防雷接地案例

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一、勘測的數據資料、分析報告、設計依據

(1). 勘測的數據資料

2008年3月26日,我公司技術人員與某市廣播電視局相關領導及工程師一同勘察了位于某區的某微波站。某微波站位于峰頂,地處崖邊,位置險要,氣候環境惡劣;此地區年平均雷暴日約為38天。此微波站與移動通信基站等位于山頂,發射鐵塔像錐子一樣插入天空,容易形成尖端放電現象;其年預計雷擊次數:N=KNgAe=0.056次/a

接地系統: 兩方向的接地電阻分別為 48歐姆和130歐姆;站內無接地匯流排,設備接地不規范或無可靠接地,接地網輻射狀結構,面積約200米2;地質結構為風化巖和花崗巖,巖體裸露,無植被覆蓋,土壤稀少或無土壤;

微波站的防雷設施: 有 4根避雷針和一條引下線、二級交流SPD,無均壓環;

進出微波站的線纜: 由山下埋地引入的凱裝電纜、光纖及天饋線等;

微波站曾經遭受雷擊情況: 近年來多次遭受雷擊,其中調頻發射機的電源板和控制單元多次受到沖擊,如開關掉閘、電源板壓敏電阻燒壞,控制單元損壞等;另有服務器、交換機、時鐘源微電子設備經常出現死機現象等。

(2).分析報告

● 地理、地質環境結構復雜;土壤電阻率很高,接地降阻困難;

● 雷災現狀較嚴重,雷害損壞設備以電源系統為主;

● 單純加裝 SPD 的防護措施和滿足現有規范的接地措施不能解決雷害問題;

●防雷隱患

1 、供電線路雖然埋地、但屏蔽層沒有接地,引入的雷電波易侵入;

2 、光纖的加強筋無接地,引入的雷電波易侵入;

3 、站內設備接地系統混亂、接地導體截面積不夠大或設備無接地等,易造成直接雷擊時地電位反擊;

4 、微波站無屏蔽措施,微電子設備易受電磁干擾,產生死機現象;

5 、綜合布線不規范,容易造成穿插干擾;

(3). 設計依據標準

微波站的綜合防雷是一項要求高、難度大的綜合工程,涉及多方面的因素,需要針對不同的系統分別加以保護,又要考慮多個系統的協調工作,在工程中不能造成對系統的任何影響。因此,遵守國家和信息產業部有關規范的基礎上,引入國際電工委員會的先進防雷技術和標準要求,以達到更好的防護效果。

GB50057-2000 〈建筑物防雷設計規范〉

GB50174-93 〈計算機房防雷設計規范〉

YD2011-93 《微波站防雷與接地設計規范》

YD5098-2005 《通信局(站)雷電過電壓保護工程設計規范》

YD5078-98 《通信工程電源系統防雷系統技術規定》

IEC 61312 〈雷電電磁脈沖的防護〉

IEC 61024 〈建筑物防雷設計規范〉

IEC 61643 〈 SPD 電源防雷器〉

IEC 61644 〈 SPD 通訊網絡防雷器〉

二、微波站的雷電侵入及防護

、微波站的雷電侵入概述和防雷分區

微波站的雷電侵入: 如圖所示,我們

通過對勘察數據的分析和案例的研究發

現,針對微波站的雷暴引起的雷擊及過

電壓主要來自幾個方面:直接、附近雷

擊和雷電波侵入。

微波站的防雷分區: 國際電工委員會的先進防雷技術和標準中重點提出了防雷分區和等電位的概念,根據雷擊在不同區域的電磁脈沖強度劃分防雷區,并在不同的防雷區界面上進行等電位連接,能直接連接的金屬物就直接連接,帶電導體(如電力線、通信線等)或不能直接連接于等電位體的,則需加裝 SPD 來作等電位連接。

實踐證明這種分區分級等電位連接的防雷方案是最好的解決問題方法。

根據防雷分區的概念,微波站的電源系統、光纖等都處在 LPZ0A 和 LPZ0B 之間,微波站內的數據線和設備處于 LPZ1 和 LPZ2 之間;天饋系統處于 LPZ0B 和 LPZ1 之間,根據防雷區的劃分情況,應在分區界面上( LPZ0B 和 LPZ1 、 LPZ1 和 LPZ2 )設置等電位連接排,實施等電位連接;以將雷電電磁強度逐級降至最低。

、微波站受直接雷擊或附近雷擊的效應

直接雷擊的效應包括:雷擊電磁效應和接地系統的瞬間高電位抬升兩個部分

發生在微波站附近的雷擊效應有兩個:雷擊電磁脈沖(與直接雷擊相同)和靜電感應(屬于雷電波侵入部分)

雷擊電磁效應: 雷擊避雷針,雷電流入地處的地電位升高,引下線周圍空間形成強烈的電磁脈沖。雷擊點附近的通訊線路、信號控制線路、射頻傳輸線路會通過反擊和電磁耦合的方式,形成暫態過電壓,并以雷電波的形式沿線路傳播,危害電子設備。

瞬間高電位抬升:

當鐵塔遭受直接雷擊時強大的雷電流沿外部防雷裝置 LPS 系統(避雷針—引下線(塔體)—接地裝置)這一電路路徑進入基站的接地系統中,依據 U=IR 的公式推算,接地系統將瞬間帶有非常高的電位。如下左圖示,當雷電流為 100 千安時,接地系統的電位將瞬間抬升至 100 千伏(在 IEC61312 建筑物防雷中規定了雷擊能量的分配模式如下右圖所示: 100% 的雷電能量進入建筑物的防雷系統中去時,大約有 50% 的能量會流散到建筑物的接地系統中去,另有 50% 將通過建筑物的配電系統、數據線路、金屬管線等向外泄放);所以在沒有實施等電位連接措施的系統中或沒有接入到等電位連接系統中的設備上就會出現高電壓反擊的危險,且破壞性最強。


、微波站的雷電波侵入及其效應

針對微波站的雷電波侵入危害最大最頻繁的主要來自市電引入線路和光纖引入線路兩個路徑。其中雷電波的形成基本是由線路遭受直接雷擊或其附近雷擊形成的,其耦合機制包括傳導阻抗耦合、電磁感應耦合、靜電感應耦合三個方面。云間和云對地的放電比直擊雷出現的概率大得多,并能產生與直擊雷類似的電磁效應和靜電感應,是供電線路、信號線路產生很高感應過電壓(感應電壓 Ug 的幅值達 300 ~ 400kV )擊毀設備的主要威脅。

雷擊線路附近的地面、避雷針或建筑物時,在架空線路上出現感應雷過電壓的圖示:

先導階段:先導通道中充滿負電荷并對導線產生靜電感應,使在先導通道附近的導線上積累起異號的正束縛電荷。主放電:先導通道中的電荷自下向上被迅速中和,導線上的束縛電荷將瞬時變為自由電荷,形成過電壓波向兩端傳播。

因每個基站的

敷設方式是不一樣的(架空引入線路與埋地引入線路,凱裝電纜與非凱裝電纜,基站有無獨立變壓器等),所以每個基站受雷電波侵害的程度也不盡相同。

、屏蔽—雷擊電磁脈沖的防護

屏蔽是防止任何形式電磁干擾的基本手段之一。雷電流的“趨膚效應”可使相當大的一部分電流沿屏蔽層接地端口泄入大地。 屏蔽的目的,一是限制某一區域內部的電磁能量向外傳播,二是防止或降低外界電磁輻射能量向被保護的空間傳播。因此利用各種金屬屏蔽體吸收或反射雷擊電磁脈沖以衰減施加在設備上的電磁干擾和過電壓能量是必要的。

對雷擊電磁脈沖的屏蔽具體可分建筑物屏蔽、設備屏蔽和各種線纜(包含管道)的屏蔽。 建筑物的屏蔽可利用建筑物的鋼筋、金屬構架、金屬門窗、地板等均相互連接在一起,形成一個法拉第籠,并與地網有可靠的電氣連接,形成初級屏蔽網。設備的屏蔽應在對電子設備耐過電壓水平調查的基礎上,按 LPZ 施行多級屏蔽。在屏蔽中要特別注意對各種“洞”的密封,除門、窗外,重點對入戶的金屬管道、通信線路,電力線纜入口作好屏蔽。各種線纜均要采取屏蔽措施,金屬絲編織網、金屬軟導管、硬導管、棧橋均可用于線纜屏蔽。

、接地 -- 分流和排泄雷電干擾能量的最有效的手段

接地及接地的目的: 大地是一個電阻非常低、電容量非常大的物體,擁有吸收無限電荷的能力,而且在吸收大量電荷后仍能保持電位不變,因此適合作為電氣系統中的參考電位體。電位的高低是相對而言的,工程上常常需要有零電位參考點。接地就是將金屬物體或電氣回路的某一節點,通過導體與大地相連,使該物體或節點經常保持等電位。接地主要有以下三方面的目的: 1 )安全保護; 2 )信號參考; 3 )雷電保護。

雷電保護方面,接地是分流和排泄直接雷擊、雷電電磁干擾能量的最有效的手段之一。

、等電位連接—最先進防雷理念

遵照 IEC 60364-5-548 和 IEC61024 規定:為實現雷擊保護-—實現電位均衡,應采用均壓等電位導體或電涌保護器 (SPD) 將處于被保護空間中的各獨立導體(外部避雷裝置、建筑物的鋼筋架、安裝的設備、各種導電體、供電及通訊設備)連接起來,建立一個復雜的等電位連接網絡,目的是減小雷電流在它們之間產生電位差,保護設備和人身免受傷害。

等電位連接網絡——是對一個系統的外露各導電部分做等電位連接的各導體所組成的網絡 )

四、設計方案

1. 對微電子設備的金屬機殼實施接地處理;對站內弱電線纜通過穿金屬管的措施實現線路的屏蔽;

2. 對電源線路的屏蔽層實施接地處理;對光纜金屬加強筋實施接地處理;

3. 在穩壓器前端加裝一級三相電源防雷箱,型號為: ODB-120 ,參數:最大通流量為 120KA 、 UP 為 2.0KV;

在 UPS 前端和四臺調頻發射機前端分別加裝二級單相電源防雷模塊,型號為: ODM-40/1+NPE ,參數:最大通流量為 40KA 、 UP 為 1.2KV;

在交換機、服務器、時鐘源、調頻設備臺前端加裝三級電源防雷插座,型號為: ODS-20 ,參數:最大通流量為 20KA 、 UP 為 0.6KV;

4. 設置均壓環實現所有設備的就近接地和等電位連接;

5. 重新敷設接地引入線和地網,降低接地電阻。重新敷設接地引入線和環行水平接地體;因當地地質結構為裸露巖石,土壤電阻率大于 5000 歐姆 / 米;若增加接地網面積和接地體數量其施工和降阻都非常的困難,預算也非常巨大。從整體防雷角度考慮接地電阻大小與防雷無直接關系,因此不建議重新建設地網。如圖:

五、總結

此方案只強調了應該改進的每個環節和基站在防雷工作中存在的不足,每一個基站具體的改造、設備需要、材料尺寸和施工方案應根據現場勘查設計計算而定。
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