文章图片
文章图片
摘要 ：
依据大量的通信雷击故障案例分析 ， 充分说明了雷击通信设备的根本原因就是由于通信工程在设计和施工阶段 ， 尤其是施工时 ， 没有按照有关的技术规范和要求去施工 ， 造成了全国每年雷击通信设备达 1 万多次的不应发生的雷击故障和隐患 ， 强调施工质量才是通信设备免遭雷击的根本原因 。
关键词：
施工质量 防雷措施 电源 SPDN 接地 雷击 规范
作者简介：
慕家骁：中国电信股份有限公司研究院高级工程师 ， 研究方向：长期从事通信设备、IDC数据中心电源和环境的安全可靠性运行的研究和技术支撑工作 ， 发明专利多个 ， 国内主要刊物以署名第一发表论文 20 余篇 ， 正式出版发行专业著作 4 部 。
罗森文：工学硕士 ， 中国电信股份有限公司研究院高级工程师 ， 通信电磁安全领域内著名专家 ， 中国通信标准化协会 TC-9WG1 副会长 ， 研究方向：通信电磁安全技术研究 ， 发表论文 20 余篇 ， 专利多项 。
郑超文：学士 ， 中国电信股份有限公司研究院工程师 ， 研究方向：长期从事通信设备、IDC 数据中心电源和环境的安全可靠性运行的研究和技术支撑工作 ， 发表论文多篇 ， 正式出版发行专业著作 3 部 。
1引言
我国通信系统设备防雷的技术规范和标准应该说已经很全面和规范了 ， 但有我们通信机房和设备每年为何还至少有上万次的雷击故障频频发生呢？造成如此大损失的根源究竟在哪里呢？为此本文通过对一系列的典型雷击故障案例进行了较详细的分析和说明 ， 提出了相应的对策和建议 。
2雷电对我国通信机房的危害的基本情况
近年来随着通信网络的不断发展 ， 我国已经建成了大量的 IDC 机楼和数百万个基站 ， 然而由于设计和施工单位对机房和基站的防雷措施施工不够规范 ， 造成雷击的故障依然不断地发生 ， 四大运营商（包括铁塔）每年遭受雷击的故障达到了万次以上 ， 对我通信设备造成了极大的损失 。
经对具有代表性的广东、湖南、湖北等十个省市的通信机楼、IDC 机房、移动基站雷击故障原因分析 ， 发现雷击的主要原因还是由于施工质量不够规范所引起 ， 每次都能从雷击故障案例中找到施工不合格、不规范的问题 ， 对此我们不能不引起足够的重视 。
3施工不规范是造成通信设备雷击的主要原因
经过对大量的雷击通信设备的故障调查分析 ， 发现在每个雷击故障案例中都能找到施工质量不合格和施工不规范的影子和薄弱环节 ， 都能从中找到雷击的直接或间接原因 。 若施工质量不合格和不规范 ， 即使是把通信设备安装到全金属结构的集装箱式机房内 ， 也仍然免不了被雷击的严酷事实 ， 因此施工质量的规范和标准才是杜绝和减少雷击故障的根本原因 。
3.1 避雷器施工不规范引起的雷击
3.1.1 避雷器欠缺所引起的雷击
某分公司某大型 A 级枢纽通信大楼 IDC 数据机房位于 17 层大楼的中间位置 11 楼层 ， 于 2015 年 6 月 10 日19 时 IDC 机房发生第 9 列电源机柜 B 路 A 相电源被雷击 ， 同时 B 路空开及上端 UPS 空开跳闸外 ， 发生 UPS 系统掉电故障 ， 对应的 UPS 输出也跳闸 ， 直接影响客户近 200多台服务器工作异常 。 本次雷击故障发生时 ， 据维护人员反映 ， 当时机房附近天空电闪雷鸣 ， 雷电十分强烈 。 造成IDC 机房雷击故障历时约 1 小时 ， 雷击设备故障引起客户对该运营商的技术服务能力和机房设施环境提出质疑和投诉 。 后经现场调查和分析 ， 确定由于缺少 B 级电源避雷器 ， 结果造成后面的 UPS 系统和机架电源被雷击 。
3.1.2 电源避雷器 SPD 引线过长的问题
根据某省移动公司对遭受雷击基站的电源避雷器SPD的普查 ， SPD的连接线（包 括相线、中性线和接地线）长度统计 ， 引线长度大于 1 m 的雷击故障数占到88.39% ， 引线长度小于 1 m 的仅占到 11.61% ， 如表 1 所示 。
文章图片
说明电源避雷器 SPD 引线长度对雷击影响很大 。 因为雷电流是高频电流 ， 在浪涌电流为 I=1 kA、di/dt=100 A/μs 时 ， 在 2.5 mm2 导线上的电压降为134.5 V；若导线长度为10 m 时 ， 导线上的压降就为 1805.4 V；而雷电流在导线的感抗上的压降是电阻压降的约20倍！若雷电流幅值为10 kA、20 kA 时 ， 1 m 长的引线上的压降就为数千伏之高！可见电源 SPD 的连接线对 SPD 防雷效果的影响之大 。 根据相关规范要求 ， 模块式电源避雷器 SPD应尽量安装在被保护的设备内 ， 若确实无法安装时 ， 可使用箱式 SPD ， 并安装在被保护设备附近的墙上或其它地方 ， 但其电源引线和接地引线均不应超过 1 m ， 且接地引线尽量避免与电源线紧挨平行布放 ， 越短直越好 。 而且许多通信局站在安装电源避雷器 SPD 时根本就不注意其连接线长度的问题 ， 在查勘被雷击很严重的通信局站时 ， 甚至发现有的电源避雷器 SPD 的引线长度达 20 m 左右的 ， 这样的电源避雷器还能起到防雷作用吗？
3.1.3 信号避雷器欠缺引起的雷击故障
某分公司动环监控系统屡屡发生雷击故障 ， 每次动环监控系统厂家维护人员过来处理故障都要收取数千元的费用 ， 维护人员为此头疼不已 。 据维护人员反映 ， 所有动环监控系统的前端采集器也都全部安装了信号避雷器 ， 但后来经过现场详细检查 ， 发现其它采集器都按设计要求安装信号避雷器 ， 但唯有该信号采集器没有安装信号避雷器 ， 后来补安装了该数据采集器的信号避雷器后 ， 再也没有发生过类似的雷击故障现象 。
3.1.4 数据信号避雷器安装不规范所引起的雷击故障
某运营商在某市新建的大型 IDC 机楼的消防系统屡屡被雷击 ， 后来发现该消防监控系统主机安装了 20 多个24 V 直流电源的 485 数据信号避雷器 ， 但在安装这 24 V直流电源 485 数据信号避雷器时却没有安装这些 24 V 直流电源 485 数据信号线避雷器的地线 ， 导致这些 24 V 直流电源 485 数据信号线避雷器形同虚设 ， 跟本起不到避雷的作用 ， 才导致该 IDC 机楼的消防监控主机系统屡屡被雷击故障现象 。 如图 1 所示 。
文章图片
3.2 地线系统施工不规范
3.2.1 室内天馈线防雷地线和工作地混接引起的雷击故障
某 A 级机楼核心网机房位于该大楼6层 ， 不但有传输设备、软交换等重要通信设备 ， 同时还发现有大量基站设备 。 现场发现软交换及传输设备的电源列柜 D 级防雷模块也多次遭受雷击 ， D 级防雷模块有烧黑的迹象 。 但 B 级和 C 级电源避雷器完好无损 ， 雷击后该分公司的维护人员及时更换了被雷击坏的通信主设备和电源列柜 D 级防雷模块；进一步调查发现该机房内天馈线接地线虽然有独立专用地线排 ， 但新建的室外基站天馈线地线排与室内总设备地线排用一条线径为 95 mm2 的电缆电气连通 ， 甚至与直流工作地线排都一起电气连通 ， 就是说天馈线地线排虽然有独立地线排 ， 但天馈线防雷地线与室内直流工作地线及设备保护地线都彼此相互电气连通！当室外天馈线及室外地线上感应到雷电压和雷电流时 ， 这些感应到雷电流和雷电压就会沿着天馈线地线系统直接进入到机房内的总地线排上 ， 再通过室内总地线排继续沿着电源列柜上的电源避雷器地线、通信设备机架地线最终涌入到通信电源防雷模块、通信设备机架上 ， 并打坏通信电源防雷模块和整流模块 ， 同时还会继续随着直流整流模块电源路经又涌入到各种通信主设备当中 ， 将通信主设备也打坏 。 该楼层机房总地线排连接连接图如图 2 所示 。
文章图片
3.2.2 室外总地线引线不规范引起的雷击故障
某运营商为了防雷 ， 将基站直接建在全金属集装箱式建筑物内 ， 但依然频频遭遇雷击 ， 该基站内的直流开关电源共有四个整流模块、无线设备主控板、数据接口等部位都多次遭到严重的雷击故障 ， 该基站电源为市电三相四线制输入 ， 交流市电总输入侧安装了某品牌 C 级电源避雷器（通流容量为 40 kA）无损坏 ， 且该 C 级电源避雷器的雷电计数器无任何雷电入侵历史记录 ， 开关电源监控模块的故障及历史记录事件也很清晰、无任何异常 ， 系统参数设置也无异常事件发生和告警信息 ， 开关电源输入端安装有通流容量为 20 kA 的 D 级电源避雷器一套 。 且维护人员反映 ， 当空中打雷时会在该全金属集装箱式机房机壳上会感应出很高的感应电压 ， 维护人员都不敢碰触全金属结构的集装箱式基站金属外壳 。
现场调查 ， 该基站的机房内的所有地线系统都连接到一个总地线排上面 ， 而该地线排用一条 95 mm2 的电缆连接到镀锌扁铁上面后 ， 再引出到室外与铁塔和天馈线地线一起引入到大地地网中 ， 见图 3 所示 。 这样当铁塔和天馈线地线系统将雷电流引入大地后还未下地就直接流入到室内总地线排的镀锌扁铁地线上面 ， 直接沿着 95 mm2 的地线电缆“倒灌”进入到室内总地线排上 ， 再沿着室内开关电源 D 级避雷器的地线进入到开关电源整流模块、并打坏开关电源整流模块后再沿着开关电源直流电源进入到基站设备系统之中 ， 打坏无线设备主控板、数据接口等部位 。
文章图片
由于室外铁塔和天馈线地线”倒灌”引入的雷电流进入到室内的总地线排上面后就直接沿着开关电源的 D 电源避雷器地线流入了开关电源的正极 ， 并打坏了开关电源整流模块和其它无线设备 ， 而 C 级电源避雷器的通流容量比D 级电源避雷器容量大了整整一倍 ， 且雷电流在 C 级电源避雷器处也是方向相反的雷电电流 ， 因此根本就没有起到防雷的作用 ， 因此尽管 C 级电源避雷器就没有任何的雷击的记录而开关电源却遭到雷电损坏也在情理之中了 。
由于该机房地线系统没有把设备机壳保护地线、直流工作地、避雷器保护地以及天馈线走线架保护地等实行三种地线未分开布放 ， 因此当雷电击中铁塔后 ， 雷电流就直接可以沿地线系统直接”倒灌”到开关电源模块上面 ， 而电源避雷器上就根本起不到泄放雷电的作用 ， 因此 SPD电源避雷器的记录始终还为“0”次 ， 开关电源监控模块的故障及历史记录事件清晰、无异常 ， 系统参数设置也无异常事件和告警 ， 而通信电源模块和相关通信设备则被雷击严重击坏 ， 此外由于集装箱基站也全部都是全金属结构 ， 且地线也全部都连接在一起 ， 因此全金属结构的电位也很高 ， 当空中打雷时会在该全金属集装箱式机房机壳上感应出很高的静电感应电压和电磁感应电压 ， 维护人员就碰触全金属结构的集装箱式基站金属外壳时 ， 电压就当然很高而不敢接近了 。
由此可见 ， 若不按照相关规范和要求去做 ， 即使把通信设备安装到全金属结构的集装箱式机房内也会遭受严重的雷击故障 ， 可见防雷措施的施工质量何等重要 。
3.3 电力电缆违规架空引入
根据规范的相关要求 ， 进入通信机房和基站的电力电缆要改为进局电力电缆 ， 然而有些通信局站还是架空电力电缆引入 ， 造成基站雷击的安全隐患 ， 表 2 是某省移动公司在一年中被雷击基站的电力电缆的布放方式比较 。
文章图片
由此可见 ， 基站的绝大部分雷电基本都是由架空电力电缆所引入 。 由于当电缆在进入机房之前埋地的话 ， 电缆的金属护层是接地的 ， 它有非常好的屏蔽作用；另外电缆的金属护层还可以在缆芯线上感应出与雷电流方向相反的感应纵电动势 ， 大大抵消了电缆芯线上的雷电流 ， 这是直埋电缆雷害少的根本原因 ， 也是要求金属护层接地本质所在 。
3.4 基站防直击雷与设备接地地线间距过短问题
基站铁塔遭直击雷概率高 ， 为防止直击雷入地后反击到设备上 ， 基站设备接地系统的地线入地点与直击雷地线入地点必须要保持一定间距 ， 一般要求建议保持至少 3~5 m 间距以上 。 据某省移动公司在一年当中对遭雷击的移动基站统计 ， 有很大比例站点（60% 以上）未满足这个要求 。 若这二种地线之间的间距太小时 ， 就会有直击雷入地的雷电流就会反击到基站直流电源的正极和设备外壳上面 ， 从而击害通信设备和对人身造成伤害 。 在以往我们查勘遭受雷击的局站内 ， 有的甚至将室内工作地和电源避雷器 SPD 的地线共点连接 ， 危险性更大 。
3.5 施工质量和工艺问题
施工质量和施工工艺不合格也是造成雷击通信设备的很重要的原因 。 某通信基站被雷电严重烧毁所有的电源模块 ， 经我们现场自己检查 ， 发现由于施工单位在施工时 ， 将连接电源避雷器零线末端的塑料层剥离得不够长 ， 用螺丝固定连接时 ， 螺丝没有直接接触到连线的金属铜芯线上 ， 而是压接在连接导线的塑料层上面 ， 将塑料外护层压了个深深的螺丝头印 。 这虽然看起来是很小很小的一个问题 ， 但实际上所造成的防雷效果是比不安装电源避雷器 SPD要严重许多倍！因为即使不安装电源避雷器 SPD ， 电源的相线、零线和地线彼此之间的所感应的雷电压差还不是很大 ， 但若像此案例 ， 等于相线下地了 ， 而零线却浮空了 ， 这之间产生的雷电压就是原来的数倍、数百倍！所以这样安装的电源 SPD 不但起不到防雷作用 ， 反而是数倍增加了雷击通信电源的概率 。
4结语
我国是雷电活动比较多的国家和地区 ， 每年都会有大量通信网络设备遭受雷击破坏 ， 尤其近年来 ， 我们大力建设的 IDC 数据机房和基站数量不断增加 ， 对我国通信所造成的危害和损失日益严重 。 教训也是深刻的 ， 我们每年那么多的雷击故障 ， 其实都是可以避免 ， 至少可以大幅度地减少 ， 甚至完全可以避免的 ， 其根本的原因就是在于在施工建设过程当中 ， 没有严格按照规范去设计和施工所造成的 。
为此建议我们通信企业在通信工程建设过程中 ， 在工程设计、施工和监理过程中 ， 一定要严格把关 ， 严格相关的国标、行标来施工和建设 ， 同时在工程验收过程中 ， 也要严格把关 ， 不放过每一个节点 ， 尤其是隐蔽工程 ， 更应该在施工期间就把好关 ， 确保施工质量 ， 可以达到事半功倍的效果 ， 否则就可能留下雷击故障的隐患 。
本文收录在《中国防雷技术选编》
参考文献
1 YDT 1821-2018《通信中心机房环境条件要求》
2 GB 50057-94（2000 版）《建筑物防雷设计规范》
3 GBT 2887-2011《计算机场地通用规范》
4 YD 5068-1998《移动通信基站防雷与接地设计规范》
【引线|施工不规范才是造成雷击通信设备的根本原因】5 GB_50689-2011《通信局站防雷与接地工程设计规范》
6 GBT 21431-2015《建筑物防雷装置检测技术规范》
7 YDT 1821-2018《通信局( 站) 机房环境条件要求与检测方法》
8 GB 50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》
9 YDT 983-2018《通信电源设备电磁兼容性要求及测量方法》
10 中国电信（2014）390 号《通信机楼供电系统配置标准（暂行）》
11 GB/T 50378 － 2019《绿色建筑评价标准》
12 中国电信集团公司 ， 2019 ， 《中国电信通信网络维护规程——电源与机房环境基础设施分册》—Q/DXWHGC-F05-F2019
13 中国电信集团公司 ， 2019 ， 《中国电信通信网络维护规程——机房管理分册》—Q/DXWHGC-F05-F2019
14 《数据中心供配电系统技术白皮书》中国工程建设标准化协会信息通信专业委员会数据中心工作组 2011.8
15 YD/T799-2010《铅酸蓄电池使用环境要求》
16 YD/T2344.1-2011《磷酸铁锂蓄电池使用环境要求》
17 YD/T2344.2-2015《磷酸铁锂蓄电池使用环境要求》
18 YD/T2657-2013《高温铅酸蓄电池使用环境要求》
19 GBT 50174-2008-I《电子信息系统机房设计规范——环境条件要求》
20 YD 1712-2007《中小型电信机房环境要求》
21 YDT 1051—2016《通信局 ( 站 ) 电源系统总技术要求》
22 3G 防雷安全检测的思考 李冬根 2008 年 8 月
23 《通信系统防雷接地技术》2008 年人民邮电出版社出版图书 ， 作者赖世能 ， 慕家骁 。
文章图片
文章图片
文章图片
文章图片
文章图片
本文发表在《广东通信技术》2020.5
本网站所发布、转载的文章 ， 其版权均归原作者所有 。
推荐阅读
- 功能|小米 Watch S1图赏：商务气质新系列，稳步入场不急切
- 年轻人|人生缺少的不是运气，而是少了这些高质量订阅号
- 年轻人|呼叫全城玩家，魔都首发「表情包地铁」启程，2022蓝不倒！
- 最新消息|中围石油回应被看成中国石油：手续合法 我们看不错
- 研究院|传统行业搭上数字化快车，施工现场变“智造工厂”
- Apple|法官称苹果零售店搜包和解协议虽不完美，但可继续进行
- Insight|太卷了！太不容易了！
- 视点·观察|科技行业都在谈论“元宇宙”，可是它还不存在
- the|美国人的“圣诞热情” 连奥密克戎也挡不住
- IT|宝马电动转型成果初显：i4、iX供不应求 新能源车销量已破百万