通信機房和設備防雷技術研究

許保明

（中國移動通信集團湖北有限公司十堰分公司，湖北 十堰 442000）

1 雷電的主要危害

1.1 雷電的形成

雷電產生的原因非常復雜，帶電積云是構成雷電的基本條件。當帶不同電荷的積云相互接近到一定程度，或者帶電積云與地面的凸出物接近到一定程度時，會發生劇烈的放電現象，發出耀眼的閃光。并且放電的瞬間周圍空氣溫度達上萬攝氏度，附近空氣受熱急劇膨脹，發出轟隆隆的雷聲，這就是所謂的電閃雷鳴。

雷電能引起火災和爆炸，導致人為觸電，導致設備和設施毀壞等。雷電發生瞬間，物理破壞作用極大，電磁感應危害性明顯，閃電沖擊波和電涌傳播速度飛快。雷電可以分為直擊雷、感應雷和球形雷，直擊雷和感應雷都可以在空間范圍內產生較大輻射的電磁波，并對人類造成很大的影響。因此，需要采取妥善措施，減小雷電對于人們的破壞。

1.2 直擊雷及其危害

直擊雷的產生主要是因為帶電積云，帶電積云接近地面時會在地面凸出物頂部感應出一定的異性電荷，當積云與地面凸出物之間的電場強度足夠大時，就會產生由帶電積云向大地發展的跳躍式先導放電現象，放電時間一般持續幾毫秒。大部分直擊雷帶有重復放電的性質，平均每次雷擊有三四個沖擊，最多能出現幾百個沖擊，但一次雷擊的全部放電時間一般不超過500 ms。

直擊雷的沖擊作用可以直接作用在建筑物或者電氣設備上。在雷雨多發季節，一旦直擊雷直接作用在通信機房及其設備的金屬部件上，就將造成極其嚴重的后果，如損壞設備、造成電路短路引發火災等，帶來不可估量的損失。

1.3 感應雷及其危害

感應雷就是人們常說的閃電感應[1]，其分為靜電感應雷和電磁感應雷2種。靜電感應雷是由于帶電云層與金屬導體的距離較近，在金屬導體內部感應出帶電電荷所致；電磁感應雷則是由于雷電迅速放電導致周圍磁場瞬間變化，這種迅速變化的磁場能在鄰近的導體上感應出很高的電動勢，因而使不相接觸的導體帶電荷，而且這種電荷在導體內部造成很大的沖擊電流。

1.4 球形雷及其危害

球形雷一般是指球狀閃電（物理現象），別稱電光火球，其一般是從高空直接落向地面，臨近地面后開始做水平運動?；鹎虻膶嵸|是一團帶電的氣體，所以球形雷可以直接引起建筑物、易燃物、通信設備著火。如果球形雷直接作用于機房內的通信設備，可能由于極強破壞力導致機房爆炸和設備損毀。球形雷發生率較小，人們往往忽視。

2 通信機房防雷重要性和思路

2.1 通信機房防雷系統概況

對于通信機房而言，防雷系統一般包括外部防雷系統[2]和內部防雷系統。外部防雷系統包括接雷擊的接引裝置即接閃器、電流向地面引導的導體即引下線、埋在地下的接地體等接地裝置。外部防雷系統設置接閃器是防護直擊雷的主要措施，一般如避雷針、避雷線、避雷網、避雷帶等都屬于接閃器。內部防雷系統則是防止因雷電和電涌侵入通電設備造成損壞而進行的相應設置，包括等電位連接、浪涌保護器、交直流電源防雷器、信號防雷器及天饋防雷器等專用設備設置。

2.2 通信機房防雷重要性

雷電具有大電流、高電壓、短時間的特點。雷電引起的直擊雷、感應雷和球形雷的破壞作用和損毀能力相當大，一些災害和事故是人類無法想象的。雷擊現象可以導致上百萬元的通信設備或者精密儀器瞬間擊穿毀壞，也可以導致通信基站瞬間失去功能，影響人們正常上網和日常溝通，造成不可估量的巨大損失。因此，日常通信企業應提高防雷意識，積極采取各類有效措施，保證企業的效益。

2.3 防雷總體思路

為了保證防雷措施的有效性和控制效果，通信機房防雷應考慮以下4個方面[3]。

2.3.1 考慮電荷的疏導

這種防雷思路實質上是實現電荷向大地的導入，從而避免直接雷擊或感應電流對通信設備帶來損害。其基本原理是帶電荷的積云靠近地面時，避雷針通過磁場的極變效應，引導雷電電流的方向，再經過接地引下線、接地裝置以及其他有效的導體裝置將電流引入大地，從而有效避免雷擊電流對通信機房及其設備造成破壞。

2.3.2 考慮設備的隔離

其基本思路是將需要受到保護的對象進行隔離處理，防止雷電產生的電壓和電流與相關設備直接接觸，降低設備受到雷擊影響的可能性。其具體做法是將系統中的電力系統、天饋系統、傳輸系統、網絡系統通過分流、接地、布線和限流等措施進行有效的防護。另外，將室外的信號系統置于與大地相連的金屬箱或電源盒內部，同時保證金屬箱或電源盒良好接地，這樣金屬箱或電源盒就會對雷擊起到良好的屏蔽作用。

2.3.3 考慮等電位連接

用金屬導線或使用電壓保護裝置，將防雷系統與建筑物金屬外漏部件、電氣設備、電源等連接起來，并保證其處于同一電位，不存在電動勢差值。如果機房各類接地系統的接地電阻不均衡，雷擊現象發生時，雷電流與電阻的乘積得到不同的電勢差值，就會造成電位反擊，造成通信設備損壞或出現故障。

2.3.4 利用放電中和效應

雷電帶有一定極性的電荷，用正負電荷綜合技術可以實現雷電流的消散。避雷針除了具有金屬導線的效應，同時具有中和電荷的效應。云層中的電荷與建筑物靠近時，建筑物就會感應出來相反的電荷，避雷針通過吸引空氣中極性相反的粒子，通過尖端放電綜合效應實現雷電流的消散，從而實現對通信機房及其設備的防雷保護。

3 通信機房和設備防雷技術

3.1 通信機房防雷接地技術

機房防雷的主要建筑物頂部應安裝避雷帶、避雷網等設施作為接閃器使用，并將樓頂各種金屬管道、設備設施、中央空調管線等連接起來以防止雷擊作用時出現繞擊現象。避雷帶和避雷網一般采用圓鋼或扁鐵，必須保證避雷網和接地導體的有效面積，以實現電流的迅速傳導。定期對防雷裝置和設施進行檢驗檢測，邀請專業機構和專業人士對接地電阻數值進行確認，并出具相應的檢測報告和合格標簽。

接地網和接地電阻應達到國家標準、行業標準及相應的規定要求。通信機房地面網絡采取聯合接地方式，所有基礎部件必須做到有效接地，根據等電位要求，具體操作上防雷地線、工作地線、保護地線三者之間共同接到一個接地網絡。

3.2 通信基站防雷接地技術

通信機房配套基站防雷主要注意變壓器接地、電源線接地和信號線纜接地3個事項[4]。變壓器部分一般采用安全等級較高的TN-C-S接地系統，這種接地系統安全級別非常高，一般用在石油石化具有火災爆炸風險性較高的場所。在變壓器高壓側，雷電波的來波方向需要設置避雷器，即避雷器裝設在被保護設施的引入端。避雷器正常時處于不通狀態，雷電侵入時能迅速打通電路，擊穿放電，切斷過電壓，發揮保護作用，并將雷電流快速釋放并向大地進行傳導。雷擊現象過后，避雷器恢復正常工作狀態，相應的耦合回路不再導通。加強通信系統電源的防雷保護同樣重要，通信電源一般是冗余設置，其相當于通信系統的心臟。對通信電源系統的防護，首選過電壓保護器（避雷器），使系統上瞬間增大的脈沖能量瞬間導通并泄入大地，使各設備電位差不超過系統的承受范圍。在基站信號線纜的防雷設置上，優先考慮采用避雷器，盡可能降低雷擊浪涌對通信機房及其設備的影響。

3.3 通信光纜線路防雷技術

在通信光纜防雷設計上，首先考慮光纜產品質量和性能，優先選用質量達標且防雷效果良好的防雷產品。對于需做埋地處理的光纜，其中的金屬部件一定要在光纜的接頭處進行有效的處理[5]。因為光纜上屏蔽線的作用，光纜斷開接頭不需要進行電氣設備連接和接地處理，但是必須在光纜接頭處將金屬部件進行電氣連接、金屬導線跨接以及其他形式的等電位連接。對于雷擊事故頻發的地區，優先選取帶有鎧裝的屏蔽線光纜，同時做好光纜防護接地處理。另外，光纜的終端部分，也就是位于機房的配電架及其附屬物物件，要加強防雷處理。在長途光纜通信線路中，為了提高光纜線路防雷水平，應妥善做好光纜防護層的設計工作，在其PE護層的選取上，優先選擇耐腐蝕性、耐酸堿性和高防水性的聚乙烯材料。另外，在一些地區，土壤電阻系數比較高，為了避免對光纜金屬構件人工接地造成雷電流反擊以及光纜內部金屬構件多次不同程度遭受擊穿，一定要保證光纜傳輸全線不做人工接地處理，以達到更加有效的防雷作用。

4 通信機房和設備防雷新技術

隨著科技的發展，防雷技術在不斷更新，目前主動防雷思想不斷滲透到各行各業和氣象防災部門，人們可以通過氣象分析研究云層的電荷，通過向天空發射火箭彈等形式，促進云層的電荷消散，從而從根本上避免雷擊事故。此外，很多智能化防雷技術在通信機房和通信行業得到了推廣和應用。

4.1 等離子電荷遷移技術

等離子狀態，指的是物質原子內的電子在高溫作用下脫離原子核的吸引，呈現游離狀態。利用等離子析出的電荷與積云中的電荷發生中和作用，可有效消除雷擊現象。應用中用鍍上等離子體的金屬球與建筑物的引下線相連接，當雷電云層靠近等離子體的時候，在云層電磁場的作用下等離子體會發生相應的物理和化學變化，析出極性相反的電荷，并逐漸與云中的電荷發生中和反應，這樣就能從根本上消除雷電流的存在，起到很好的防雷作用。

4.2 雷擊監測預警技術

雷擊現象發生時，積云中的電荷已經積累到相當多的數量，這時云層之間、云與地面之間具有很大強度的場強。電荷積累到飽和狀態就會發生放電現象。根據大氣場強強度變化，通過電磁感應原理可以監測積云中電磁極性、電荷強度、分布密度和發展形勢等狀況，進而對雷擊發生的時間、方位、動向做出一系列的判斷和預測。另外，可以利用多普勒雷達、衛星云圖、電場儀和磁場儀等專業儀器進行輔助判斷。雷擊預測監控系統由軟硬件組成，主要分為監測界面、處理界面和報警界面3個部分。監控方面利用計算機算法進行程序的編制綜合，使用數據庫圖形處理等計算機技術，實現對云層狀況的動態監測和模擬。通過人機對話系統和可視化操作系統，可以實現監測設定，了解雷雨天氣時雷擊事故的動向，輔助進行人工監測。系統可以將監測到的結果進行運算，當達到一定的設定值時發出警報。

4.3 接閃器自啟動技術

利用接閃器自動升降，可以實現自動引擎防雷技術。接閃器自啟動技術綜合了一部分自動化技術和機電自動升降原理，自動升降裝置主要由計算機進行控制。當雷電預警系統報警的時候，該區域很可能發生雷電活動和雷電電荷放電趨勢，自動升降避雷裝置就會進入工作狀態并做出相應的反應，避雷針自動升高到設置高度，對保護范圍內的建筑物、電力電纜、通信設施等起到保護作用。當雷云消失或電場的場強減弱到一定程度時，雷電預警系統取消，這種自動裝置就會解除報警狀態，升起的避雷針就會自動降至原位。自動引擎接閃器，無需人工配合，全部由機電一體化和自動化技術完成，其升降、限位、密封和電流泄散發揮了良好的防雷泄流作用。

4.4 供電回路自動切換技術

供電線路雙回路智能切換技術，采用現代智能化信息手段，將電氣搭接的電源系統進行自動切換。這種切換過程實現了供電電源與蓄電UPS電源之間的轉換，雷擊現象發生時有效避免在用回路遭受雷擊，從而實現對系統數據的保護及設備安全性的防護。由于系統設計上自動實現了雷擊前對電源的關閉狀態，避免了經濟損失。系統一般包括電源自動切換功能、遠程手動切換功能、就地切換功能及在線的監測功能等。雷云逐漸形成時，系統自動感應并切斷電源線路，有效保護電源；雷云逐漸消散時系統沒有雷擊威脅，此時系統就會自動轉換，將開關合閘恢復供電。這種系統設置靈活性較強，人們可以選擇遠程自動化合閘，也可以選擇本地合閘功能，為防雷工作帶來了巨大便利。

4.5 防雷智能在線監測技術

防雷智能在線監測技術[6]，可以通過物聯網、云存儲、大數據、信息化等技術的有效結合，實現綜合性的在線防雷監測。在線監測系統主要監測接地裝置的接地阻值、雷擊電流、雷擊電壓、浪涌保護器的動作狀態等。該技術能有效采集接地阻值、累積能量、電勢強度、雷擊次數和可能性、累積電荷、保護器的漏電狀態以及空氣開關的工作狀態等。在線監測技術的使用可以輔助人們更直觀、更有效、更主動地防御雷擊事故。

5 結 論

通信企業要明確認識到雷電的危害，相關人員需要加大對雷電防護措施的研究力度。通信企業要充分認識到通信機房、通信基站以及通信線路防雷基礎設施的重要性，筑牢基礎性的防雷保障措施，保證通信企業不出現或者極少出現雷擊事故。另外，通信企業要加大科技投入與創新力度，組織科研攻關，在防雷關鍵問題上加大政策扶持和科研投入，并適時引進新技術及新產品，讓智能監測技術、自啟動避雷技術以及基于大數據背景下的自切換等新型防雷技術應用于現場實際，為通信企業的防雷工作帶來保證，助力通信企業穩健發展。