电厂数字程控交换机防雷措施分析

赵 雷

(大庆油田电力集团油田热电厂信息中心，黑龙江 大庆 163314)

0 引言

雷电是自然界一种十分壮观的声、光、电现象，同时,雷电也是一种十分严重的自然灾害。它给人们正常的生产生活带来的影响，随着现代生产设备的高速发展愈显严重，雷电造成的经济损失和危害程度在不断增加，因此，防雷减灾工作日显重要。

大庆地处东北地区，夏天有2个多月的多雨季节如不采取可靠措施，程控交换机易遭到雷击，轻者损坏板卡设备，重者损坏整个程控交换机设备严重甚至造成人员伤亡，直接影响到电厂整个通讯网络的运行以及发电供热[1]。究其原因，是由于机房设备及配线系统和供电系统没有采取有效的避雷措施所致。为了最大限度的减少雷击对程控交换机设备的危害，文中详细介绍了几种有效的程控交换机防雷方法。

1 雷击介绍

雷击分为直击雷、雷电流、雷电电磁脉冲等危害。具有高电压、大电流和瞬时性特点，强大的闪电产生静电场、电磁场和电磁辐射，以及雷电波侵入、地电位反击等，统称雷电电磁脉冲，严重干扰无线电通讯和各种电子设备的正常工作，在一定范围内造成许多微电子设备损坏[2]。仅仅依靠避雷针等防直击雷系统是无法保证防雷效果的，需要有一种合理的工程保护方式，既要防护直接雷击，又要防护雷电流、电磁脉冲等做到综合保护。

2 程控交换机防雷措施

2.1 程控交换机接地

接地是防雷体系中最基本的，也是最有效的措施。按照“接地”的作用不同，可以将“地”分成“工作地”、“保护地”和“防雷地”等形式。对重要的通信设备系统，一定具备的是“工作地”，它为整个程控交换机换机系统提供标准参考电位，有了这个参考电位，系统才能正常工作;因程控交换机系统由强电源供电，需将设备外壳接“保护地”，以保护人身安全;程控交换机系统存在室外电缆与之相连，需要系统在合理位置接“防雷地”，以防止雷击高压串入系统中[3]。程控交换机的接地包括：直流电源接地;电信设备机壳或机架屏蔽接地;入站通信电缆的金属护套或屏蔽接地;明线或电缆入站避雷器接地和信号电缆空线对的接地[1]等。

接地装置接地电阻计算公式如下：

式中，R～为接地装置各支线的长度取值小于或等于接地体的有效长度 le或者有支线大于 le而取其等于le时的工频接地电阻；A为换算系数； Ri为所要求的接地装置冲击接地电阻(Ω)。

接地体的有效长度计算如下：

式中，el为接地体的有效长度；p为敷设接地体处的电阻率。

对于程控交换机接地系统应采取的具体措施如下：

机房内应有独立地线，且强电地线与弱电地线要分开。在机房新设接地汇流排两个，一个作为机房的弱电系统接地，另一个则作为强电接地；机房新增一条接地引线，由建筑地网引到机房的汇流排上，机房接地电阻阻值要求： R≤4 Ω；要使机房更加安全，机房的静电地板周围增设一条均压环，采用3 mm×30 mm的扁铜。图1为机房程控交换机接地电路图[4]。

图1 机房程控交换机接地电路

接地地网：要求R≤1 Ω，ATK008总汇流排+引下线35平方500多芯接地线+接地体。

接地体：是埋于地下与引下线入地相连接，雷击电流由此发散到大地。通常用AT自动降阻接地模块 400 cm×500 cm×60 cm和热镀锌接地体50 mm×50 mm×5 mm×L2 500 mm组成垂直接地体，再用40 mm×4 mm热镀锌接地体组成水平接地体焊接连通，组成接地地网,以满足国家《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010接地电阻R≤4 Ω的要求[5]。

2.2 程控交换机防雷击电磁脉冲

为改进程控交换机周围电磁环境，防止电磁脉冲干扰，程控交换机各金属件都应等电位连接在一起，并与防雷装置相连，对整个程控交换机机房进行空间保护，采用屏蔽电缆对屏蔽层两端防雷区交界处做等电位连接，对机房外面由金属物、金属框架或钢筋混凝土钢筋等自然构件构成建筑物进行大空间屏蔽时，应将穿入机房用来屏蔽的导电金属物就近与其做等电位连接。机房遭雷击时的环境情况如图2所示。

图2 机房遭雷击时的环境情况

雷电电磁脉冲强度[2]衰减计算公式如下：

式中，0H 为无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度( A /m )；0i为最大雷电流( A )；aS为雷击点与屏蔽空间之间的平均距离( m )。

在闪电击在交换机机房附近磁场强度最大的最坏情况下，按机房的防雷类别、高度、宽度或长度可确定可能的雷击点与屏蔽空间之间平均距离的最小值，其方法如下[6]。

滚球半径按下式计算：

式中，R为滚球半径( m )；0i为最大雷电流( kA )。

2.3 程控交换机电源浪涌保护

程控交换机机房电源线路防雷保护主要是在机房设备的各配电线路安装多级防雷器，“电源防雷器”并接在电力线路上，可遏制瞬态过电压和泄放浪涌电流。从总进线到用电设备端通常配置分为3级[3]，经过逐级限压和放电，逐步消除雷电能量，保证用电设备的安全。根据不同的需要可选用”防雷箱”、“可插拔模块型”、“端子接线式”和“移动插座式”等品种。

针对机房重要设备及主要的终端设备，可在交换机等设备的电源进线端，串联安装防电涌保护器，其作用是将雷电及其他浪涌电压限制到对设备没有损害的水平，特别是对日常的电源系统操作过电压、电源高次谐波等具有限制和保护作用。

浪涌保护器的有效电压保护水平计算如下：

对限压型浪涌保护器：

对电压开关型浪涌保护器：

式中，/PfU 为电涌保护器的有效电压保护水平；PU为电涌保护器的电压保护水平；UΔ为电涌保护器两端引线的感应电压降。

为取得较小的电涌保护器有效电压保护水平，一方面可选有较小电压保护水平值的电涌保护器，一方面应采用合理的接线。

2.4 程控交换机信号防雷保护

程控交换机机房监控、存储交换设备直接保持对外、对内通讯联系，信号线是感应雷入侵的另一主要线路，而因为众所周知的原因，通讯接口芯片的抗过电压冲击的能力很差，一般CMOS电路极限电压均在几十伏，极易遭受感应雷袭击。而根据美国通用电气公司R.D.HILL的试验结果，只需0.07高斯的磁场强度就能使网络系统瘫痪，而2.4高斯的磁场强度就使计算机的元器件永久性损坏，轻则部分通讯线路中断，重则整个网络瘫痪[7]。

对于设备之间都是通过软光纤和较短的双绞线进行连接的，并且又同处在一个层面上，所以它们之间暂不须加装避雷器。为尽量避免上述灾害情况的发生，需针对不同的设备选用相应的数据通讯信号避雷器作为通讯线路上防感应雷电压波的保护措施。并在机房静电地板下面做等电位均压环,用多股铜芯将均压带与接地汇流排连接。用不低于10平方毫米的多股铜芯接地线将金属门窗、各种线路的金属屏蔽管、各种电子设备的金属外壳、机架等与接地汇流排连接。使所有设备在雷击过程中处于同一电位水平，有效地避免不同设备之间的地电位反击。

3 结语

随着科学技术的不断发展，设备精细化要求的不断提高，一个完善的防雷方案以及有效的防雷措施对设备系统的安全运行至关重要，这不仅仅是针对程控交换机而言。通过文中阐述的几项防雷措施在电厂数字程控交换机的应用，油田电厂程控交换机的防雷效果得到明显加强，应用三年中未发生一起由于雷击引起的设备故障，这不但提高了用户通话质量，也提高了整个电厂通讯网的安全等级，在今后的工作中，将结合以上防雷经验，对机房光端设备系统、中继系统的防雷进行进一步改善，使设备防雷水平迈上新台阶。

[1] 李文选.雷电及其灾害的预防[J].现代农业科技,2009(02):30-31.

[2] 白洁.电子设备中防雷结构的设计[J].煤炭技术,2011(01):15-16.

[3] 虞昊.现代防雷技术基础[M]. 北京:清华大学出版社,2005:25-45.

[4] 国家标准.建筑物防雷设计规范 GB50057-91 [S]. 北京中国计划出版社, 2001:67-68.

[5] 黄小菊.浅谈配电系统的防雷与接地问题[J]. 民营科技, 2011(07):185-186.

[6] 宋木泉,吴煌祥,林建生.防雷装置技术评价方法探索[J]. 大科技, 2009(08):131-132.

[7] 张成祥,蒲军,姚娟,等.防雷装置设计审查常见问题综述[J]. 青海气象, 2008(02):41-42.