機(jī)房防雷等電位理論概述

機(jī)房防雷等電位理論概述第一頁，共三十六頁，2022年，8月28日1、引論2、接地的目的與誤區(qū)3、移動(dòng)基站接地的現(xiàn)狀4、基站內(nèi)經(jīng)常遭雷擊損壞設(shè)備的原因與分析5、機(jī)房內(nèi)等電位連接改造內(nèi)容簡介第二頁，共三十六頁，2022年，8月28日1、引論

隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋面的增加、網(wǎng)域的擴(kuò)張，從節(jié)約成本等因素考慮，迫使許多移動(dòng)通信機(jī)房需在高山、民用建筑中建立。而高山和民用建筑本身的環(huán)境對于移動(dòng)通信機(jī)房來說是比較惡劣的：高山的土質(zhì)很差，多為碎石土壤、風(fēng)化巖或花崗巖石，表面土僅十幾至幾十厘米厚，并且土壤電阻率極高；民用建筑本身的接地系統(tǒng)不完善。在這種情形下如一味的降低機(jī)房地阻的代價(jià)是極高的且有時(shí)也是不可能的。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，遭雷擊損壞的基站中：機(jī)房接地電阻5以下的占74%，5-10的占19%，10以上的占7%；該數(shù)據(jù)表明機(jī)房接地電阻的高低與雷擊概率的關(guān)系為同樣的地理環(huán)境下地阻小的機(jī)房反而更容易遭受雷擊。第三頁，共三十六頁，2022年，8月28日因此，基站的防雷應(yīng)從綜合防雷，系統(tǒng)的進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用等電位的理論進(jìn)行施工改造。才能真正確保“高枕無憂”。本講稿針對移動(dòng)機(jī)房防雷現(xiàn)狀，闡述了等電位理論的概念、方法、施工要求以及其重要性。望能夠給因移動(dòng)基站被雷擊損壞所困擾的設(shè)計(jì)施工人員帶來一些啟示。當(dāng)今信息技術(shù)的不斷發(fā)展，大規(guī)模集成電路的普遍應(yīng)用。通信設(shè)備的抗干擾能力增強(qiáng)了，但其耐雷擊脈沖的能力降低了。只有設(shè)備間的電位差縮小了，才能減小雷擊脈沖對設(shè)備的影響，而對于接地電阻值的大小則無關(guān)緊要了。1、引論

第四頁，共三十六頁，2022年，8月28日2.1移動(dòng)基站接地的目的按照IEC60950《信息技術(shù)設(shè)備的安全規(guī)范》采用通信開關(guān)電源供電的通信設(shè)備屬于基本絕緣類設(shè)備。所以這類設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分一定要可靠接地，其目的是為了防止設(shè)備故障時(shí)的危險(xiǎn)電壓對人身構(gòu)成電擊危險(xiǎn)。因此應(yīng)直接接保護(hù)地；對于以分離器件為主的模擬通信設(shè)備，由于考慮干擾信號的地環(huán)流影響，所以設(shè)備需要獨(dú)立的工作接地，但對于以大規(guī)模集成電路器件為主的數(shù)字通信設(shè)備，由于設(shè)備本身的抗干擾能力較強(qiáng)但內(nèi)部器件的抗電涌能力極差，所以工作地可以也必須直接和保護(hù)地合一。2、接地的目的與誤區(qū)第五頁，共三十六頁，2022年，8月28日對于直流系統(tǒng)（-48V系統(tǒng)為直流正接地，+24V系統(tǒng)為直流負(fù)接地）其接地目的至少應(yīng)包括以下兩個(gè)方面：a.固定電位，防止在供電系統(tǒng)故障后，危險(xiǎn)電壓對人身構(gòu)成電擊危險(xiǎn)；b.固定電位，防止在供電系統(tǒng)故障后，危險(xiǎn)電壓對設(shè)備本身的危險(xiǎn)。

所以該接地也可以且必須和保護(hù)地合一。為防止靜電對設(shè)備本身的危害，應(yīng)直接接保護(hù)地。為給竄入系統(tǒng)的雷電能量提供一個(gè)泄放的渠道，應(yīng)直接接保護(hù)地。2、接地的目的與誤區(qū)第六頁，共三十六頁，2022年，8月28日不是因?yàn)樵O(shè)備要防雷就一定要接地 手機(jī)不接地、電視機(jī)不接地、飛機(jī)不接地，但其防雷問題都解決的很好。這是因?yàn)槔资翘炫c地之間的一種電荷釋放現(xiàn)象，在該過程中，會在信息技術(shù)設(shè)備系統(tǒng)中產(chǎn)生感應(yīng)過電壓。對特低安全電壓類設(shè)備（手機(jī)、飛機(jī)）和加強(qiáng)絕緣類設(shè)備（電視機(jī)），由于其不接地，所以這兩類設(shè)備只要處理好差模（線間）感應(yīng)雷過電壓就行了。而對于基本絕緣類設(shè)備，由于安規(guī)要求必須接地，所以不但要解決差模（線間）感應(yīng)雷過電壓的防護(hù)問題，而且還要解決共模（線地間）感應(yīng)雷過電壓的防護(hù)問題，并且一般而言差模感應(yīng)雷過電壓的幅值遠(yuǎn)小于共模感應(yīng)雷過電壓的幅值。另外，由于移動(dòng)通信基站是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，雷電過電壓引起的地電位抬高，高電位反擊常常是造成設(shè)備損壞的主要原因，所以就造成了人們對接地的偏見，認(rèn)為防雷就必須接地，甚至很多人以為防雷就是接地。

2、接地的目的與誤區(qū)第七頁，共三十六頁，2022年，8月28日不能簡單的認(rèn)為接地電阻越小，防雷效果就越好 通常接地電阻越小，防雷問題就越容易解決，但防雷效果和接地電阻并無直接關(guān)系。這是因?yàn)閷Ψ览锥?，接地線電感對設(shè)備的影響遠(yuǎn)大于接地電阻對設(shè)備的影響。這個(gè)原因在于只要按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和施工，接地電阻上的電壓降對整個(gè)機(jī)房設(shè)備都是等電位的，而不會在設(shè)備間形成大的電位差，但引線電感上的電位差卻是直接加在設(shè)備間的。2、接地的目的與誤區(qū)第八頁，共三十六頁，2022年，8月28日天饋線開關(guān)電源GSMSPD接地電阻理論地ab配電箱380V入基站等電位示意圖第九頁，共三十六頁，2022年，8月28日

如接地電阻處的電位抬高則整個(gè)機(jī)房內(nèi)電位抬高,設(shè)備仍處于等電位中；但如設(shè)備至地之間引線較長的話，a線為天饋避雷器接地線（通常長度為2~3米，也有的基站為5~7米），b線為電源SPD接地線（通常長度為3~5米，也有的基站為7~9米，個(gè)別甚至有10米以上）,其上的電位差都可能引起設(shè)備損壞。這個(gè)電位差，可根據(jù)下式算出：U=Ldi/dt+IR，如引線長1m，入侵的雷電流為20kA（8/20s），則每米導(dǎo)線上的電壓降為3.6kV，b電位會抬高至36kV，開關(guān)電源則會因過壓導(dǎo)致?lián)p壞。如入侵的雷電流為5kA（8/20s）則每米導(dǎo)線上的電壓降為1.2kV，a電位會抬高至6kV左右，GSM設(shè)備會因過壓導(dǎo)致?lián)p壞。2、接地的目的與誤區(qū)第十頁，共三十六頁，2022年，8月28日

正確的概念是：對必須接地的設(shè)備，從防雷角度講，必須進(jìn)行可靠接地，但地阻值的大小是安規(guī)的要求，對防雷效果并無直接影響。對防雷效果影響最大的是基站內(nèi)系統(tǒng)間的等電位連接，因此為了保證基站內(nèi)設(shè)備安全，設(shè)備間必須進(jìn)行合理有效的等電位連接。

2、接地的目的與誤區(qū)第十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日

根據(jù)YD5068-98《移動(dòng)通信基站防雷與接地設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，基站的接地電阻應(yīng)小于5Ω，但基站所處地理環(huán)境千差萬別，滿足條款的要求可能有眾多問題，也難以達(dá)到條文所要求的接地電阻值，當(dāng)然由于基站的地網(wǎng)類型很多，不可能用一種模式去解決所有的問題。那么由于郊區(qū)、山區(qū)、城市、專用機(jī)房和租用建筑物環(huán)境因素不同，基站地網(wǎng)是否能滿足標(biāo)準(zhǔn)的接地電阻的要求呢？下面分別討論。3、移動(dòng)基站接地的現(xiàn)狀第十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日3.1建在郊區(qū)或山區(qū)的基站地網(wǎng) 目前建在郊區(qū)或山區(qū)基站移動(dòng)通信基站有各種各樣的地網(wǎng)，接地電阻值從幾歐至幾十歐姆不等。這主要由基站所處的地理環(huán)境和土質(zhì)以及站址所在地區(qū)土壤電阻率所決定，對于正在運(yùn)行的基站設(shè)備實(shí)踐證明：“接地電阻的大小對基站設(shè)備技術(shù)參數(shù)以及信號傳輸沒有任何影響”。另外對于建在山區(qū)的基站實(shí)際所處的地理位置與雷電的活動(dòng)區(qū)域有著一定的聯(lián)系，而且土質(zhì)很差，大地電阻率極高（1500.m以上），要使基站的地網(wǎng)電阻做的很小是極為困難的。

3、移動(dòng)基站接地的現(xiàn)狀第十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日3.2建在城市利用辦公大樓和大型建筑物的地網(wǎng) 國家標(biāo)準(zhǔn)GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》對于建筑物的接地一般都采用其鋼筋混凝土基礎(chǔ)作為地網(wǎng)，因?yàn)榻ㄖ锲滗摻罨炷粱A(chǔ)埋地較深，與大地的接觸面積大，在相同的土質(zhì)條件下，用其基礎(chǔ)作接地體可比一般人工接地所得的電阻低的多，另外基礎(chǔ)鋼筋埋設(shè)在混凝土中，作為接地體的鋼筋不會受到外力的損傷和破壞，不需要維護(hù)、使用期限長，接地電阻穩(wěn)定。對于通信局（站）這種接地方法是相當(dāng)有效的。同樣利用辦公大樓、大型賓館、高層建筑的基礎(chǔ)作為基站機(jī)房和天饋線系統(tǒng)的接地是可行的（相對而言，此類建筑物內(nèi)的主鋼筋作為防雷接地系統(tǒng)是安全的）。3、移動(dòng)基站接地的現(xiàn)狀第十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日3.3建在城市和郊區(qū)利用小型民用建筑的地網(wǎng) 移動(dòng)通信系統(tǒng)的擴(kuò)容，微蜂窩、小區(qū)化，城市中多數(shù)基站一般都利用小型民用建筑設(shè)立站址，在其建筑物房頂安裝移動(dòng)通信天線，并在樓頂?shù)哪骋婚g房子作為機(jī)房，其接地也是從避雷帶或房間中的柱子引出。國家標(biāo)準(zhǔn)GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》，對于通信局（站）和民用建筑的防雷設(shè)計(jì)，從建筑物的分類來講就不是一個(gè)類別，對于通信局（站）的防雷設(shè)計(jì)要求，遠(yuǎn)高于小型民用建筑的防雷設(shè)計(jì)，不同類別的建筑物使用的目的是不同的，明明是民用建筑物，基站卻要設(shè)計(jì)在這里，這就為移動(dòng)通信基站的防雷接地帶來不少的難題，另外往往由于條件所限或者租用的民用建筑物所處的業(yè)主和環(huán)境因素，實(shí)施接地系統(tǒng)的改造需要得到業(yè)主的同意。3、移動(dòng)基站接地的現(xiàn)狀第十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日3、移動(dòng)基站接地的現(xiàn)狀3.4機(jī)房內(nèi)設(shè)備接地線的連接方式

設(shè)備的接地一般按下圖所示方法，呈大星形狀接地。較長的能有十幾米，這樣當(dāng)基站受雷擊時(shí)，設(shè)備間的電位差就會非常大，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生損壞。.地網(wǎng)排狀接地匯流排設(shè)備第十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日

通信局（站）地網(wǎng)的概念在小型民用建筑中是不可能存在的，小型民用建筑本身的防雷接地僅是利用建筑物內(nèi)的金屬構(gòu)件和基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋作為防雷接地系統(tǒng)，由于作為雷電流引下線柱內(nèi)的主鋼筋并非要求焊接，此時(shí)若將建筑物本身金屬構(gòu)件的作為唯一的接地系統(tǒng)是不可靠的。3、移動(dòng)基站接地的現(xiàn)狀第十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日4、基站內(nèi)經(jīng)常遭雷擊損壞設(shè)備的原因與分析

曾遭雷擊損壞的設(shè)備：電源類占88%（變壓器、配電箱、穩(wěn)壓器、整流模塊、空調(diào)主板、照明系統(tǒng)），信號類占12%（GSM或CDMA設(shè)備的核心CPU、用戶板、監(jiān)控、傳感器、消防控制板、小微波）。第十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日高壓避雷器被雷擊損壞穩(wěn)壓器被雷擊損壞感應(yīng)過電壓造成信號線對機(jī)殼放電光纜終端盒被雷擊打掉第十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日這些設(shè)備的損壞的都是由于機(jī)房內(nèi)某些設(shè)備的電源線、信號線遭受雷擊或有感應(yīng)過電壓時(shí)，使得自身電位抬高。而其他設(shè)備仍處于低電位或零電位狀態(tài)，由于機(jī)房內(nèi)設(shè)備通過電源線或信號線均有若干聯(lián)系，這樣就在設(shè)備間形成了等電位差，導(dǎo)致了設(shè)備的絕緣及內(nèi)部元器件被擊穿所至。機(jī)房設(shè)備的接地方式的等效圖一般如圖一所示，當(dāng)有雷擊時(shí)，會在接地引線上產(chǎn)生較大的電位差，這個(gè)電位差有時(shí)足以使設(shè)備損壞。4、基站內(nèi)經(jīng)常遭雷擊損壞設(shè)備的原因與分析第二十頁，共三十六頁，2022年，8月28日設(shè)備A設(shè)備B地電位抬高U=Ldi/dt+IR零電位

這個(gè)電位差，可根據(jù)下式算出：U=Ldi/dt+IR，如引線長1m，入侵的雷電流為20kA(8/20us),則每米導(dǎo)線上的電壓降為3.6kV,如接地線長度為5米則地電位抬高為18kV。4、基站內(nèi)經(jīng)常遭雷擊損壞設(shè)備的原因與分析第二十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日為了減小此電位差，可采取如圖所示的方法加以改造，這時(shí)的電位差，可根據(jù)下式算出：U=Ldi/dt+IR如引線長1m，入侵的雷電流為20kA(8/20us),則每米導(dǎo)線上的電壓降為3.6kV，如果等電位連接點(diǎn)提高到a點(diǎn)（a至設(shè)備B之間為0.5m,a至PE之間為4.5m），則設(shè)備A和設(shè)備B之間的電位差降為原來的十分之一1.8kV，此改造方法適用于機(jī)房設(shè)備較多的情況下使用。采取右圖所示的方法改造后設(shè)備間的電位差會更低，效果更好。

4、基站內(nèi)經(jīng)常遭雷擊損壞設(shè)備的原因與分析a設(shè)備A設(shè)備B地電位抬高U=Ldi/dt+IRa設(shè)備A設(shè)備Ba地電位抬高U=Ldi/dt+IR第二十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日通信用開關(guān)電源必須和電源一級SPD進(jìn)行等電位連接

移動(dòng)基站機(jī)房設(shè)備的等電位連接，一般都忽略了一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，就是開關(guān)電源與電源一級SPD之間的等電位連接。因?yàn)橐话銖慕涣髋潆娤渑渌偷介_關(guān)電源的都是三相四線形式的電源，不做等電位連接的等效形式如圖所示：4、基站內(nèi)經(jīng)常遭雷擊損壞設(shè)備的原因與分析第二十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日被保護(hù)設(shè)備SPDU1U2U3以上是SPD安裝后的殘壓示意圖。當(dāng)有雷電流時(shí)，其中：U1為從配電箱到SPD的連線上的殘壓；U2為SPD自身的殘壓；U3為從SPD的接地端子到接地匯流排間連線的殘壓。這時(shí)，加在被保護(hù)設(shè)備的上殘壓為：U改造前=U1+U2+U3

為了減小加在被保護(hù)設(shè)備上的殘壓，我們可以采取如圖所示的辦法，即在SPD的接地端子與被保護(hù)設(shè)備的接地匯流排間加一根等電位連接線。此時(shí)加在被保護(hù)設(shè)備上的殘壓為：U改造后=U1+U2

或U改造后=U改造前-U3當(dāng)有雷電流（8/20μs）時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的電壓降可按下式計(jì)算：

假如引線長1米，入侵的雷電流為20kA（8/20us），則每米導(dǎo)線上的電壓降為：V=1×1.44(μH)×20(kA)/8(μs)+IR≈1×1.44(μH)×20(kA)/8(μs)=3.6（kV）

SPD與被保護(hù)設(shè)備的等電位第二十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日5、機(jī)房內(nèi)等電位連接改造

5.1環(huán)形地排法

在機(jī)房走線架上依據(jù)走線架的位置新設(shè)一組環(huán)形（日字形或口字形）接地匯流排，材料采用30×3mm銅排。要求環(huán)形接地匯流排為全封閉的且電氣連通。環(huán)形接地匯流排在靠近墻壁的兩側(cè)用膨脹螺栓和絕緣子將其固定在墻壁上，位于走線架上的兩側(cè)可用螺釘直接固定在走線架上。根據(jù)實(shí)際情況，位于走線架上的接地排可豎立在走線架上，也可橫放在走線架上。接地引下線應(yīng)就近與環(huán)形接地匯流排可靠連接。對于公用建筑或租用民房還應(yīng)將房間里柱子的柱鋼筋敲出，也與接地匯流排電氣連通。第二十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日

機(jī)房內(nèi)各設(shè)備應(yīng)用不銹鋼螺釘就近與環(huán)形接地排可靠連接。包括交流配電箱、開關(guān)電源、GSM設(shè)備、SDH設(shè)備、DDF、環(huán)境監(jiān)控設(shè)備、走線架、金屬門窗等。

特別說明：開關(guān)電源的直流工作地也應(yīng)就近直接與環(huán)形接地匯流排可靠連接。如果機(jī)房內(nèi)空間位置、設(shè)備擺放的情況不能完全做環(huán)形地排，可采用將局部設(shè)備做環(huán)形地排后，再與其他設(shè)備電氣連通。5、機(jī)房內(nèi)等電位連接改造

第二十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日5.2等電位線連接法

對于機(jī)房內(nèi)設(shè)備較少或不能夠采用環(huán)形地排法的，可以采用6平方黃綠導(dǎo)線壓接銅接線端子，將機(jī)房內(nèi)的鄰近設(shè)備的接地端子兩兩電氣連通。5、機(jī)房內(nèi)等電位連接改造

第二十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日5.3電源線的改造根據(jù)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T5098-2001《通信局（站）雷電過電壓保護(hù)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》3.1條規(guī)定：“出入通信局（站）電力電纜（線）、通信纜線應(yīng)采用金屬套電纜或敷設(shè)在金屬管內(nèi)，且電纜的金屬套或金屬管應(yīng)兩端可靠接地”。5.3.1將變壓器架空至機(jī)房的電源線穿金屬管埋地，埋地長度應(yīng)大于15米，距離不夠時(shí)可采用將電源線盤繞成空心電感圈來增加，并在兩端做接地處理。這樣可防止因架空線感應(yīng)雷電過電壓引入機(jī)房而導(dǎo)致的設(shè)備損壞。

5、機(jī)房內(nèi)等電位連接改造

第二十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日5.3.2已埋地的如未穿金屬管，則需穿金屬管后再埋地，并在兩端做接地處理。在電源線進(jìn)入機(jī)房總配電屏處，將其中性線（N線）和機(jī)房地線電氣連接，形成局部TNS系統(tǒng)，有條件時(shí)可直接將變壓器的地網(wǎng)與機(jī)房地網(wǎng)用40X4扁鋼焊接連通。避免因機(jī)房地網(wǎng)與變壓器地網(wǎng)電位不同，當(dāng)變壓器地電位抬升時(shí)，造成對機(jī)房的反擊。5、機(jī)房內(nèi)等電位連接改造

第二十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日5.4交流/直流電源的雷電過電壓防護(hù)5.4.1交流電源的過電壓防護(hù)：基站位于高山和郊區(qū)的雷擊概率原大于位于市區(qū)內(nèi)的，故從經(jīng)濟(jì)適用角度考慮應(yīng)在機(jī)房總配電處加裝一級防雷器（高山和郊區(qū)型基站加裝JD150K385H4J型三相電源防雷器，城市型基站加裝JD120K385H4J型三相電源防雷器），形成電源線與地線的瞬態(tài)等電位。防止從電源線引入的雷電過電壓造成機(jī)房設(shè)備的損壞。5.4.2直流電源的過電壓防護(hù)：在開關(guān)電源的直流輸出端加裝YD30K045EH型直流電源防雷器，形成直流電源正、負(fù)極與地的瞬態(tài)等電位。防止因地電位升高造成的電位反擊損壞設(shè)備。5、機(jī)房內(nèi)等電位連接改造

第三十頁，共三十六頁，2022年，8月28日5.5GSM和CDMA設(shè)備的保護(hù)

從雷擊損壞設(shè)備的數(shù)據(jù)看，GSM和CDMA設(shè)備的DXU（核心控制板）受雷擊損壞的機(jī)率要比其他設(shè)備的機(jī)率高，且該設(shè)備的重要性比機(jī)房內(nèi)其他設(shè)備的重要性要大，如該設(shè)備損壞，則直接會造成基站閉站。因此應(yīng)在該設(shè)備的端口加裝信號防雷器，形成芯線與地線的瞬態(tài)等電位，從而保護(hù)設(shè)備。

5、機(jī)房內(nèi)等電位連接改造

第三十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日5.6光纜的雷電過電壓防護(hù)基站內(nèi)