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根据雷电和操作瞬间过城市危害的可能通道从电源线到数据通信线路都应做多级层保护。
1.外部无源保护
在0级保护区即外部作无源保护,主要有避雷针(网、线、带)和接地装置(接地线、地极)。
保护原理:
当雷云放电接近地面时,它使地面电场发生畸变。
在避雷针(线)顶部,形成局间电场强度畸变,以影响雷电先导放电的发展方向,引导雷电向避雷针(线)放电,再通过接地引下线,接地装置将雷电流引入大地,从而使被保护物免受雷击。
这是人们长期实践证明的有效的防直击雷的方法。
然而,以往一般认为用避雷针架空得越高越好(一般只按45度角考虑),且使用被动放电式避雷针,其反应速度差,保护的范围小以及导通量小。
根据现代化发展的要求,避雷针应选择提前放电主动式的防雷装置,并且应该从30度、45度、60度等不同角度考虑,安装,以做到对各种雷击的防护,增大保护范围以及增加导通量。
建筑物的所有外露金属构件(管道),都应与防雷网(带,线)良好连接。
2.内部防护
电源部分防护:
雷电侵害主要是通过线路侵入。
高压部分电力局有专用高压避雷装置,电力传输线把对地的电力限制到小于6000伏(IEEEEC62.41),而线对线则无法控制。
所以,对380v低压线路应进行过电压保护,按国家规范应发三部分:
建议在高压变压器后端到楼宇总配电盘间的电缆内芯线两端应对地加避雷器,作一级保护;
在楼宇总配电盘至楼层配电箱间电缆内芯线两端应对地加装避雷器,作二级保护;
在所有重要的、精密的设备以及UPS的前端应对地加装避雷器,作为三级保护。
目的是用分流(限幅)技术即采用高吸收能量的分流设备(避雷器)将雷电过电压(脉冲)能量分流泄入大地,达到保护目的,所以,分流(限幅)技术中采用防护器的品质、性能的好坏是直接关系网络防护的关键,因此,选择合格优良的避雷器至关重要。
信号部分保护:
对于信息系统,应分为粗保护和精细保护。
粗保护量级跟据所属保护区的级别确定,精细保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。
其主要考虑的如:
卫星接收系统、电话系统、网络专线系统、监控系统等。
建议在所有信息系统进入楼宇的电缆内芯线端,应对地加装避雷器,电缆中的空线对应接地,并做好屏蔽接地,其中应注意系统设备的在线电压、传输速率、按口类型等,以确保系统正常的工作。
3.按地处理
在计算机机房的建设中,一定要求有一个良好的接地系统,因所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄入大地,从而保护设备和人身安全。
如果机房接地系统做得不好,不但会引起设备故障,烧坏元器件,严重的还将危害工作人员的生命安全。
另外还有防干扰的屏蔽问题,防静电的问题都需要通过建立良好的接地系统来解决。
一般整个建筑物的接地系统有:
建筑物地网(与法拉第网相接)、电源地(要求地阻小于10欧)、逻辑地(也称信号地)、防雷地等,有的(如IBM)公司要求另设专用独立地,要求地阻小于4欧(根据实际情况可能也会要求小于1欧)。
然而,各地必须独立时,如果相互之间距离达不到规范要求的话,则容易出现地电位反击事故,因此,各接地系统之间的距离达不到规范的要求时,应尽可能连接在一起,如实际情况不允许直接连接的,可通过地电位均衡器实现等到电位连接。
为确保系统正常工作,应每年定期用精密地阻仪,检测地阻值。
接地装置由接地极及一些附件、辅助材料组成。
接地装置的选材和施工主要决定于土质结构,即土壤的地阻率p。
不同层土质结构不同,因而地阻率p不同,为增加接地装置使用效率,应使用长效降阻剂
过电压造成建(构)筑物及设备损坏的几个方面
1.雷电
A.直击雷:
是指雷电直接击在建筑物构架、动埴物上,因电效应、热效应和机械效应
等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。
一般防直击雷是通过避雷装置即接闪器(针、带、网、线、)引下线构成完整的电气通路后将雷电流泄入大地。
然而接闪器、引下线和接地装置的导通只能保护建筑物本身免受直击雷的损毁,但雷电会透过多种形式及途径破坏电子设备。
B.感应雷:
是雷电在雷云之间或雷云对地的放电时,并在附近的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线和电磁感应并侵入设备,使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。
感应雷虽然没有直击雷猛烈,但
其发生的机率比直击雷高得多。
直击雷只发生在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害,而感应雷则不论雷云对地闪击或者雷云对雷云之间闪击,都可能发生并造成灾害。
此外直击雷一次只能袭击一个小范围的目标,而一次雷闪击都可以在较大的范围内多个小局部同时产生感应雷过电压现象并且这种感应高压可以通过电力线、电话线等传传输到很远,至使雷害范围扩大。
C.雷电波侵入:
由于雷电电流有极大峰值和陡度,在它周围的出现瞬变电磁场,处在这瞬变电磁场中的导体会感应出较大的电动势,而此瞬变电磁场,都会在空间一定的范围内产生电磁作用,也可以是脉冲电磁波辐射,而这种空间雷电电磁脉冲波(LEMP)是在三维空间范围里对一切电子设备发生作用。
因瞬变时间及短或感应的电压很高,以致产生电火花,其磁脉冲往往超过2.4高斯。
现代银行、邮电、证券机房或营业柜台普通应用微机进行货币存取、信息传递与交换,其对磁脉冲承受限度一般为小于0.007高斯,故在新机房建设或旧机房改造时应对防雷与磁屏蔽措施必须充分注意。
D.球形雷:
是一种特殊的雷电现象,简称球雷。
一般是以橙或红色,或似红色火焰地发光球体,(也有带黄色、绿色、蓝色或紫色的),直径一般约为10-20厘米,最大的直径可达一米,存在的时间大约为百分之几秒至几分钟,一般是3至5秒,其下降时有的无声,有的发出嘶嘶声,一旦遇到物体或电气设备时会产生燃烧或爆炸,其主要是沿建筑物的孔洞或开着的门窗进入室内,有的由烟囱或通气管道滚进楼房,多数沿带电体消消失。
2.操作瞬间过电压:
众所周知,当电流在导体上流动时,会产生磁场,储存能量,电流截越大,导线越长,储能越大,所以当大型负载(特别是电感性负载)电气设备开关时,便会产生瞬时过电压。
3.地电位反击:
是指雷击大地或接地体,引起地电位上升而波及附近的电子设备,对设备产生反击,损害其对地绝缘。
中华人民共和国通信行业标准
微波站防雷与接地设计规范
YD2011-93
主编部门:
邮电部基建司
批准部门:
中华人民共和国邮电部
实行日期:
1994年6月1日
一、总则
1.为根治微波站,特别是高山微波站通过交流电力引线、微波天线系统以及其它各种进出站的缆线所引入的雷害,达到确保微波站构筑物、站区工作人员的安全,以及站内通信设备的安全和正常工作,特制定本规范。
2.本规范适用于新建微波站的防雷与接地设计;
对于改建、扩建微波站的防雷与接地设计亦可参照执行;
对微波站的综合通信楼防雷与接地设计应按《通信局(站)接地设计暂行技术规定》YD26-89执行。
3.由于微波站引入雷害的途径多并且遭受雷害机率高,所以微波站的防雷与接地应进行全方位的综合治理。
采取泄放、消峰、均压等电位的联合接地设计原理,全面系统地做好微波站的防雷与接地设计。
4.为微波站供电的电力电缆及其它进出缆线必须具有金属外护层或穿金属管道,并埋设于地下。
5.微波站防雷与接地应统筹设计,统筹施工,加强随工验收和维护管理,以确保微波站防雷与接地的工程质量,做到安全可靠。
6.当本规范与国家有关标准矛盾时,应以国家标准为准。
如执行本规范个别条文有困难时,在设计中应充分论述理由,提出采取措施的报告,报主管部门审批。
7.微波站防雷与接地设计应积极采用有理论依据、经实践反复证明行之有效的、经过鉴定的新技术和新产品。
8.本规范解释权属邮电部基本建设司。
二、一般要求
1.微波站直流工作接地,应从接地汇集线上就近引线,接地线截面积应满足最大负荷要求,一般为35-95平方毫米,材料为多股铜线。
2.微波站通信设备及供电设备的正常不带电的金属部门、通信设备所设防雷保安器的接地端,均应作保护接地,严禁作接零保护,其接地线截面积应不小于35平方毫米,材料为多股铜线。
3.出入微波站的电缆金属护套在入站处应作保护接地,电缆内芯线在进站处应加装保安器,电缆内的空线对亦应作保护接地。
站区严禁布放架空缆线。
4.机房内的走线架应每隔5米作一次接地。
走线架、吊挂铁件、机架(或机壳)、金属通风管道、金属门窗,以及其它金属管线,均应良好接地并相互妥善连通。
5.微波天线的馈线及塔顶航空障碍信号灯馈线的金属外护层,应在顶端及进入机房入口处的外侧就近接地。
经走线架上塔的天线的馈线,应在其转弯处上方0.5-1米范围内作良好接地;
在进入机房入口处应与地网就近引出的接地线妥善连通。
塔灯控制线的每根相线均应在机房入口处分别对地加装氧化锌无间隙避雷器,零线直接接地。
6.微波天线应在避雷针保护范围内。
避雷针与引下线应可靠焊接连通,引下线材料为40毫米×
4毫米镀锌扁钢。
引下线在地网上连接点与接地引入线在地网上连接之间的距离宜不小于10米。
7.微波机房屋顶应设避雷网,其网格尺寸不大于3米×
3米,且与屋顶避雷带一一焊接连通。
微波机房四角应设雷电流引下线,该引下线可利用机房四角房柱内2根以上主钢筋,其上端应与避雷带、下端应与地网焊接连通。
机房屋顶上其他金属设施亦应分别就近与避雷带焊接连通。
8.当微波站天线铁塔位于机房旁边时,铁塔地网与机房地网之间,应每间隔3-5米相互焊接连通一次(至少有两处相互连通),铁塔四脚应与其地网就近焊接连通。
当微波站天线铁塔位于机房屋顶时,其四脚应在屋顶与雷电流引下线分别就近连通。
由机房屋顶进入机房的缆线和太阳能电池馈电线,应采用具有金属护层的电线,其金属护层在进入机房入口处,就近与屋顶女儿墙上的避雷带焊接连通,电缆内芯应在入口处一一就近对地加装保安器。
9.微波站交流电力变压器高压侧的三根相线,应分别就近对地加装氧化锌避雷器;
电力变压器低压侧的每根相线应分别就近对地加装氧化锌无间隙避雷器。
变压器的机壳、低压侧的交流零线,以及与变压器相连的电力电缆的金属外护层,应就近接地。
10.进入微波站的低压电力电缆的长度应不小于50米,其三根相线及零线在进交流屏之前,应分别对地加装氧化锌无间隙避雷器或其他可靠防雷器件,屏内交流零线不作重复接地。
11.微波站电力变压器不宜与微波机房在同一建筑物内,若其安装在机房内时,高压电力电缆长度应不小于200米,在与架空电力线的接头处,电缆金属外护层应就近接地,电缆内三根相线应分别对地加装氧化锌避雷器。
当电缆埋设于年雷暴日超过20天,大地电阻率超过100欧·
米的地段时,应在电缆上方埋设屏蔽线。
12.微波站的架空高压电力线路,其进站端上方宜设架空避雷线,长度为300-500米。
避雷线的保护角应不大于25°
。
避雷线(除终端杆外)宜每杆作一次接地。
为确保安全,宜在避雷线终端杆的前一杆上,增装一组氧化锌避雷器。
若已建站的架空高压电力线路防雷改造采用避雷线有困难时,可在架空高压电力线路终端杆、终端杆前第一、第三或第二、第四杆上各增设一组氧化锌避雷器,同时在第三杆或第四杆增设一组高压保险丝。
避雷线与避雷器的接地体,宜设计成辐射形或环形。
13.微波站的交直流配电设备及电源自动倒换控制架,应选用机内具有分级防雷措施的产品,即:
交流屏输入端、自动稳压稳流的控制电路,均应有防雷措施;
直流屏的输出端应有浪涌吸收装置。
三、微波站的联合接地系统
3.1微波站地网的组成
1.微波站地网由机房地网、铁塔地网和变压器地网组成,同时应利用机房建筑物的基础(含地桩)及铁塔基础内的主钢筋作为接地体的一部分。
地网的组成如图3.1.1所示。
2.机房地网的组成:
利用机房建筑物基础自然间横竖梁内的2根以上主钢筋(必要时辅以相同尺寸的钢筋),组成网格不大于3米×
3米的机房地网。
当机房建筑物基础有桩时,应将地桩内2根以上主钢筋与机房地网就近焊接连通。
3.铁塔地网的组成:
当微波天线铁塔座落在机房旁边时,其地网面积应延伸到塔基四脚外1.5米以远的范围,网格尺寸应不大于3米×
3米,其周边为封闭式。
同时,还应利用塔基地桩内2根以上主钢筋作垂直接地体,与地网焊接连通;
当微波机房位于微波天线塔内或微波天线铁塔位于机房屋顶时,宜在机房地网四角设置辐射式外引接地体,以利雷电散流。
4.变压器地网的组成:
当电力变压器设置在机房内时,其地网可合用机房及铁塔地网组成的地网;
当电力变压器设置在机房外,且距机房地网边缘30米以内时,变压器地网与机房地网或与铁塔地网之间,应每间隔3-5米相互焊接连通(至少有两处连通),以相互组成一个周边封闭的地网。
5.当地网的接地电阻值达不到要求时,应扩大其面积,具体做法是:
在地网外围增设1圈或2圈环形接地装置。
环形接地装置由水平接地体和垂直接地体组成,水平接地体周边为封闭式,水平接地体与地网宜在同一水平面上,环形接地装置与地网之间以及环形接地装置之间均应每间隔3-5米相互焊接连通一次;
也可在铁塔四角设置辐射式延伸接地体,延伸接地体的长度宜限制在10-30米。
3.2接地体
1.接地体应采用镀锌钢材,其规格要求如下:
2.
∙钢管Φ50毫米,壁厚应不小于3.5毫米;
∙角钢应不小于50毫米×
50毫米×
5毫米
∙扁钢应不小于40毫米×
4毫米
3.垂直接地体长度为1.5-2.5米。
垂直接地体间距为其自身长度的1.5-2倍。
当垂直接地体埋设有困难时,可设多根环形水平接地体,其彼此间隔可为1-1.5米,且应每隔3米相互焊接连通一次。
4.接地体之间所有焊点,除浇注在混凝土中的以外,均应进行防腐蚀处理。
接地装置的焊接长度:
对扁钢为宽边的2倍;
对圆钢为其直径的10倍。
5.接地体埋深,其上端距地面应不小于0.7米,在寒冷地区,接地体应埋设在冻土层以下。
接地坑应回填土壤或降阻材料。
3.3接地引入线
1.接地引入线长度应不超过30米,其材料为镀锌扁钢,截面积应不小于40毫米×
4毫米。
接地引入线应作防腐、绝缘处理,并不得在暖气地沟内布放,埋设时应避开污水管道和水沟,裸露在地面以上部分,应有防止机械损伤的措施。
2.接地引入线应以对称方式(南北或东西)由地网就近引入,其中2根与电力室接地汇集线相连,另2根与机房接地汇集线相连。
两接地汇集线之间应采用截面积不小于40毫米×
4毫米镀锌扁钢朴素妥善连通,其连接方式如图3.3.2所示。
3.4接地汇集线
1.接地汇集线一般设计成环形或排状,材料为铜材,其截面积应不小于120平方毫米,也可采用相同电阻值的镀锌扁钢。
电力室的接地汇集线可设在干燥的地槽内或墙面适宜位置。
微波机房的接地汇集线可设在地槽内、墙面适宜位置或走线架上
四、接地电阻值
1.微波中继站地网的工频接地电阻值应不大于10欧;
微波枢纽站地网的工频接地电阻值应不大于5欧。
2.无源中继站地网的工频接地电阻值为20-30欧。
3.架空电力线与电力电缆接口处的保护接地以及电力变压器保护接地的接地电阻值应不大于10欧。
4.架空电力线上方的避雷线及增装在高压线上的避雷器的接地电阻值,其首端(即进站端)应不大于10欧,中间和末端应不大于30欧。
通信站防雷
通信站的雷电防护问题过去一直都存在,由于近年来大量采用了高可靠性的先进设备,加上运维水平的提高,通信站的运行可靠性也极大地提高,而现代的电信设备对雷电较敏感,这样雷害问题就日益凸显出来。
九十年代是防雷工作大发展的十年,国际上国际电工委员会颁布了IEC系列防雷标准,国内也颁布了基于IEC标准的国标,各相关行业也将防雷要求列入标准。
邮电部作为最早在国内开展弱电系统防雷的行业,也颁布了许多关于通信站防雷的新标准。
由于防雷牵涉的范围很广,必须系统考虑才能取得经济有效的成果。
一、雷电对通信站的危害
1.直击雷的危害
雷云对地放电的主通道通过被保护物,就称被保护物被直击雷击中。
雷电直接击中通信站建筑、通信设备、通信电缆和操作人员,可能会造成建筑损毁,设备损坏、人员伤亡和电气短路引起火灾等严重后果,因此直击雷发生的概率虽然很小,但其危害十分大,所以不能掉以轻心。
2.感应雷的危害
雷云对地放电的主通道虽然没有经过被保护物,但放电过程中产生的强大的电磁场可以在附近的导体中感应起电磁脉冲,我们称为雷电电磁感应脉冲,即通常所说的感应雷。
显然感应雷是由直击雷引起的,感应雷产生于导体中并沿导体传播,损坏与导体相联的某些设备或设备中的某些器件。
(这些设备或器件的耐冲击水平较低)通信站的设备中有大量的集成电路通过金属导线相连,并且通信站也通过电力电缆和各种通信传输电缆与外界相连,这就为感应雷的侵入提供了良好的条件,加上现代通信设备采用了大量高集成度的微电子电路,其耐冲击水平较低,容易被感应雷损坏,产生各种各样的设备故障。
如接口板损坏、内部通信口的损坏、整流模块的损坏等,有时感应雷引起故障甚至让我们很难与雷电联系在一起,但却是由雷电引起的。
感应雷形成的破坏虽然不及直击雷大,但其损害的往往是通信设备的核心器件,给正常通信带来障碍。
有研究表明直击雷可在其周围1000米范围的半导体上感应起危险电压,加上通信站与外界连接的各种长距离电缆可在更大的范围内感应上雷电电磁脉冲,并几乎无衰减的沿电缆传入通信站。
因此对通信站来讲感应雷的概率远大于直击雷的概率,可以这样说通信站防雷主要是防感应雷。
二、通信站的防雷
1.直击雷的防护
虽然有不少专家学者在努力的研究有效的防止直击雷的方法,但直到今天我们还是无法阻止雷击的发生。
实际上现在公认的防直击雷的方法仍然是200年前富兰克林先生发明的避雷针。
a.接闪器
避雷针及其变形产品避雷线、避雷带、避雷网等统称为接闪器。
历史上对接闪器防雷原理的认识产生过误解。
当时认为:
避雷针防雷是因为其尖端放电综合了雷云电荷从而避免了雷击发生,所以当时要求避雷针顶部一定要是尖端,以加强放电能力。
后来的研究表明:
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,并且能量越大的雷就越易被金属导体吸引。
这样接闪器的防雷是因为将雷电引向自身而防止了被保护物被雷电击中。
现在认为任何良好接地的导体都可能成为有效的接闪器,而与它的形状没有什么关系。
有铁塔的通信站铁塔本身就是良好的接闪器,如果铁塔在建筑物顶应将铁塔四周与屋顶避雷带作好电气连接。
铁塔在通信站附近的可在建筑物顶部设避雷带,并校核铁塔和避雷带联合防雷的保护范围。
方法见国标《建筑物防雷设计规范》(GB50057--94)。
通信站附近无铁塔的宜优先采用避雷网、作为建筑物的接闪器,如果屋面有天线等通信设施可在局部加装避雷针保护,这样接闪器的高度不会太高,不会增大通信站的雷击概率。
避雷网的网格尺寸应不大于10mX10m,避雷针应与避雷网可靠连接。
b.引下线
引下线的作用是将接闪器接闪的雷电流安全的导引入地,引下线不得少于两根,并应沿建筑物四周对称均匀的布置,引下线的间距不大于18米,重要通信局和100米及以上的电信楼其引下线的间距应不大于12米。
引下线接长必须采用焊接,引下线应与各层均压环焊接,引下线采用10毫米的圆钢或相同面积的扁钢。
对于框架结构的建筑物,引下线应利用建筑物内的钢筋作为防雷引下线。
采用多根引下线不但提高了防雷装置的可靠性,更重要的是多根引下线的分流作用可大大降低每根引下线的沿线压降,减少侧击的危险。
的目的是为了让雷电流均匀入地,便于地网散流,以均衡地电位。
同时,均匀对称布置可使引下线泻流时产生的强电磁场在引下线所包围的电信建筑物内相互抵消,减小雷击感应的危险。
c.接地体
接地体是指埋在土壤中起散流作用的导体,接地体应采用:
∙钢管直径大于50毫米,壁厚大于3.5毫米;
∙角钢不小于50X50X5毫米
∙扁钢不小于40X4毫米。
应将多根接地体连接成地网,地网的布置应优先采用环型地网,引下线应连接在环型地网的四周,这样有利于雷电流的散流和内部电位的均衡。
垂直接地体一般长为1.5-2.5米,埋深0.8米,地极间隔5米,水平接地体应埋深1米,其向建筑物外引出的长度一般不大于50米。
框架结构的通信站应采用建筑物基础钢筋做接地体。
2.感应雷的防护
前面已提到感应雷是因为直击雷放电而感应到附近的金属导体中的,其实感应雷可通过两种不同的感应方式侵入导体,一是静电感应:
在雷云中的电荷积聚时,附近的导体也会感应上相反的电荷,当雷击放电时,雷云中的电荷迅速释放,而导体中原来被雷云电场束缚住的静电也会沿导体流动寻找释放通道,就在电路中形成电脉冲。
二是电磁感应:
在雷云放电时,迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场,在其附近的导体中产生很高的感生电动势。
研究表明:
静电感应方式引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌。
感应雷可以通过电力电缆、通信电缆、光纤和天馈线侵入通信站,由于电力电缆的距离长且对雷电波的传输损耗小,所以由电源侵入的感应雷造成的危害十分突出,按原邮电部的统计约占了通信站雷击事故的80%。
因此,对通信站进行感应雷防护时,电源是重点。
感应雷还可以通过空间感应侵入通信站的内部线路,虽然经过建筑物和机壳的屏蔽衰减后其能量大为减小,但站内许多电信设备的抗过压能力也很弱,如果处理不当也可能造成设备故障。
a.电源防护
信息产业部发布了专门的通信电源防雷标准,对各种通信站的电源防雷提出了具体要求,主要是两条:
一是电力电缆应有金属屏蔽层,且必须埋地进出通信站。
二是在电源上逐级加装电源避雷器,实现多级防护。
即在变压器的高压端加装高压避雷器,低压侧加装低压避雷器,在交流配电屏和直流配电屏分别加装交、直流避雷器。
通信电源防护应注意以下问题:
∙进局电力电缆的防雷容易引起重视
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