變電站通信機房防雷方案
1. 概述
變電站通信系統(tǒng)主要分通信電源、光傳輸設(shè)備、接入設(shè)備、無線通信設(shè)備、環(huán)境檢測、監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)路設(shè)備等。由通信設(shè)備承載企業(yè)的核心業(yè)務(wù)，重要性較高，一般根據(jù)TIA942標(biāo)準(zhǔn)的Tier4和Tier3標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，可靠性要求99.999％以上，以保證大部分異常故障和正常維護(hù)情況下正常工作，核心業(yè)務(wù)不受影響。
當(dāng)變電站機房所在的建筑物附近出現(xiàn)雷雨云時，雷電通過數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)建筑物頂部的接閃器等泄放雷電流時，也會在內(nèi)部的計算機及其它設(shè)備的電源和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中產(chǎn)生感應(yīng)雷電流，導(dǎo)致設(shè)備的損壞。
雷電的表現(xiàn)形式主要有兩種：
一種是直擊雷，是指帶電云層與大地上某一點之間發(fā)生迅猛的放電現(xiàn)象。直擊雷威力巨大，雷電壓可達(dá)幾萬伏至幾百萬伏，瞬間電流可達(dá)十幾萬安，在雷電通路上，物體會被高溫?zé)齻踔寥诨?。通常在建筑物頂部安裝避雷針或避雷網(wǎng)等來防直擊雷。
另一種是感應(yīng)雷，是指當(dāng)直擊雷發(fā)生以后，帶電云層迅速消失，而地面上某些范圍由于散流電阻大，以致出現(xiàn)局部高電壓，或者由于直擊雷放電過程中，強大的脈沖電流對周圍的導(dǎo)線或金屬物因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生高電壓以致發(fā)生閃擊的現(xiàn)象。
當(dāng)今社會電子計算機技術(shù)、微波通信技術(shù)日益發(fā)展，各類電子設(shè)備大量應(yīng)用，雷擊電感應(yīng)到附近的導(dǎo)體中形成過電壓，可高達(dá)幾千伏，對微電子設(shè)備的危害極大。LEMP（雷電電磁脈沖）的主要侵入通道有電源線路、各類信號傳輸線路、天饋路線和進(jìn)入系統(tǒng)的管、纜、橋架等導(dǎo)體侵入設(shè)備系統(tǒng)，造成電子設(shè)備失效或永久性損壞。因此，雷擊電磁脈沖的防護(hù)是在入侵通道上將雷電流泄放入地，從而達(dá)到保護(hù)電子設(shè)備的目的。其主要方法是采用隔離、等位、鉗位、均壓、濾波、屏蔽、過壓過流保護(hù)、接地等方法將雷電過電壓、過電流及雷擊電磁脈沖消除在設(shè)備外圍，從而有效地保護(hù)各類設(shè)備。目前主要采用氣體放電管、放電間隙、高頻二極管、壓敏電阻、瞬態(tài)二極管、晶閘管、高低通濾波器等元件根據(jù)不同頻率、功率、傳輸速率、阻抗、駐波、插損、帶寬、電壓、電流等要求，組合成電源線、天饋線、信號線系列電涌保護(hù)器（SPD）安裝在微電子設(shè)備的外連線路中，地線按共同接地原則接入系統(tǒng)的地線，才不至于造成地位反擊。只要設(shè)計合理、安裝合格，電涌保護(hù)器就能有效的防御雷電。
雷電干擾的入侵路徑：
常見的雷電干擾的入侵途徑及原因
· 當(dāng)建筑物本身受雷電直擊時，和建筑物連接的金屬導(dǎo)體包括建筑物鋼筋與地極之間產(chǎn)生瞬時電位差，構(gòu)成摧毀電子設(shè)備之沖擊過電壓。并且經(jīng)下引線流過的大量電流，亦產(chǎn)生磁場沖擊波。
· 當(dāng)遠(yuǎn)端的導(dǎo)線因雷電而產(chǎn)生感應(yīng)電壓會由遠(yuǎn)端經(jīng)導(dǎo)線傳導(dǎo)過來。
· 當(dāng)云層間放電時，強大的電磁沖擊會在鄰近的地上金屬導(dǎo)線感應(yīng)出沖擊電壓，并且磁場沖擊會漫延到地上的建筑物。
· 另外，內(nèi)部操作過電壓，如變壓器的空載，電機的啟動，開關(guān)的開啟等，也能引起強大的脈沖沖擊電流通過線纜引入，破壞電子設(shè)備。
由感應(yīng)雷引起的事故約占雷害事故的80%至90%。針對感應(yīng)雷的破壞途徑，我們可采取接地、分流、屏蔽、均壓等電位等方法進(jìn)行有效的防護(hù)，以保證人身和設(shè)備的安全。
因此機房內(nèi)部通過電源、網(wǎng)絡(luò)和通訊線路相連接的自動化、計算機系統(tǒng)設(shè)備期望通過較為傳統(tǒng)的方法即安裝避雷針以及前端強電避雷設(shè)備避免感應(yīng)雷擊的事故是不可能的，其作用是不充分的。只有針對感應(yīng)雷擊損壞設(shè)備的特性，采用防范感應(yīng)雷擊的解決方法，才能避免雷電對設(shè)備的侵襲。
由于感應(yīng)雷產(chǎn)生的途徑有許多種，在距離帶電雷雨云較近所有的金屬回路中均會產(chǎn)生破壞性的可能，只是有些的雷電過電壓較小，不會對設(shè)備產(chǎn)生明顯的破壞力而已，但過電壓的存在對設(shè)備的長期使用的壽命必然產(chǎn)生影響，因此感應(yīng)雷防范的難度遠(yuǎn)大于直擊雷的防范，而且所需要投入的費用也高于直擊雷的防護(hù)。
因此作為機房全面的防護(hù)方案，必須充分考慮其設(shè)備遭受感應(yīng)雷侵襲并發(fā)生事故的可能性，根據(jù)感應(yīng)雷的特性，加以專項的防護(hù)，才能做到充分的防護(hù)。
從可能引雷的三條途徑：電源系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和通訊線路。針對計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通訊的特性、需要的防雷等級程度，選用性價比合適的防雷產(chǎn)品，做到以合理的價格達(dá)到充分的防護(hù)。確保設(shè)備對直擊雷和感應(yīng)雷以及線路操作過電壓的全面防護(hù)。
欲使設(shè)備得到很好的保護(hù)，首先應(yīng)對其所處的環(huán)境、受雷電影響的程度作出客觀的估計，因它與出現(xiàn)過電壓的幅值、概率、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備抗電壓能力、保護(hù)水平和接地等有關(guān)；防雷工作應(yīng)作為一項系統(tǒng)工程來考慮，強調(diào)全面防護(hù)（包括建筑物、傳輸線路、設(shè)備和接地等），綜合治理，且要做到科學(xué)、可靠、實用和經(jīng)濟。針對感應(yīng)雷瞬時能量較大的特點，根據(jù)IEC國際標(biāo)準(zhǔn)對能量逐級吸收的理論，及防護(hù)區(qū)間量級分類的原則，需要做多級防護(hù)。
采用避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)等可防止和減少雷電對建筑物、人身和居室造成的危害。但已有大量事實證明：在安裝了這些避雷裝置的室內(nèi)，計算機設(shè)備、通訊網(wǎng)絡(luò)及微電子器件在雷擊時，卻仍然會遭受不同程度的損害。對此，科學(xué)家通過進(jìn)一步的分析，已經(jīng)找到了其中的原因所在。
直接擊中建筑物的雷電稱之為“直擊雷”。避雷針等裝置可將“直擊雷”產(chǎn)生的高電壓、強電流迅速引入大地，消除雷擊的影響，從而起到保護(hù)設(shè)施的作用。然而，雷擊放電時在空中會產(chǎn)生強大的電磁場，使周圍的金屬導(dǎo)體因“電磁感應(yīng)”而帶上很高的電壓，另一方面雷擊入地點在瞬間會產(chǎn)生“地電位反擊”，電位迅速抬高，影響其它接地設(shè)備的安全。這些由雷電引起的感應(yīng)現(xiàn)象稱為“感應(yīng)雷”，同樣具有強烈的破壞作用。
雖然在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)，物體可免遭直接雷擊，但“感應(yīng)雷”可在電力、通信、網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星天線及有線電視等線纜上產(chǎn)生高壓感應(yīng)和電流“浪涌”，并通過導(dǎo)線引入配電間、機房、辦公室和住宅等，使電源、通訊及電子設(shè)備不可避免地受到損害。因此，防止這些現(xiàn)代社會的雷害顯得十分緊迫和必要
2. 雷害的防護(hù)措施
為了保護(hù)建筑物和建筑物內(nèi)各類設(shè)備不受雷電損害或使雷擊損害降到最低程度，現(xiàn)在都采取綜合防雷。綜合防雷設(shè)計方案應(yīng)包括兩個方面：直接雷擊的防護(hù)和感應(yīng)雷擊的防護(hù)，缺少任何一方面都是不完整的、有缺陷的和有潛在危險的。
2.1 直雷擊的防護(hù)
主要使用避雷針、網(wǎng)、帶及良好的接地系統(tǒng)，其目的是保護(hù)建筑不受雷擊的破壞，給建筑物內(nèi)的人或設(shè)備提供一個相對安全的環(huán)境。
該部分通常變電站在建設(shè)時都已建置，通常無需考慮。
2.2 感應(yīng)雷的防護(hù)
目前，通信設(shè)備受到雷電感應(yīng)高壓損壞主要途徑有二種：
輻射性的感應(yīng)雷擊是強雷電磁場通過輻射或感應(yīng)造成設(shè)備損壞。
由供電線路、信號線路和控制線路等由各種線路傳導(dǎo)進(jìn)來的感應(yīng)雷電高壓脈沖損壞電子設(shè)備的。
因此采取的相應(yīng)措施為：
· 采取電磁屏蔽措施。
· 安裝浪涌保護(hù)器，包括供電系統(tǒng)和信號系統(tǒng)。
· 等電位處理。
· 良好接地。
3. 通訊系統(tǒng)防雷設(shè)計方案
通訊系統(tǒng)防雷是一項綜合性工程，主要包括外部防雷和內(nèi)部防雷兩個方面:
外部防雷：避雷針、避雷帶、引下線、接地極等等，其主要的功能是為了確保建筑物本體免受直擊雷的侵襲，將可能擊中建筑物的雷電通過避雷針、避雷帶、引下線等，泄放入大地。
內(nèi)部防雷：系統(tǒng)是為保護(hù)建筑物內(nèi)部的設(shè)備以及人員的安全而設(shè)置的。主要以空間屏蔽、等電位連接、減少接近耦合、過電壓保護(hù)等措施，通過在需要保護(hù)設(shè)備的前端安裝合適的避雷器即過電壓保護(hù)，使設(shè)備、線路與大地形成一個有條件的等電位體。將可能進(jìn)入的雷電流阻攔在外，將因雷擊而使內(nèi)部設(shè)施所感應(yīng)到的雷電流得以安全泄放入地。
設(shè)計依據(jù)：
1) IEC61024《建筑物防雷》
2) IEC61312《雷電電磁脈沖的防護(hù)》
3) ITU K25《光纜的防雷》
4) ITU K27《電信大樓內(nèi)的連接結(jié)構(gòu)和接地》
5) GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》
6) GB50174-93《電子計算機機房設(shè)計規(guī)范》
7) GB50200-94《有線電視系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》
8) GB50198-94《民用閉路監(jiān)視電視系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》
9) GB/T50311-2000《建筑與建筑群綜合布線系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》
10) YD2011-93《微波站防雷與接地設(shè)計規(guī)范》
11) YD5078-98《通信工程電源系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》
12) XQ3-2000《氣象信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)規(guī)范》
屏蔽 :在主機房，將所有的金屬門窗與天花龍骨多次連接，用作電磁屏蔽。
通過對機房設(shè)備的信號線、電源線全方面防雷保護(hù)，使設(shè)備在雷擊產(chǎn)生時確保安全可靠的運行。注：防雷器安裝在離被保護(hù)設(shè)備距離越近越好。
◆ 第一級電源防雷：
根據(jù)國家有關(guān)低壓防雷的有關(guān)規(guī)定，外接金屬線路進(jìn)入建筑物之前必須埋地穿金屬管槽15米以上的距離進(jìn)入建筑物，且要在建筑物的線路進(jìn)入端加裝低壓避雷器。必須做到在電源的進(jìn)入端安裝低壓端的總電源防雷器，將由外部線路可能引入的雷擊高電壓引至大地泄放，以確保后接設(shè)備的安全。
作為系統(tǒng)電源進(jìn)線端的主級防雷器，在雷擊多發(fā)地帶至少應(yīng)有100-160KA的通流容量，可將數(shù)萬甚至數(shù)十萬伏的雷擊過電壓限制到數(shù)千伏，防雷器可并聯(lián)安裝在辦公樓的總配電柜內(nèi)的電源進(jìn)線處或配房低壓輸出端。
【具體措施】
配電房低壓輸出端并聯(lián)安裝壹套B級電源防雷箱，用于機房整體設(shè)備的電源第一級的防雷初級保護(hù)?；虿捎秒娫捶览啄K，并聯(lián)安裝在配電房低壓輸出端。
注意：上述部分變電站往往已經(jīng)具備，可根據(jù)具體情況選配。
◆ 第二級電源防雷
通信電源、逆變電源、UPS電源防雷器，對通過電源初級防雷器的雷電能量進(jìn)一步泄放，可將幾千伏的過電壓進(jìn)一步限制到1點幾千伏，雷電多發(fā)地帶需要具有40KA的通流容量，防雷器可并聯(lián)安裝在UPS處。
【具體措施】
在通信電源、逆變電源、UPS等電源總進(jìn)線處，并聯(lián)安裝一套電源二級防雷箱用于中心機房內(nèi)設(shè)備的電源第二級防雷保護(hù)。或采用電源防雷模塊。
◆ 第三級防雷系統(tǒng)
第三級防雷即用電設(shè)備的末級防雷，這也是系統(tǒng)防雷中最容易被忽視的地方，現(xiàn)代的電子設(shè)備都使用很多的集成電路和精密的元件，這些器件的擊穿電壓往往只是幾十伏，最大允許工作電源也只是mA級的，若不做第三級的防雷，由經(jīng)過一二級防雷而進(jìn)入設(shè)備的雷擊殘壓仍將有千伏之上，這將對后接設(shè)備造成很大的沖擊，并導(dǎo)致設(shè)備的損壞。作為第三級的防雷器，要求有10KA以上的通流容量。
單相的用電設(shè)備，可以選用模塊式電源防雷器并聯(lián)安裝在機房通信電源等進(jìn)線端或采用插座式防雷器串聯(lián)在設(shè)備前端作為第三級電源防雷器，其目的是將雷電及其他浪涌電壓限制到對設(shè)備沒有損害的水平，特別是對日常天天發(fā)生的電源系統(tǒng)操作過電壓、電源高次諧波等具有限制和保護(hù)作用，可以延長設(shè)備的正常使用壽命，減少運行維護(hù)成本。
【具體措施】
在通訊機房內(nèi)重要設(shè)備電源進(jìn)線處, 串聯(lián)安裝電源第三級插座式防雷器用于重要機房內(nèi)設(shè)備的電源末級防雷保護(hù)。
◆機房其它設(shè)備的防雷保護(hù)
1) 電話線與ADSL：采用音頻信號防雷器，串接在電話機、ADSL前端電話線處，安裝方便，易維護(hù)。配線架防雷采防雷排保護(hù)器。
2) 網(wǎng)絡(luò)線：采用RJ45防雷器。
3) 控制類：采用串口防雷器。
4) 同軸類：采用同軸防雷器。
5) 天饋類：采用同軸防雷器。
6) 視頻類：采用視頻線防雷器。
