通信机房和设备防雷技术研究

许保明

（中国移动通信集团湖北有限公司十堰分公司，湖北 十堰 442000）

1 雷电的主要危害

1.1 雷电的形成

雷电产生的原因非常复杂，带电积云是构成雷电的基本条件。当带不同电荷的积云相互接近到一定程度，或者带电积云与地面的凸出物接近到一定程度时，会发生剧烈的放电现象，发出耀眼的闪光。并且放电的瞬间周围空气温度达上万摄氏度，附近空气受热急剧膨胀，发出轰隆隆的雷声，这就是所谓的电闪雷鸣。

雷电能引起火灾和爆炸，导致人为触电，导致设备和设施毁坏等。雷电发生瞬间，物理破坏作用极大，电磁感应危害性明显，闪电冲击波和电涌传播速度飞快。雷电可以分为直击雷、感应雷和球形雷，直击雷和感应雷都可以在空间范围内产生较大辐射的电磁波，并对人类造成很大的影响。因此，需要采取妥善措施，减小雷电对于人们的破坏。

1.2 直击雷及其危害

直击雷的产生主要是因为带电积云，带电积云接近地面时会在地面凸出物顶部感应出一定的异性电荷，当积云与地面凸出物之间的电场强度足够大时，就会产生由带电积云向大地发展的跳跃式先导放电现象，放电时间一般持续几毫秒。大部分直击雷带有重复放电的性质，平均每次雷击有三四个冲击，最多能出现几百个冲击，但一次雷击的全部放电时间一般不超过500 ms。

直击雷的冲击作用可以直接作用在建筑物或者电气设备上。在雷雨多发季节，一旦直击雷直接作用在通信机房及其设备的金属部件上，就将造成极其严重的后果，如损坏设备、造成电路短路引发火灾等，带来不可估量的损失。

1.3 感应雷及其危害

感应雷就是人们常说的闪电感应[1]，其分为静电感应雷和电磁感应雷2种。静电感应雷是由于带电云层与金属导体的距离较近，在金属导体内部感应出带电电荷所致；电磁感应雷则是由于雷电迅速放电导致周围磁场瞬间变化，这种迅速变化的磁场能在邻近的导体上感应出很高的电动势，因而使不相接触的导体带电荷，而且这种电荷在导体内部造成很大的冲击电流。

1.4 球形雷及其危害

球形雷一般是指球状闪电（物理现象），别称电光火球，其一般是从高空直接落向地面，临近地面后开始做水平运动。火球的实质是一团带电的气体，所以球形雷可以直接引起建筑物、易燃物、通信设备着火。如果球形雷直接作用于机房内的通信设备，可能由于极强破坏力导致机房爆炸和设备损毁。球形雷发生率较小，人们往往忽视。

2 通信机房防雷重要性和思路

2.1 通信机房防雷系统概况

对于通信机房而言，防雷系统一般包括外部防雷系统[2]和内部防雷系统。外部防雷系统包括接雷击的接引装置即接闪器、电流向地面引导的导体即引下线、埋在地下的接地体等接地装置。外部防雷系统设置接闪器是防护直击雷的主要措施，一般如避雷针、避雷线、避雷网、避雷带等都属于接闪器。内部防雷系统则是防止因雷电和电涌侵入通电设备造成损坏而进行的相应设置，包括等电位连接、浪涌保护器、交直流电源防雷器、信号防雷器及天馈防雷器等专用设备设置。

2.2 通信机房防雷重要性

雷电具有大电流、高电压、短时间的特点。雷电引起的直击雷、感应雷和球形雷的破坏作用和损毁能力相当大，一些灾害和事故是人类无法想象的。雷击现象可以导致上百万元的通信设备或者精密仪器瞬间击穿毁坏，也可以导致通信基站瞬间失去功能，影响人们正常上网和日常沟通，造成不可估量的巨大损失。因此，日常通信企业应提高防雷意识，积极采取各类有效措施，保证企业的效益。

2.3 防雷总体思路

为了保证防雷措施的有效性和控制效果，通信机房防雷应考虑以下4个方面[3]。

2.3.1 考虑电荷的疏导

这种防雷思路实质上是实现电荷向大地的导入，从而避免直接雷击或感应电流对通信设备带来损害。其基本原理是带电荷的积云靠近地面时，避雷针通过磁场的极变效应，引导雷电电流的方向，再经过接地引下线、接地装置以及其他有效的导体装置将电流引入大地，从而有效避免雷击电流对通信机房及其设备造成破坏。

2.3.2 考虑设备的隔离

其基本思路是将需要受到保护的对象进行隔离处理，防止雷电产生的电压和电流与相关设备直接接触，降低设备受到雷击影响的可能性。其具体做法是将系统中的电力系统、天馈系统、传输系统、网络系统通过分流、接地、布线和限流等措施进行有效的防护。另外，将室外的信号系统置于与大地相连的金属箱或电源盒内部，同时保证金属箱或电源盒良好接地，这样金属箱或电源盒就会对雷击起到良好的屏蔽作用。

2.3.3 考虑等电位连接

用金属导线或使用电压保护装置，将防雷系统与建筑物金属外漏部件、电气设备、电源等连接起来，并保证其处于同一电位，不存在电动势差值。如果机房各类接地系统的接地电阻不均衡，雷击现象发生时，雷电流与电阻的乘积得到不同的电势差值，就会造成电位反击，造成通信设备损坏或出现故障。

2.3.4 利用放电中和效应

雷电带有一定极性的电荷，用正负电荷综合技术可以实现雷电流的消散。避雷针除了具有金属导线的效应，同时具有中和电荷的效应。云层中的电荷与建筑物靠近时，建筑物就会感应出来相反的电荷，避雷针通过吸引空气中极性相反的粒子，通过尖端放电综合效应实现雷电流的消散，从而实现对通信机房及其设备的防雷保护。

3 通信机房和设备防雷技术

3.1 通信机房防雷接地技术

机房防雷的主要建筑物顶部应安装避雷带、避雷网等设施作为接闪器使用，并将楼顶各种金属管道、设备设施、中央空调管线等连接起来以防止雷击作用时出现绕击现象。避雷带和避雷网一般采用圆钢或扁铁，必须保证避雷网和接地导体的有效面积，以实现电流的迅速传导。定期对防雷装置和设施进行检验检测，邀请专业机构和专业人士对接地电阻数值进行确认，并出具相应的检测报告和合格标签。

接地网和接地电阻应达到国家标准、行业标准及相应的规定要求。通信机房地面网络采取联合接地方式，所有基础部件必须做到有效接地，根据等电位要求，具体操作上防雷地线、工作地线、保护地线三者之间共同接到一个接地网络。

3.2 通信基站防雷接地技术

通信机房配套基站防雷主要注意变压器接地、电源线接地和信号线缆接地3个事项[4]。变压器部分一般采用安全等级较高的TN-C-S接地系统，这种接地系统安全级别非常高，一般用在石油石化具有火灾爆炸风险性较高的场所。在变压器高压侧，雷电波的来波方向需要设置避雷器，即避雷器装设在被保护设施的引入端。避雷器正常时处于不通状态，雷电侵入时能迅速打通电路，击穿放电，切断过电压，发挥保护作用，并将雷电流快速释放并向大地进行传导。雷击现象过后，避雷器恢复正常工作状态，相应的耦合回路不再导通。加强通信系统电源的防雷保护同样重要，通信电源一般是冗余设置，其相当于通信系统的心脏。对通信电源系统的防护，首选过电压保护器（避雷器），使系统上瞬间增大的脉冲能量瞬间导通并泄入大地，使各设备电位差不超过系统的承受范围。在基站信号线缆的防雷设置上，优先考虑采用避雷器，尽可能降低雷击浪涌对通信机房及其设备的影响。

3.3 通信光缆线路防雷技术

在通信光缆防雷设计上，首先考虑光缆产品质量和性能，优先选用质量达标且防雷效果良好的防雷产品。对于需做埋地处理的光缆，其中的金属部件一定要在光缆的接头处进行有效的处理[5]。因为光缆上屏蔽线的作用，光缆断开接头不需要进行电气设备连接和接地处理，但是必须在光缆接头处将金属部件进行电气连接、金属导线跨接以及其他形式的等电位连接。对于雷击事故频发的地区，优先选取带有铠装的屏蔽线光缆，同时做好光缆防护接地处理。另外，光缆的终端部分，也就是位于机房的配电架及其附属物物件，要加强防雷处理。在长途光缆通信线路中，为了提高光缆线路防雷水平，应妥善做好光缆防护层的设计工作，在其PE护层的选取上，优先选择耐腐蚀性、耐酸碱性和高防水性的聚乙烯材料。另外，在一些地区，土壤电阻系数比较高，为了避免对光缆金属构件人工接地造成雷电流反击以及光缆内部金属构件多次不同程度遭受击穿，一定要保证光缆传输全线不做人工接地处理，以达到更加有效的防雷作用。

4 通信机房和设备防雷新技术

随着科技的发展，防雷技术在不断更新，目前主动防雷思想不断渗透到各行各业和气象防灾部门，人们可以通过气象分析研究云层的电荷，通过向天空发射火箭弹等形式，促进云层的电荷消散，从而从根本上避免雷击事故。此外，很多智能化防雷技术在通信机房和通信行业得到了推广和应用。

4.1 等离子电荷迁移技术

等离子状态，指的是物质原子内的电子在高温作用下脱离原子核的吸引，呈现游离状态。利用等离子析出的电荷与积云中的电荷发生中和作用，可有效消除雷击现象。应用中用镀上等离子体的金属球与建筑物的引下线相连接，当雷电云层靠近等离子体的时候，在云层电磁场的作用下等离子体会发生相应的物理和化学变化，析出极性相反的电荷，并逐渐与云中的电荷发生中和反应，这样就能从根本上消除雷电流的存在，起到很好的防雷作用。

4.2 雷击监测预警技术

雷击现象发生时，积云中的电荷已经积累到相当多的数量，这时云层之间、云与地面之间具有很大强度的场强。电荷积累到饱和状态就会发生放电现象。根据大气场强强度变化，通过电磁感应原理可以监测积云中电磁极性、电荷强度、分布密度和发展形势等状况，进而对雷击发生的时间、方位、动向做出一系列的判断和预测。另外，可以利用多普勒雷达、卫星云图、电场仪和磁场仪等专业仪器进行辅助判断。雷击预测监控系统由软硬件组成，主要分为监测界面、处理界面和报警界面3个部分。监控方面利用计算机算法进行程序的编制综合，使用数据库图形处理等计算机技术，实现对云层状况的动态监测和模拟。通过人机对话系统和可视化操作系统，可以实现监测设定，了解雷雨天气时雷击事故的动向，辅助进行人工监测。系统可以将监测到的结果进行运算，当达到一定的设定值时发出警报。

4.3 接闪器自启动技术

利用接闪器自动升降，可以实现自动引擎防雷技术。接闪器自启动技术综合了一部分自动化技术和机电自动升降原理，自动升降装置主要由计算机进行控制。当雷电预警系统报警的时候，该区域很可能发生雷电活动和雷电电荷放电趋势，自动升降避雷装置就会进入工作状态并做出相应的反应，避雷针自动升高到设置高度，对保护范围内的建筑物、电力电缆、通信设施等起到保护作用。当雷云消失或电场的场强减弱到一定程度时，雷电预警系统取消，这种自动装置就会解除报警状态，升起的避雷针就会自动降至原位。自动引擎接闪器，无需人工配合，全部由机电一体化和自动化技术完成，其升降、限位、密封和电流泄散发挥了良好的防雷泄流作用。

4.4 供电回路自动切换技术

供电线路双回路智能切换技术，采用现代智能化信息手段，将电气搭接的电源系统进行自动切换。这种切换过程实现了供电电源与蓄电UPS电源之间的转换，雷击现象发生时有效避免在用回路遭受雷击，从而实现对系统数据的保护及设备安全性的防护。由于系统设计上自动实现了雷击前对电源的关闭状态，避免了经济损失。系统一般包括电源自动切换功能、远程手动切换功能、就地切换功能及在线的监测功能等。雷云逐渐形成时，系统自动感应并切断电源线路，有效保护电源；雷云逐渐消散时系统没有雷击威胁，此时系统就会自动转换，将开关合闸恢复供电。这种系统设置灵活性较强，人们可以选择远程自动化合闸，也可以选择本地合闸功能，为防雷工作带来了巨大便利。

4.5 防雷智能在线监测技术

防雷智能在线监测技术[6]，可以通过物联网、云存储、大数据、信息化等技术的有效结合，实现综合性的在线防雷监测。在线监测系统主要监测接地装置的接地阻值、雷击电流、雷击电压、浪涌保护器的动作状态等。该技术能有效采集接地阻值、累积能量、电势强度、雷击次数和可能性、累积电荷、保护器的漏电状态以及空气开关的工作状态等。在线监测技术的使用可以辅助人们更直观、更有效、更主动地防御雷击事故。

5 结 论

通信企业要明确认识到雷电的危害，相关人员需要加大对雷电防护措施的研究力度。通信企业要充分认识到通信机房、通信基站以及通信线路防雷基础设施的重要性，筑牢基础性的防雷保障措施，保证通信企业不出现或者极少出现雷击事故。另外，通信企业要加大科技投入与创新力度，组织科研攻关，在防雷关键问题上加大政策扶持和科研投入，并适时引进新技术及新产品，让智能监测技术、自启动避雷技术以及基于大数据背景下的自切换等新型防雷技术应用于现场实际，为通信企业的防雷工作带来保证，助力通信企业稳健发展。