变电站通信机房防雷方案

1. 概述     

      变电站通信系统主要分通信电源、光传输设备、接入设备、无线通信设备、环境检测、监控系统、网路设备等。由通信设备承载企业的核心业务，重要性较高，一般根据TIA942标准的Tier4和Tier3标准建设，可靠性要求99.999％以上，以保证大部分异常故障和正常维护情况下正常工作，核心业务不受影响。         

      当变电站机房所在的建筑物附近出现雷雨云时，雷电通过数据中心机房内建筑物顶部的接闪器等泄放雷电流时，也会在内部的计算机及其它设备的电源和网络系统中产生感应雷电流，导致设备的损坏。

雷电的表现形式主要有两种： 

      一种是直击雷，是指带电云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。直击雷威力巨大，雷电压可达几万伏至几百万伏，瞬间电流可达十几万安，在雷电通路上，物体会被高温烧伤甚至融化。通常在建筑物顶部安装避雷针或避雷网等来防直击雷。 

      另一种是感应雷，是指当直击雷发生以后，带电云层迅速消失，而地面上某些范围由于散流电阻大，以致出现局部高电压，或者由于直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物因电磁感应而产生高电压以致发生闪击的现象。 

      当今社会电子计算机技术、微波通信技术日益发展，各类电子设备大量应用，雷击电感应到附近的导体中形成过电压，可高达几千伏，对微电子设备的危害极大。LEMP（雷电电磁脉冲）的主要侵入通道有电源线路、各类信号传输线路、天馈路线和进入系统的管、缆、桥架等导体侵入设备系统，造成电子设备失效或永久性损坏。因此，雷击电磁脉冲的防护是在入侵通道上将雷电流泄放入地，从而达到保护电子设备的目的。其主要方法是采用隔离、等位、钳位、均压、滤波、屏蔽、过压过流保护、接地等方法将雷电过电压、过电流及雷击电磁脉冲消除在设备外围，从而有效地保护各类设备。目前主要采用气体放电管、放电间隙、高频二极管、压敏电阻、瞬态二极管、晶闸管、高低通滤波器等元件根据不同频率、功率、传输速率、阻抗、驻波、插损、带宽、电压、电流等要求，组合成电源线、天馈线、信号线系列电涌保护器（SPD）安装在微电子设备的外连线路中，地线按共同接地原则接入系统的地线，才不至于造成地位反击。只要设计合理、安装合格，电涌保护器就能有效的防御雷电。

雷电干扰的入侵路径： 

常见的雷电干扰的入侵途径及原因 

· 当建筑物本身受雷电直击时，和建筑物连接的金属导体包括建筑物钢筋与地极之间产生瞬时电位差，构成摧毁电子设备之冲击过电压。并且经下引线流过的大量电流，亦产生磁场冲击波。 

· 当远端的导线因雷电而产生感应电压会由远端经导线传导过来。 

· 当云层间放电时，强大的电磁冲击会在邻近的地上金属导线感应出冲击电压，并且磁场冲击会漫延到地上的建筑物。 

· 另外，内部操作过电压，如变压器的空载，电机的启动，开关的开启等，也能引起强大的脉冲冲击电流通过线缆引入，破坏电子设备。 

      由感应雷引起的事故约占雷害事故的80%至90%。针对感应雷的破坏途径，我们可采取接地、分流、屏蔽、均压等电位等方法进行有效的防护，以保证人身和设备的安全。 

      因此机房内部通过电源、网络和通讯线路相连接的自动化、计算机系统设备期望通过较为传统的方法即安装避雷针以及前端强电避雷设备避免感应雷击的事故是不可能的，其作用是不充分的。只有针对感应雷击损坏设备的特性，采用防范感应雷击的解决方法，才能避免雷电对设备的侵袭。 

      由于感应雷产生的途径有许多种，在距离带电雷雨云较近所有的金属回路中均会产生破坏性的可能，只是有些的雷电过电压较小，不会对设备产生明显的破坏力而已，但过电压的存在对设备的长期使用的寿命必然产生影响，因此感应雷防范的难度远大于直击雷的防范，而且所需要投入的费用也高于直击雷的防护。 

      因此作为机房全面的防护方案，必须充分考虑其设备遭受感应雷侵袭并发生事故的可能性，根据感应雷的特性，加以专项的防护，才能做到充分的防护。 

      从可能引雷的三条途径：电源系统、网络系统和通讯线路。针对计算机网络设备和通讯的特性、需要的防雷等级程度，选用性价比合适的防雷产品，做到以合理的价格达到充分的防护。确保设备对直击雷和感应雷以及线路操作过电压的全面防护。

      欲使设备得到很好的保护，首先应对其所处的环境、受雷电影响的程度作出客观的估计，因它与出现过电压的幅值、概率、网络结构、设备抗电压能力、保护水平和接地等有关；防雷工作应作为一项系统工程来考虑，强调全面防护（包括建筑物、传输线路、设备和接地等），综合治理，且要做到科学、可靠、实用和经济。针对感应雷瞬时能量较大的特点，根据IEC国际标准对能量逐级吸收的理论，及防护区间量级分类的原则，需要做多级防护。 

      采用避雷针、避雷带和避雷网等可防止和减少雷电对建筑物、人身和居室造成的危害。但已有大量事实证明：在安装了这些避雷装置的室内，计算机设备、通讯网络及微电子器件在雷击时，却仍然会遭受不同程度的损害。对此，科学家通过进一步的分析，已经找到了其中的原因所在。 

      直接击中建筑物的雷电称之为“直击雷”。避雷针等装置可将“直击雷”产生的高电压、强电流迅速引入大地，消除雷击的影响，从而起到保护设施的作用。然而，雷击放电时在空中会产生强大的电磁场，使周围的金属导体因“电磁感应”而带上很高的电压，另一方面雷击入地点在瞬间会产生“地电位反击”，电位迅速抬高，影响其它接地设备的安全。这些由雷电引起的感应现象称为“感应雷”，同样具有强烈的破坏作用。 

      虽然在避雷针的保护范围内，物体可免遭直接雷击，但“感应雷”可在电力、通信、网络、卫星天线及有线电视等线缆上产生高压感应和电流“浪涌”，并通过导线引入配电间、机房、办公室和住宅等，使电源、通讯及电子设备不可避免地受到损害。因此，防止这些现代社会的雷害显得十分紧迫和必要

2. 雷害的防护措施 

      为了保护建筑物和建筑物内各类设备不受雷电损害或使雷击损害降到最低程度，现在都采取综合防雷。综合防雷设计方案应包括两个方面：直接雷击的防护和感应雷击的防护，缺少任何一方面都是不完整的、有缺陷的和有潜在危险的。

2.1   直雷击的防护 

      主要使用避雷针、网、带及良好的接地系统，其目的是保护建筑不受雷击的破坏，给建筑物内的人或设备提供一个相对安全的环境。 

      该部分通常变电站在建设时都已建置，通常无需考虑。 

2.2   感应雷的防护 

      目前，通信设备受到雷电感应高压损坏主要途径有二种： 

      辐射性的感应雷击是强雷电磁场通过辐射或感应造成设备损坏。 

      由供电线路、信号线路和控制线路等由各种线路传导进来的感应雷电高压脉冲损坏电子设备的。 

      因此采取的相应措施为： 

      · 采取电磁屏蔽措施。 

      · 安装浪涌保护器，包括供电系统和信号系统。 

      · 等电位处理。 

      · 良好接地。

 

3. 通讯系统防雷设计方案 

      通讯系统防雷是一项综合性工程，主要包括外部防雷和内部防雷两个方面: 

      外部防雷：避雷针、避雷带、引下线、接地极等等，其主要的功能是为了确保建筑物本体免受直击雷的侵袭，将可能击中建筑物的雷电通过避雷针、避雷带、引下线等，泄放入大地。 

      内部防雷：系统是为保护建筑物内部的设备以及人员的安全而设置的。主要以空间屏蔽、等电位连接、减少接近耦合、过电压保护等措施，通过在需要保护设备的前端安装合适的避雷器即过电压保护，使设备、线路与大地形成一个有条件的等电位体。将可能进入的雷电流阻拦在外，将因雷击而使内部设施所感应到的雷电流得以安全泄放入地。

 

设计依据： 

1) IEC61024《建筑物防雷》

2) IEC61312《雷电电磁脉冲的防护》

3) ITU K25《光缆的防雷》

4) ITU K27《电信大楼内的连接结构和接地》

5) GB50057-94《建筑物防雷设计规范》

6) GB50174-93《电子计算机机房设计规范》

7) GB50200-94《有线电视系统工程技术规范》

8) GB50198-94《民用闭路监视电视系统工程技术规范》

9) GB/T50311-2000《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》

10) YD2011-93《微波站防雷与接地设计规范》

11) YD5078-98《通信工程电源系统防雷技术规范》

12) XQ3-2000《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》 

      屏蔽 :在主机房，将所有的金属门窗与天花龙骨多次连接，用作电磁屏蔽。 

      通过对机房设备的信号线、电源线全方面防雷保护，使设备在雷击产生时确保安全可靠的运行。注：防雷器安装在离被保护设备距离越近越好。

◆  第一级电源防雷： 

      根据国家有关低压防雷的有关规定，外接金属线路进入建筑物之前必须埋地穿金属管槽15米以上的距离进入建筑物，且要在建筑物的线路进入端加装低压避雷器。必须做到在电源的进入端安装低压端的总电源防雷器，将由外部线路可能引入的雷击高电压引至大地泄放，以确保后接设备的安全。 

      作为系统电源进线端的主级防雷器，在雷击多发地带至少应有100-160KA的通流容量，可将数万甚至数十万伏的雷击过电压限制到数千伏，防雷器可并联安装在办公楼的总配电柜内的电源进线处或配房低压输出端。 

【具体措施】 

      配电房低压输出端并联安装壹套B级电源防雷箱，用于机房整体设备的电源第一级的防雷初级保护。或采用电源防雷模块，并联安装在配电房低压输出端。 

注意：上述部分变电站往往已经具备，可根据具体情况选配。

◆  第二级电源防雷 

      通信电源、逆变电源、UPS电源防雷器，对通过电源初级防雷器的雷电能量进一步泄放，可将几千伏的过电压进一步限制到1点几千伏，雷电多发地带需要具有40KA的通流容量，防雷器可并联安装在UPS处。

【具体措施】 

      在通信电源、逆变电源、UPS等电源总进线处，并联安装一套电源二级防雷箱用于中心机房内设备的电源第二级防雷保护。或采用电源防雷模块。

◆  第三级防雷系统 

      第三级防雷即用电设备的末级防雷，这也是系统防雷中最容易被忽视的地方，现代的电子设备都使用很多的集成电路和精密的元件，这些器件的击穿电压往往只是几十伏，最大允许工作电源也只是mA级的，若不做第三级的防雷，由经过一二级防雷而进入设备的雷击残压仍将有千伏之上，这将对后接设备造成很大的冲击，并导致设备的损坏。作为第三级的防雷器，要求有10KA以上的通流容量。 

      单相的用电设备，可以选用模块式电源防雷器并联安装在机房通信电源等进线端或采用插座式防雷器串联在设备前端作为第三级电源防雷器，其目的是将雷电及其他浪涌电压限制到对设备没有损害的水平，特别是对日常天天发生的电源系统操作过电压、电源高次谐波等具有限制和保护作用，可以延长设备的正常使用寿命，减少运行维护成本。 

【具体措施】 

      在通讯机房内重要设备电源进线处, 串联安装电源第三级插座式防雷器用于重要机房内设备的电源末级防雷保护。

◆机房其它设备的防雷保护 

1) 电话线与ADSL：采用音频信号防雷器，串接在电话机、ADSL前端电话线处，安装方便，易维护。配线架防雷采防雷排保护器。 

2) 网络线：采用RJ45防雷器。 

3) 控制类：采用串口防雷器。 

4) 同轴类：采用同轴防雷器。 

5) 天馈类：采用同轴防雷器。 

6) 视频类：采用视频线防雷器。