通信防雷与接地系统.ppt

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1、通信防雷与接地系统,运行维护部二一一年五月,代维工作应知应会技能培训材料,概述,一、目的 系统了解防雷及接地知识 尽力保障人身和设备安全二、原则 简单介绍系统理论，准确阐述维护细节 结合日常维护生产，指导代维实际工作,随着高新技术的迅猛发展，由雷击引起的灾害事故正呈现出上升的趋势。到目前为止，雷电作为一种强大自然力的爆发，尚无法有效地加以制止，人们力所能及的工作是设法限制雷击所造成的破坏作用，将雷击的危害减小到尽可能低的限度。为更有效地防止雷击灾害，首先要分析雷电及其雷电电磁脉冲发生的物理过程，认识其成灾规律，从而选用适当的防护器件和装置，设计实施合理的雷电防护系统。由于雷电作为一种破坏因素时

2、，其呈现形式以及破坏的途径不是单一的，比较行之有效的方法是按照防止直接雷击、感应雷击等设计一个综合的雷电防护系统，对一切进雷通道的雷电破坏能量分别采用接闪、分流、均压、屏蔽、接地等手段，对建筑物及其内电子设备进行全方位保护。,雷电防护基础知识,1、雷电活动与地域的关系就雷电活动的地域分布而言，雷电发生的次数是山区多于平原，平原多于沙漠，陆地多于湖海，热而潮湿地区多于冷而干燥的地区；随着纬度的不同，落地雷与云间放电的比例亦有不同：低纬度地区的热带雷暴，其云底高度较高，平均每产生一次落地雷，就有数十次云间放电出现；但在中、高纬度地区，落地雷与云间放电的次数大体相当。土壤导电率不同的地区，落地雷发生

3、的频率明显不同。土壤导电情况越好，落地雷发生的频率越高。如盐场、河床、池沼等地区。长江以北地区平均每年有40个雷电日，长江以南地区平均每年有50个雷电日。2、雷电活动与气候的关系雷电活动的时间分布而言，夏季是雷电活动的高峰期；每天雷电活动的平均情况则是下午和上半夜多于上午和下半夜。,雷电防护基础知识,雷电防护基础知识,3、雷电活动与地面物的关系。带电体放电的客观规律使得雷电活动即使在同一地区也有一定选择性。一般而言，容易遭受雷击的地方有：建筑物突出部位：屋脊、屋角、山墙、烟囱、各种无线电天线高耸突出的建筑物，如各种塔、架等；排除导电尘埃的建筑物和废气管道等；建筑群中特别潮湿和地下水位高的地方，

4、埋设有金属管道或内部有大量金属设备的厂房；地下有金属矿物的地带；山口与风口的特殊地形构成的雷暴走廊；开阔地上的大树、山地的输电线路等；平原地区独立的房屋、草垛等。雷电活动与地面物的关系可归纳为:地面突出物易遭雷击；地面导电性好的物体易引雷。雷电活动的规律和雷击的选择性，是防雷设计的一个重要参考因素。设计人员应根据本地区的具体情况，因地制宜，以提高设计的安全系数。,雷电防护基础知识,雷暴日Nk,YD 5098-2005Nk25天少雷区Nk25天中雷区Nk40天多雷区Nk90天强雷区,雷击强度的定义和统计,雷电防护基础知识,直击雷 直接雷击简称直击雷，是指雷云对地面上的建筑物或其他物体等的直接放电

5、。直击雷的防护原则主要是设法使雷电流迅速泻放到大地中去。通常采用避雷针、避雷带、避雷网或避雷笼网等避雷装置进行防护。避雷装置一般由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。,雷电防护基础知识,1、接闪器的基本形式有避雷针、避雷带、避雷网和避雷笼网等。避雷针即针状接闪器，这是一种全保护方式。由于避雷针与大地有良好的电气连接，能把积存的电荷能量迅速泄放，使雷击而造成的过电压时间大大的缩短，从很大程度上降低了雷击的危害性。避雷针必须有足够可靠，接地电阻尽量小的引下线接地装置与其配套，否则反而增大雷击的损害程度。避雷带是沿建筑物边缘敷设的接地金属带，通常用于一般建筑物防雷保护。避雷网相当于纵横交错的避雷带迭

6、加在一起，这是接近于全保护的一种方式，一般用于重要建筑物的防雷保护。避雷笼网是笼罩着整个建筑物的金属笼。根据法拉第原理，金属笼网对于雷电能起到均压和屏蔽作用。接闪时，笼网上出现高电位，而笼内空间的电场强度为零，笼上各处电位相等，形成一个等电位体，保护笼内人身和设备的安全。避雷笼网通常是利用建筑物的结构主筋形成的，并将整座建筑物的金属体如各种管道、构架、电缆金属外皮等与避雷笼网连接在一起，以达到理想的防雷保护作用。这种防雷保护方式不仅解决了建筑物防遭直击雷和感应雷的问题，而且解决了高层建筑物虽装设了避雷针仍出现雷电侧击的问题，既经济又不破坏建筑物的美观。大型建筑物常采用避雷笼网进行防雷保护。,雷

7、电防护基础知识,2、引下线是连接接闪器和接地装置的导线，敷设于房顶和建筑物墙壁上。引下线应尽量避免弯曲，应选择最短路径接到接地体上。引下线的作用是将接闪器接闪的雷电流安全的引导入地。引下线不得少于两根，并沿建筑物四周对称均匀布置。对于框架结构的建筑物，可利用其内的钢筋作为防雷引下线。采用多根引下线不但提高了防雷装置的可靠性，更重要的作用是多根引下线的分流作用可大大降低每根引下线的沿线压降，减少侧击危险。另一个目的是为了让雷电流均匀入地，便于地网疏散，以均衡地电位。同时，均匀对称布置可使引下线泻流时产生的强电磁场在引下线所包围的建筑物内相互抵消，减小感应雷击的危险。3、接地装置由接地线与接地体组

8、成。接地线是连接引下线与接地体的一段导线。接地体是指埋在土壤中起散流作用的导体。雷电流通过接地体发散到大地中去。多根接地体应连接成环形地网，引下线应连接在环形地网的四周，这样有利于雷电流的散流和内部电位的均衡。,雷电防护基础知识,感应雷 在雷云放电时因雷电流及其所产生的雷电电磁脉冲通过传导、感应和耦合等方式形成的暂态过电压及过电压波对设备造成危害的现象称为感应雷击，简称感应雷。习惯上将经由传输线路感应耦合（包括静电感应耦合和电磁感应耦合）并沿传输线引入设备的雷电过电压波称为线路来波。而经由空间传播耦合（主要是电磁感应耦合）至设备的雷电过电压称为感应电磁脉冲。因泻流时地电位升高在各地网之间形成电

9、位差而引入设备（主要是传导阻抗耦合）的雷电过电压波称为地电位反击。以上由雷云放电引发的线路来波、感应电磁脉冲、地电位反击通称为二次雷击，也就是感应雷击。感应雷侵入设备的途径很多，可以通过进出建筑物的各种传输线及各种金属管道（如电力线、信号线、电缆线、供水管道、供气管道、供暖管道等）、接地装置、以及空间传播等途径引入。暂态过电压和雷电电磁脉冲引入设备的方式主要有静电感应耦合、传导阻抗耦合、电磁感应耦合等方式。,雷电防护基础知识,当雷电流入地时，地电位升高，在不同接地点之间形成很高的电位差，该过电压会通过接地装置对设备造成反击，或通过设备之间的互连对其它设备造成反击。例如雷击基站天线铁塔避雷针时，

10、雷电流产生过电压对设备的反击。,雷电防护基础知识,例：暂态电位升高对进出屏蔽室的电源线或信号线等线路的反击。在该图中出于抗电磁干扰的目的，将某些重要电子设备安置在由致密金属网封闭的屏蔽室内，屏蔽室与建筑物接地系统可靠连接，为了让室内电子设备信号线与远处电子设备进行信号传输，在屏蔽体上开出小孔，供信号线进出。在发生直接雷击时，雷电流流过防雷接地系统时，屏蔽室暂态电位被抬高，而来自远处的信号线此时尚处于零电位，则在小孔处，屏蔽体与信号线之间将出现很高的电压。这一高电压很容易将两者间气隙击穿，使信号线上也带上高电位，该高电位将会直接损坏室内的电子设备，它也将沿信号线传输到远处线路终端，侵害终端处的电

11、子设备。,雷电防护基础知识,例：暂态电位升高在邻近未受雷击的建筑物内引起反击。三座相邻近的建筑物均分别与同一金属管道有接地连接，三座建筑物的接地实际连接在一起。当建筑物2遇到雷击时，雷电流将通过建筑物2的防雷系统引下线线和接地连线与金属管道等进入个建筑物的接地体，使个建筑物的暂态地电位都抬高，于是在没有采取暂态过电压保护措施的建筑物3中，带高电位的地线将会对其附近的电源线和通信线发生反击，使得与这些线路相连接的电气或电子设备受到暂态高电位的损害。,雷电防护措施,防雷是一个系统工程，建筑物及其内电子设备的雷电防护是多方面的，它包括防止直接雷击和感应雷击，需要采取综合防护措施，这些措施主要包括接闪

12、、均压、分流、屏蔽和接地等。1、雷电的第一道防线是设法拦截闪电，截雷或吸引雷电的装置称为避雷装置，避雷装置由接闪器、引下线和接地装置组成。2、均压（Bonding）即均衡连接，或等电位连接。为了避免雷电暂态电流路径与附近金属物体之间的击穿放电，需要对建筑物内的各种金属构件进行等电位连接，即将建筑物内的设备、组件和元件的金属外壳或构架连接在一起，并与建筑物的防雷接地系统相连接，形成一个电气上连续的整体，这样就可以在发生雷击时避免在不同金属外壳或构架之间出现暂态电位差，使得它们彼此之间等电位，并维持在地电位水平，这就是均压措施。3、分流就是在一切从室外来的导线（包括电源线、信号线、电话线等）与接地

13、体或接地线之间并联一种防雷保护器，当直击雷或感应雷在室外线路上产生的过电压循着这些导线进入室内时，防雷器短路，雷电流由此分流入地。4、屏蔽就是用金属网、箔、壳或管子等导体把需要保护的对象包围起来，把雷电电磁脉冲从空间入侵的通道全部阻断。5、工作接地是指为了使电子设备正常工作而设置的一个公共的零电位基准面；一般电器设备的金属外壳都是同内部带电部分绝缘的，一旦绝缘损坏，外壳便带电，为了防止人体触及带电外壳而触电，将电机、电器的金属外壳和同金属外壳相连的金属构架与大地作电气上的连接，称为保护接地 综上所述，有效雷电防护是全方位的系统工程，需要层层设防，综合防治。,防雷器件,放电管 火花隙：并联于需保

14、护线路中，当侵入电气设备的雷电过电压波到达时，由于电气设备的绝缘性能优于避雷器的绝缘性能，避雷器火花间隙先行击穿放电，雷电流由此泻入大地，避免过电压波对电气设备的损害。气体放电管：也是一种火花隙，密封在玻璃管或陶瓷外壳内，管内充入电气性能稳定的惰性气体（如氩气或氖气），体积较小。气体放电管用于低压弱电设备防雷。气体放电管极间绝缘电阻大，寄生电容很小，对高频电子线路的雷电防护具有明显优势。但放电管保护特性的主要不足之处在于其放电时延较大，动作灵敏度不够理想，对于波头上升陡度较大的雷电波难以有效抑制。从雷电过电压作用于放电管两端的时刻到管子实际放电时刻之间有一个延迟时间，该延迟时间称为响应时间。如

15、果被保护对象与避雷器的距离较短，则过电压波可能在放电管未动作限压时已到达被保护器件，则这种时延过长的避雷器就起不到保护的作用，所以响应时间是避雷器的一个重要技术指标。火花隙和气体放电管的特点和工作原理类似，存在续流及响应时间长的缺点。,防雷器件,压敏电阻 压敏电阻是一种以氧化锌（ZnO）为主要成份的金属氧化物半导体非线性电阻。下图所示为压敏电阻的伏安特性曲线。在泻漏区间，压敏电阻中电流很小，呈现出近似开路状态；在箝位工作区间，压敏电阻对过电压发挥箝位限压作用，其电流大，动态电阻很小；在过载区，压敏电阻严重过载，箝位功能恶化。压敏电阻具有非线性特性好、通流容量大、常态泄漏电流小、残压水平低、动作

16、响应快和无续流等诸多优点，目前已被广泛应用于电子设备的雷电防护。,防雷器件,半导体二极管 齐纳二极管、雪崩二极管和暂态二极管都是工作在反向击穿区的二极管，从抑制暂态过电压的角度来看，它们的性能大致是相同的，只是耐受暂态脉冲冲击能力和箝位电压水平等方面有所差异。由于它们具有箝位电压低和动作响应快等显著优点，特别适合于用作多级保护电路中最末几级保护元件。右图为半导体二极管的伏安特性。该伏安特性可划分为三个工作区，即正、反向区和击穿区。在正向区，它们与普通二极管一样，在很低的正向电压作用下，就能够有大量的多数载流子流过结区。在反向区，管子上承受的反向电压低于击穿电压时，管子中流过很小的反向漏电流。当

17、管子上的反向电压达到击穿电压值后，它就击穿导通，进入击穿区。,防雷器件,三种保护元件的性能比较 对于一些脆弱电子设备的防雷保护来说，采用单个保护元件常常无法满足要求，在这些保护场合下，需要将几种保护元件组合起来，构成多级保护电路才能达到要求。,防雷器件,压敏电阻：电压高于385V时，电阻下降，电压越高，电阻越小,气体放电管：电压高于255V时，气体击穿导通,防雷空开：压敏电阻热击穿时，火线对零线短路，防雷空开跳开，防止线路着火。正常时必须合上！,防雷器件,防雷器件,短路保护过流保护,防雷器件,压敏电阻：窗口绿色：好窗口红色：坏,气体放电管：难以直接判断！可长时间导通而不坏！,直流防雷器：指示灯

18、全亮：好指示灯不全亮：坏,防雷及接地系统,雷电危害的途径,防雷及接地系统,防雷及接地系统,分级防雷示意图,防雷及接地系统,分级防雷示意图,防雷及接地系统,电位的高低是相对而言的，工程上常常需要有零电位参考点。当没有电流流过时，大地是等电位的，因此，人们就方便地认为大地为零电位，将其视作电位的参考点。如果将地面上的金属物体与大地牢固地连接，在没有电流流过的情况下，金属物体与大地间就没有电位差，该金属体就具有大地的电位零电位，这就是接地的含义。换言之，接地就是将金属物体或电气回路的某一节点，通过导体与大地相连，使该物体或节点经常保持等电位。接地主要有以下三方面的目的：1、安全保护。接地的首要目的是

19、安全保护，即在系统正常运行以及故障（交流电力故障和直流电力故障）情况下，保证人身和设备的安全。具体而言，在供电系统故障情况下，为故障电流提供一条低阻抗的泻放通路，以使供电系统的故障保护器件（断路器、熔断器等）能迅速动作或将外壳电位限制在安全值以下，从而达到保证人身和设备安全的目的。2、雷电保护。即雷击情况下，为直击或/和感应产生的雷电流提供确定的泻放通路，从而避免雷电流窜入系统的其它敏感部件或区域，并最大限度地保证人身和设备的安全。3、信号参考。即为系统提供电位参考点，降低信号电路的噪声，为静电电荷提供泻放通路等。,防雷及接地系统,基站防雷及接地系统,星型结构,防雷及接地系统,环形结构,防雷及

20、接地系统,混合结构,防雷及接地系统,防雷及接地要求,1、接地参考点的设立 基站接地参考点选择正确与否是评价等电位连接的一个重要环节，一般国内基站的接地是网状星型的方式，而国外基站的接地基本采用网状接地的方式（其优点是减小在接地引线上可能产生的电位差）。作为网状星型的方式参考点的选择非常重要，尚若在设计时考虑不周，在雷击时会在接地引线上产生较大的电位差，这个电位差有时足以使设备发生损坏。2、基站机房内接地排设立与接地的关系 由于移动通信基站机房较小，在国内一般仅采用一个接地排为开关电源、收发信机、传输设备、环境监控以及总配电箱提供参考接地点。作为设备的接地，接地引线的长短可能对设备影响不大，但对

21、于雷电过电压保护而言，SPD接地线的长短可能关系到基站安装了SPD能否起到保护作用、是否还可能遭受雷击的关键问题（SPD并非100%的能解决雷击问题）。3、等电位接地 对于通信移动基站机房，最好是采用网状连接，因为机房内采用大星形连接，易在设备间产生较大的电位差而损坏设备。采用网状连接，可在机房内部的墙壁上沿机房走线架的高度设均压环，该均压环从机房的四角或与电源SPD及天馈接地线与均压环的连接处用镀锌扁钢或截面积不小于95平方毫米的多股铜线引出并和机房环形地网相连，所有连接皆采用焊接的方法并进行防锈蚀处理，基站内各设备应就近与均压环可靠连接。,防雷及接地要求,1、建在郊区或山区的基站地网改造方

22、案 建立在郊区、山区的独立机房的地网应采用环型接地网的方式，环型接地网围绕铁塔和机房一圈，并分别与铁塔各基础多点相连，机房接地引入点应在远离铁塔的一侧。如果大地电阻率较高的地区，再在地网四角采用辐射型接地体（在辐射型水平接地体周围采用液状长效降阻剂处理）。2.建在城市利用办公大楼和大型建筑物的地网改造方案 办公楼、大型建筑地网，要充分利用建筑物自身各类可能与地构成回路的金属管道（如消防水管），并与大楼顶避雷带上或者在大楼顶的避雷网预留的接地端多次连接，可能的情况下，敲开几根柱子内的钢筋与大楼顶避雷带上或者在大楼顶的避雷网预留的接地端相互连在一起作为基站的接地。3.建在城市和郊区利用小型民用建筑

23、的地网改造方案 将机房内所有立柱主筋焊接连通作为基站的接地系统，如果有条件，再在楼外设一组接地体与建筑物立柱焊接在一起，作为基站的接地系统。当然实施接地改造时应根据民用建筑物机房的具体情况确定方案。往往由于条件所限或者业主和环境的要求，接地体的选择就很重要，从实际出发，在楼房机房的一侧地下，根据环境条件，可设一组接地体，使用40X4热度锌扁钢或截面积大于120mm2多股铜线与机房接地排连接，所有焊点用沥青做防腐处理。,防雷及接地要求,电源SPD连接线和接地线选择表,防雷及接地要求,根据YD5068-98移动通信基站防雷与接地设计规范的要求，基站的接地电阻应小于5，且要求将工作地、保护地和防雷地

24、三地合一，即采用联合地网。关于工频接地电阻的几个基本结论：1、在土壤电阻率一定的情况下，增加接地网的面积是减小接地电阻的主要措施；2、在以水平接地体组成的接地网中，增加有限长度的垂直接地体，对减小接地电阻的作用不大；3、有限地增加接地网地埋深，对减小接地电阻的作用不大。4、在电阻率较高的地区，降阻剂可在基站地网的边缘使用，以扩大地网的等效半径及面积。5、采用稀疏分布的长垂直接地体，使降阻剂向地网下端渗透，形成三维空间。6、将与地网连接的幅射形水平接地体周围和末端接地体采用降阻剂处理，这样由于“树枝效应”等效扩大地网面积。7、在基站天线铁塔避雷针引下线所接的垂直接地体周围施放降阻剂，这样有利于增加雷电流的泄流能力。,安全接地,半球接地体的地中散流及地面电位分布示意图,跨步电势和接触电势 当跨步电势和接触电势超过某一安全数值时就会导致触电事故。由于不同形状和不同埋深的接地体会有不同的地表电位分布，因此最大跨步电势和接触电势出现的位置将和接地体的形式、尺寸以及埋深等因素有关，但一般均在接地体附近。,雷击损坏配电箱,雷击损坏防雷箱,雷击损坏防雷箱,雷击损坏PSU,雷击损坏传输设备,雷击损坏主设备,