雷接地应共用一个地网,即采用联合接地的方式。实践证明,同一个机房的两个分开地网之间并非孤立,分开接地也是造成地电位反击的根本原因。

2)也有人认为,埋在地下的金属构件都是自然接地体,甚至将暖气管道、电杆拉线等当作自然接地体。实际上,所谓自然接地体,是指与大地有可靠接触的金属导体,应有足够的散流面积和深度,并且其接地电阻值不应大于5 Ω。

3)终端设备接地是接交流电源线的专用地线还是接机房的接地排,通常,机房内的用电设备不能以交流电源线的中性线作保护地线(PE线),在建筑物内,交流电源中的PE线应和楼内各种接地排的接地最终共用同一个接地网。所以,在建筑物内,PE线和机房的接地排从原理上没有本质差别。在防雷方面,将终端设备断开PE线,通过机房接地排作为保护接地,可以实现终端设备和主设备之间的等电位联结,防雷效果较好。

7 结语

在通信工程中,防雷与接地系统往往被忽视,但其实它是保证通信系统正常运行及人身安全保障的重要环节。新建综合通信大楼与改扩建大楼中,都应参照执行联合接地方式,认真细致的做好防雷和接地工作。

[1] 吴薛红,濮天伟,廖德利.防雷与接地技术[M].北京：化学工业出版社,2008.

[2] YD 5098-2005,通信局(站)防雷与接地工程设计规范[S].

[3] 沈稼树.对实施联合接地方式的探讨[J].通信电源技术,1997(3)：34-38.

[4] 黄仲开.浅谈接地工作的施工误区[J].山西建筑,2008,34(12)：189-190.