通信機(jī)房和設(shè)備防雷技術(shù)研究

許保明

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)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(chǎn)生的原因非常復(fù)雜，帶電積云是構(gòu)成雷電的基本條件。當(dāng)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(shí)，會(huì)發(fā)生劇烈的放電現(xiàn)象，發(fā)出耀眼的閃光。并且放電的瞬間周圍空氣溫度達(dá)上萬攝氏度，附近空氣受熱急劇膨脹，發(fā)出轟隆隆的雷聲，這就是所謂的電閃雷鳴。

雷電能引起火災(zāi)和爆炸，導(dǎo)致人為觸電，導(dǎo)致設(shè)備和設(shè)施毀壞等。雷電發(fā)生瞬間，物理破壞作用極大，電磁感應(yīng)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(yīng)雷和球形雷，直擊雷和感應(yīng)雷都可以在空間范圍內(nèi)產(chǎn)生較大輻射的電磁波，并對(duì)人類造成很大的影響。因此，需要采取妥善措施，減小雷電對(duì)于人們的破壞。

1.2 直擊雷及其危害

直擊雷的產(chǎn)生主要是因?yàn)閹щ姺e云，帶電積云接近地面時(shí)會(huì)在地面凸出物頂部感應(yīng)出一定的異性電荷，當(dāng)積云與地面凸出物之間的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生由帶電積云向大地發(fā)展的跳躍式先導(dǎo)放電現(xiàn)象，放電時(shí)間一般持續(xù)幾毫秒。大部分直擊雷帶有重復(fù)放電的性質(zhì)，平均每次雷擊有三四個(gè)沖擊，最多能出現(xiàn)幾百個(gè)沖擊，但一次雷擊的全部放電時(shí)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(shè)備上。在雷雨多發(fā)季節(jié)，一旦直擊雷直接作用在通信機(jī)房及其設(shè)備的金屬部件上，就將造成極其嚴(yán)重的后果，如損壞設(shè)備、造成電路短路引發(fā)火災(zāi)等，帶來不可估量的損失。

1.3 感應(yīng)雷及其危害

感應(yīng)雷就是人們常說的閃電感應(yīng)[1]，其分為靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷2種。靜電感應(yīng)雷是由于帶電云層與金屬導(dǎo)體的距離較近，在金屬導(dǎo)體內(nèi)部感應(yīng)出帶電電荷所致；電磁感應(yīng)雷則是由于雷電迅速放電導(dǎo)致周圍磁場(chǎng)瞬間變化，這種迅速變化的磁場(chǎng)能在鄰近的導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電動(dòng)勢(shì)，因而使不相接觸的導(dǎo)體帶電荷，而且這種電荷在導(dǎo)體內(nèi)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(xiàn)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(yùn)動(dòng)?；鹎虻膶?shí)質(zhì)是一團(tuán)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(shè)備著火。如果球形雷直接作用于機(jī)房?jī)?nèi)的通信設(shè)備，可能由于極強(qiáng)破壞力導(dǎo)致機(jī)房爆炸和設(shè)備損毀。球形雷發(fā)生率較小，人們往往忽視。

2 通信機(jī)房防雷重要性和思路

2.1 通信機(jī)房防雷系統(tǒng)概況

對(duì)于通信機(jī)房而言，防雷系統(tǒng)一般包括外部防雷系統(tǒng)[2]和內(nèi)部防雷系統(tǒng)。外部防雷系統(tǒng)包括接雷擊的接引裝置即接閃器、電流向地面引導(dǎo)的導(dǎo)體即引下線、埋在地下的接地體等接地裝置。外部防雷系統(tǒng)設(shè)置接閃器是防護(hù)直擊雷的主要措施，一般如避雷針、避雷線、避雷網(wǎng)、避雷帶等都屬于接閃器。內(nèi)部防雷系統(tǒng)則是防止因雷電和電涌侵入通電設(shè)備造成損壞而進(jìn)行的相應(yīng)設(shè)置，包括等電位連接、浪涌保護(hù)器、交直流電源防雷器、信號(hào)防雷器及天饋防雷器等專用設(shè)備設(shè)置。

2.2 通信機(jī)房防雷重要性

雷電具有大電流、高電壓、短時(shí)間的特點(diǎn)。雷電引起的直擊雷、感應(yīng)雷和球形雷的破壞作用和損毀能力相當(dāng)大，一些災(zāi)害和事故是人類無法想象的。雷擊現(xiàn)象可以導(dǎo)致上百萬元的通信設(shè)備或者精密儀器瞬間擊穿毀壞，也可以導(dǎo)致通信基站瞬間失去功能，影響人們正常上網(wǎng)和日常溝通，造成不可估量的巨大損失。因此，日常通信企業(yè)應(yīng)提高防雷意識(shí)，積極采取各類有效措施，保證企業(yè)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(jī)房防雷應(yīng)考慮以下4個(gè)方面[3]。

2.3.1 考慮電荷的疏導(dǎo)

這種防雷思路實(shí)質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)電荷向大地的導(dǎo)入，從而避免直接雷擊或感應(yīng)電流對(duì)通信設(shè)備帶來損害。其基本原理是帶電荷的積云靠近地面時(shí)，避雷針通過磁場(chǎng)的極變效應(yīng)，引導(dǎo)雷電電流的方向，再經(jīng)過接地引下線、接地裝置以及其他有效的導(dǎo)體裝置將電流引入大地，從而有效避免雷擊電流對(duì)通信機(jī)房及其設(shè)備造成破壞。

2.3.2 考慮設(shè)備的隔離

其基本思路是將需要受到保護(hù)的對(duì)象進(jìn)行隔離處理，防止雷電產(chǎn)生的電壓和電流與相關(guān)設(shè)備直接接觸，降低設(shè)備受到雷擊影響的可能性。其具體做法是將系統(tǒng)中的電力系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過分流、接地、布線和限流等措施進(jìn)行有效的防護(hù)。另外，將室外的信號(hào)系統(tǒng)置于與大地相連的金屬箱或電源盒內(nèi)部，同時(shí)保證金屬箱或電源盒良好接地，這樣金屬箱或電源盒就會(huì)對(duì)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(dǎo)線或使用電壓保護(hù)裝置，將防雷系統(tǒng)與建筑物金屬外漏部件、電氣設(shè)備、電源等連接起來，并保證其處于同一電位，不存在電動(dòng)勢(shì)差值。如果機(jī)房各類接地系統(tǒng)的接地電阻不均衡，雷擊現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，雷電流與電阻的乘積得到不同的電勢(shì)差值，就會(huì)造成電位反擊，造成通信設(shè)備損壞或出現(xiàn)故障。

2.3.4 利用放電中和效應(yīng)

雷電帶有一定極性的電荷，用正負(fù)電荷綜合技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)雷電流的消散。避雷針除了具有金屬導(dǎo)線的效應(yīng)，同時(shí)具有中和電荷的效應(yīng)。云層中的電荷與建筑物靠近時(shí)，建筑物就會(huì)感應(yīng)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(yīng)實(shí)現(xiàn)雷電流的消散，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)通信機(jī)房及其設(shè)備的防雷保護(hù)。

3 通信機(jī)房和設(shè)備防雷技術(shù)

3.1 通信機(jī)房防雷接地技術(shù)

機(jī)房防雷的主要建筑物頂部應(yīng)安裝避雷帶、避雷網(wǎng)等設(shè)施作為接閃器使用，并將樓頂各種金屬管道、設(shè)備設(shè)施、中央空調(diào)管線等連接起來以防止雷擊作用時(shí)出現(xiàn)繞擊現(xiàn)象。避雷帶和避雷網(wǎng)一般采用圓鋼或扁鐵，必須保證避雷網(wǎng)和接地導(dǎo)體的有效面積，以實(shí)現(xiàn)電流的迅速傳導(dǎo)。定期對(duì)防雷裝置和設(shè)施進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)，邀請(qǐng)專業(yè)機(jī)構(gòu)和專業(yè)人士對(duì)接地電阻數(shù)值進(jìn)行確認(rèn)，并出具相應(yīng)的檢測(cè)報(bào)告和合格標(biāo)簽。

接地網(wǎng)和接地電阻應(yīng)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的規(guī)定要求。通信機(jī)房地面網(wǎng)絡(luò)采取聯(lián)合接地方式，所有基礎(chǔ)部件必須做到有效接地，根據(jù)等電位要求，具體操作上防雷地線、工作地線、保護(hù)地線三者之間共同接到一個(gè)接地網(wǎng)絡(luò)。

3.2 通信基站防雷接地技術(shù)

通信機(jī)房配套基站防雷主要注意變壓器接地、電源線接地和信號(hào)線纜接地3個(gè)事項(xiàng)[4]。變壓器部分一般采用安全等級(jí)較高的TN-C-S接地系統(tǒng)，這種接地系統(tǒng)安全級(jí)別非常高，一般用在石油石化具有火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)性較高的場(chǎng)所。在變壓器高壓側(cè)，雷電波的來波方向需要設(shè)置避雷器，即避雷器裝設(shè)在被保護(hù)設(shè)施的引入端。避雷器正常時(shí)處于不通狀態(tài)，雷電侵入時(shí)能迅速打通電路，擊穿放電，切斷過電壓，發(fā)揮保護(hù)作用，并將雷電流快速釋放并向大地進(jìn)行傳導(dǎo)。雷擊現(xiàn)象過后，避雷器恢復(fù)正常工作狀態(tài)，相應(yīng)的耦合回路不再導(dǎo)通。加強(qiáng)通信系統(tǒng)電源的防雷保護(hù)同樣重要，通信電源一般是冗余設(shè)置，其相當(dāng)于通信系統(tǒng)的心臟。對(duì)通信電源系統(tǒng)的防護(hù)，首選過電壓保護(hù)器（避雷器），使系統(tǒng)上瞬間增大的脈沖能量瞬間導(dǎo)通并泄入大地，使各設(shè)備電位差不超過系統(tǒng)的承受范圍。在基站信號(hào)線纜的防雷設(shè)置上，優(yōu)先考慮采用避雷器，盡可能降低雷擊浪涌對(duì)通信機(jī)房及其設(shè)備的影響。

3.3 通信光纜線路防雷技術(shù)

在通信光纜防雷設(shè)計(jì)上，首先考慮光纜產(chǎn)品質(zhì)量和性能，優(yōu)先選用質(zhì)量達(dá)標(biāo)且防雷效果良好的防雷產(chǎn)品。對(duì)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(jìn)行有效的處理[5]。因?yàn)楣饫|上屏蔽線的作用，光纜斷開接頭不需要進(jìn)行電氣設(shè)備連接和接地處理，但是必須在光纜接頭處將金屬部件進(jìn)行電氣連接、金屬導(dǎo)線跨接以及其他形式的等電位連接。對(duì)于雷擊事故頻發(fā)的地區(qū)，優(yōu)先選取帶有鎧裝的屏蔽線光纜，同時(shí)做好光纜防護(hù)接地處理。另外，光纜的終端部分，也就是位于機(jī)房的配電架及其附屬物物件，要加強(qiáng)防雷處理。在長(zhǎng)途光纜通信線路中，為了提高光纜線路防雷水平，應(yīng)妥善做好光纜防護(hù)層的設(shè)計(jì)工作，在其PE護(hù)層的選取上，優(yōu)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(qū)，土壤電阻系數(shù)比較高，為了避免對(duì)光纜金屬構(gòu)件人工接地造成雷電流反擊以及光纜內(nèi)部金屬構(gòu)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(dá)到更加有效的防雷作用。

4 通信機(jī)房和設(shè)備防雷新技術(shù)

隨著科技的發(fā)展，防雷技術(shù)在不斷更新，目前主動(dòng)防雷思想不斷滲透到各行各業(yè)和氣象防災(zāi)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(fā)射火箭彈等形式，促進(jìn)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(shù)在通信機(jī)房和通信行業(yè)得到了推廣和應(yīng)用。

4.1 等離子電荷遷移技術(shù)

等離子狀態(tài)，指的是物質(zhì)原子內(nèi)的電子在高溫作用下脫離原子核的吸引，呈現(xiàn)游離狀態(tài)。利用等離子析出的電荷與積云中的電荷發(fā)生中和作用，可有效消除雷擊現(xiàn)象。應(yīng)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(dāng)雷電云層靠近等離子體的時(shí)候，在云層電磁場(chǎng)的作用下等離子體會(huì)發(fā)生相應(yīng)的物理和化學(xué)變化，析出極性相反的電荷，并逐漸與云中的電荷發(fā)生中和反應(yīng)，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(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

雷擊現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，積云中的電荷已經(jīng)積累到相當(dāng)多的數(shù)量，這時(shí)云層之間、云與地面之間具有很大強(qiáng)度的場(chǎng)強(qiáng)。電荷積累到飽和狀態(tài)就會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象。根據(jù)大氣場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度變化，通過電磁感應(yīng)原理可以監(jiān)測(cè)積云中電磁極性、電荷強(qiáng)度、分布密度和發(fā)展形勢(shì)等狀況，進(jìn)而對(duì)雷擊發(fā)生的時(shí)間、方位、動(dòng)向做出一系列的判斷和預(yù)測(cè)。另外，可以利用多普勒雷達(dá)、衛(wèi)星云圖、電場(chǎng)儀和磁場(chǎng)儀等專業(yè)儀器進(jìn)行輔助判斷。雷擊預(yù)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)由軟硬件組成，主要分為監(jiān)測(cè)界面、處理界面和報(bào)警界面3個(gè)部分。監(jiān)控方面利用計(jì)算機(jī)算法進(jìn)行程序的編制綜合，使用數(shù)據(jù)庫圖形處理等計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)云層狀況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和模擬。通過人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)和可視化操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)定，了解雷雨天氣時(shí)雷擊事故的動(dòng)向，輔助進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)可以將監(jiān)測(cè)到的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)達(dá)到一定的設(shè)定值時(shí)發(fā)出警報(bào)。

4.3 接閃器自啟動(dòng)技術(shù)

利用接閃器自動(dòng)升降，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)引擎防雷技術(shù)。接閃器自啟動(dòng)技術(shù)綜合了一部分自動(dòng)化技術(shù)和機(jī)電自動(dòng)升降原理，自動(dòng)升降裝置主要由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)雷電預(yù)警系統(tǒng)報(bào)警的時(shí)候，該區(qū)域很可能發(fā)生雷電活動(dòng)和雷電電荷放電趨勢(shì)，自動(dòng)升降避雷裝置就會(huì)進(jìn)入工作狀態(tài)并做出相應(yīng)的反應(yīng)，避雷針自動(dòng)升高到設(shè)置高度，對(duì)保護(hù)范圍內(nèi)的建筑物、電力電纜、通信設(shè)施等起到保護(hù)作用。當(dāng)雷云消失或電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)減弱到一定程度時(shí)，雷電預(yù)警系統(tǒng)取消，這種自動(dòng)裝置就會(huì)解除報(bào)警狀態(tài)，升起的避雷針就會(huì)自動(dòng)降至原位。自動(dòng)引擎接閃器，無需人工配合，全部由機(jī)電一體化和自動(dòng)化技術(shù)完成，其升降、限位、密封和電流泄散發(fā)揮了良好的防雷泄流作用。

4.4 供電回路自動(dòng)切換技術(shù)

供電線路雙回路智能切換技術(shù)，采用現(xiàn)代智能化信息手段，將電氣搭接的電源系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)切換。這種切換過程實(shí)現(xiàn)了供電電源與蓄電UPS電源之間的轉(zhuǎn)換，雷擊現(xiàn)象發(fā)生時(shí)有效避免在用回路遭受雷擊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的保護(hù)及設(shè)備安全性的防護(hù)。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)上自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了雷擊前對(duì)電源的關(guān)閉狀態(tài)，避免了經(jīng)濟(jì)損失。系統(tǒng)一般包括電源自動(dòng)切換功能、遠(yuǎn)程手動(dòng)切換功能、就地切換功能及在線的監(jiān)測(cè)功能等。雷云逐漸形成時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)感應(yīng)并切斷電源線路，有效保護(hù)電源；雷云逐漸消散時(shí)系統(tǒng)沒有雷擊威脅，此時(shí)系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，將開關(guān)合閘恢復(fù)供電。這種系統(tǒng)設(shè)置靈活性較強(qiáng)，人們可以選擇遠(yuǎn)程自動(dòng)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(jiān)測(cè)技術(shù)

防雷智能在線監(jiān)測(cè)技術(shù)[6]，可以通過物聯(lián)網(wǎng)、云存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)、信息化等技術(shù)的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)綜合性的在線防雷監(jiān)測(cè)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)接地裝置的接地阻值、雷擊電流、雷擊電壓、浪涌保護(hù)器的動(dòng)作狀態(tài)等。該技術(shù)能有效采集接地阻值、累積能量、電勢(shì)強(qiáng)度、雷擊次數(shù)和可能性、累積電荷、保護(hù)器的漏電狀態(tài)以及空氣開關(guān)的工作狀態(tài)等。在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的使用可以輔助人們更直觀、更有效、更主動(dòng)地防御雷擊事故。

5 結(jié) 論

通信企業(yè)要明確認(rèn)識(shí)到雷電的危害，相關(guān)人員需要加大對(duì)雷電防護(hù)措施的研究力度。通信企業(yè)要充分認(rèn)識(shí)到通信機(jī)房、通信基站以及通信線路防雷基礎(chǔ)設(shè)施的重要性，筑牢基礎(chǔ)性的防雷保障措施，保證通信企業(yè)不出現(xiàn)或者極少出現(xiàn)雷擊事故。另外，通信企業(yè)要加大科技投入與創(chuàng)新力度，組織科研攻關(guān)，在防雷關(guān)鍵問題上加大政策扶持和科研投入，并適時(shí)引進(jìn)新技術(shù)及新產(chǎn)品，讓智能監(jiān)測(cè)技術(shù)、自啟動(dòng)避雷技術(shù)以及基于大數(shù)據(jù)背景下的自切換等新型防雷技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，為通信企業(yè)的防雷工作帶來保證，助力通信企業(yè)穩(wěn)健發(fā)展。