市话接入网站的防雷与接地

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1接入网设备遭受雷击事故损坏情况
   近年来通信局（站）的雷击事故有不断上升的趋势，原来很少雷击的省份，每年雷雨季节通信局（站）也不时的有雷击损坏通信设备的发生。这主要是精密、高度集成化的通信设备和其控制电路，对雷电的敏感度反映越来越强，而其耐受雷电感应的能力越来越差的缘故所致。另外还有一个重要原因，随着通信事业的进一步发展，从城市到乡村通信业务的开拓，站址的各类环境因素越来越差。从接入网站雷击事故的分析可以得出一个结论：雷击造成接入网设备的损坏，多是由感应雷引起的雷电流致使站内电力线、电源设备，以及与外界有线缆联系的信号电路及接口设备损坏。
1） 山东电信某局在一个地区多个接入网站，2001年8月，其中3个接入网站分别遭受雷击，电源模块全部被击坏，3个站都是利用乡镇的农民平房作为机房，房间附近没有高大建筑物，MDF架和接入网设备在一个小房间内，供电直接采用房内电源，电源入线端采用单相B级雷电过电压保护器(SPD)，接入网机架内的开关电源模块配有通流能力为8/20μS波形3kA的SDP全部被击坏（该问题河南、江苏电信公司的接入网站也经常发生）。
2） 深圳电信公司的接入网站分布在市内和城乡的各居民小区，接入网选用不同的厂家的设备，其中利用城市小区建筑物内的房间作为机房（一般是用地下室和一层房间），环境条件还是比较好的，虽然有的站点安装了B级SPD，开关电源输入端采用通流容量为40kA的SPD，但电源模块和接入网用户单元接口还是遭受雷击 。
   另外接入网设备遭受雷击时经常系统不能工作（软件出现问题，系统吊死），（该问题浙江电信公司的接入网站也经常发生）。
3） 福建电信公司某局使用了大量的接入网设备，其部分接入网站接入网设备和移动通信基站设备共用机房，移动通信基站的机房建立在铁塔四角之下，一般机房供电都有专用变压器（除了单一接入网设备的机房），接地采用铁塔的环行接地体，变压器低压侧无SPD，380V低压电缆引入机房后，在总配电箱入口处，个别站安装了50kA的SDP箱，开关电源内安装了通流容量40kA的SPD，接入网自安装之日就频繁这是雷击，雷击损坏严重时，机架上的所有机框内的电路无一幸免，每年设备损失严重。
    2000年7月16日在泉州惠安、永春对安装 接入网设备的尾山、紫山、风浦、南星、长安五个站进行了雷害事故调查，其中尾山、紫山、风浦、长安站属于AN接入网设备与移动通信基站合用的站，而南星仅有AN接入网设备。从调查情况看：AN接入网设备所在的局（站），其防雷系统对于移动通信基站一般可以起到不完善的保护，但对于有出入局（站）的有线设备讲，原有的保护措施远远满足不了接入网设备的保护。移动通信基站和农村民用建筑作为AN接入网系统的站址来讲，环境太差，这主要是投资理念、服务对象、环境因素、人为因素所造成。
   例如：2000年7月16日福建尾山站，上午刚刚勘测了改造方案，下午5时该站遭受雷击，雷击损坏机架内主总线板（MBAM）1块、子总线板（EBAM）两块、系统主控板（SCM）2块、E1 板1块、用户（FXS）板48块（其中14块各别端口损坏，34块端口指示灯长亮或不停闪烁）、MCU、直流分配板（PDP）3个熔丝烧短、传输单元（OMUX） 。
    同一天晚上，福建南安有3个站遭受雷击，其中2个站吊死，经断电后重新启动后恢复；另一个站雷击损坏SCM 板1块，FXS板5块。
   另外同一个地区的紫山、南星站的雷击事故，主要是由于雷电侵入配电系统造成电源设备或者雷电过电压保护器（SPD）损坏，其中紫山总配电箱处第一级50kA的SPD箱和开关电源内安装的40kA的SPD都有一相被击坏；南星站（站址利用小学教室，没有和移动通信基站共站）的电源模块被击坏。
2 移动通信基站与接入网合建机房接地概述

3  典型接入网站的供电方式及SPD的安装要求
供电方式不同，SPD的安装方式要求也不同，对于通信局（站）的供电方式，信息产业部标准《通信局（站）电源系统总技术要求》规定了“县以上城市各种通信局（站）宜采用10kV高压市电引入，并采用专用降压变压器供电”的条款，这就规定了通信局（站）的配电方式采用TN系统；但又规定了“当通信局（站）引入高压电有困难或投资较大时可采用220/380V低压市电引入”，即通信局（站）的配电方式也可采用TT系统融通方式。
1） TT系统
   接入网和模块局供电方式一般是TT系统，而且县支局和接入网站电力负荷要求非常小，一般站的电力负荷电流仅30A以下，这样小的负荷量，模块局和接入网站选择了220/380V低压市电引入的供电方式。TT系统第一个字母T也表明系统接地是直接接大地，其第二个字母T表明用电设备外壳的保护接地是经PE线接单独的接地板直接接大地，它与电源中的N线线路和系统接地毫无关连。
2）．TT系统对安装SPD的要求
   IEC 60364－5－534标准推荐TT系统SPD使用3+1的安装方式。TT系统除电源中性点外，N线自始至终都是与地绝缘的，因此N线上也需装设间隙型SPD，即三相四线TT系统内需装设3个由MOV组成的限压型SPD和一个间隙型，这就是通常称之为3+1的安装模式（单相两线TT系统内需装一个由MOV组成的限压型SPD和一个间隙型SPD）。另外该3+1的模式不但能满足TT供电方式的需要，也同时能满足TN系统的需要。
4接入网配电系统的雷电过电压保护要求
对于每一个通信局（站）采用统一的防雷措施既不经济、又不合适，另外还有一个重要的原则，通信局（站）的雷电过电压保护设计必须是建立在联合接地基础上。因此接入网站的防雷与雷电保护，并非是简单的接地或者单一的雷电过电压保护器件应用，而是根据接入网所在地区、地理环境、建筑物的形式、供电方式、雷暴强度及雷暴日的大小、来确定接入网站的雷电保护措施和方法。
   低压电力电缆引入机房入口处（在交流稳压器或交流配电屏前），TN系统相线及中性线应分别对地加装限压型SPD，TT系统相线对中性线加装限压型SPD、中性线对地加装间隙型SPD，由于接入网站供电方式大都采用TT系统，因此SPD的安装方式应采用3+1方式（3+1方式既符合TT系统的要求，又能满足TN系统的需要）。
——建在乡镇和农村，地处多雷区以上，与移动通信基站共用机房的接入网站，在电力室入口处的总配电箱应安装冲击通流容量标不小于100kA的3+1限压型SPD；由于在该地区电力供电电压波动较大，SPD的最大持续工作电压应采用385V，接入网设备的直流输入端应加装 –48V SPD。
——建在县城和郊区，仅为接入网站时，在机房入口的总配电箱处，地处中雷区的接入网站应安装于冲击通流容量不小于60kA的3+1限压型SPD；地处多雷区、强雷区的接入网站应安装冲击通流容量不小于80kA的限压型SPD，并且接入网设备的直流输入端应加装 –48V SPD。
——SPD的冲击通流容量
   上述要求中提到的SPD冲击通流容量要求是（kA）/每线的指标。例如冲击通流容量不小于80kA的限压型SPD ，表示为80kA/每线的指标，但一些厂商以小充大、以劣充优来代替大通流容量的SPD，或者玩弄文字游戏，在说明书中，提供的冲击通流容量指标是整个SPD几相之和的80kA或80kA/每相的虚拟量，达不到通流能力SPD安装在现场是不可能起不到应有的保护作用，反而当雷电流大于虚拟冲击通流容量时，不但造成通信设备损坏，而且SPD自身也难保安全，所以在SPD招标选型时，要以信息产业部检测的报告为依据，切不要盲目相信厂家的说明书中的指标。
——SPD回路中串接保险丝
   由于接入网站所处的乡镇、农村地区电力供电电压波动较大，此时应在SPD回路中串接保险丝，目的主要是防止SPD因各类因素损坏或由于暂态过电压使SPD燃烧，国内外接入网发生过多次此类事故，影响接入网供电线路的正常工作。 IEC60364-5-534《过电压保护装置》对此有专门论述，以往的规范忽视了在SPD并联回路中串接保险丝，从而给接入网的正常供电带来了隐患。
——多级SPD两级之间的隔距要求
按照信息产业部YD/T5098-2001《通信局站雷电过电压保护工程设计规范》的要求，两级SPD的隔距应根据两级SPD的类型，SPD对雷电动作响映时间的快慢，连接线缆的材料及粗细来确定.使用什么类型的SPD，应根据具体的通信局站来确定。由于接入网站机房的面积非常小，为了确保安装在总配电箱处的B级SPD和安装在开关电源机架内的SPD模块在雷击时能够起到保护作用，在器件选择时应采用对雷电动作响映时间快，由MOV器件组成的SPD。当两级都为MOV时，连接两者之间配电缆线的隔距应大于5米（如果第一级SDP采用间隙型，第二级SPD采用MOV，两级之间的隔距应大于10~15米，由于间隙型残压极高，动作时间较慢，因此在接入网站和移动通信基站房间较小时，间隙型SPD不易使用）。
5 信号线、数据线的雷电过电压保护
从接入网信号系统雷电损坏的故障情况可以看出，对于有出入局（站）的信号系统和传输机架与接入网设备，仅有的保护措施远远满足不了接入网设备的保护。雷击损坏机架内主总线板、子总线板、系统主控板、E1 板、用户板、传输单元。因此在接入网防雷改造的问题上，对MDF架和DDF架2Mb/S接口的保护就特别重要了。
1） MDF的保护问题
对于市话局（站），根据ITU-T K11建议《过电压和过电流防护的原则》和电磁兼容的基本原理，配线架与程控交换机用户板过电压和过电流防护的关系，应是相辅相成的，作为出入通信局站的市话电缆，是雷电过电压和用户线与电力线碰线引入的过电流的主要诱因。由于，配线架与程控交换机用户板都具备抗击雷电过电压和过电流的能力，作为第一级配线架的保安单元与第二级程控交换机用户板的保护电路之间有一个协调的关系，第一级用于一次保护的元件与第二级用于二次保护的元件作用是不同的，作为雷电过电压和工频过电流防护的原则：，第一级的保护元件要承受雷电过电压和工频过电流的主要能量，而第二级保护元件侧承受经过第一级保护后剩余的能量。
对于接入网讲，与MDF连接的市话电缆是雷电的第一渠道，由于MDF机架是保护接入网设备的第一级屏障，用户板是第二级保护，由于接入网机房的面积较小，两级保护器件对雷电的动作时间相差较大时，如果两级保护不能有效的配合，雷电可能在MDF架保安单元没有动作时，已经进入接入网设备的用户板，致使用户板的损坏，正因如此接入网MDF架保安单元的器件选择就是至关重要了。一般保安单元采用的是陶瓷放电管，随着技术的进步，出现了纳秒级的保护器件固体放电管，因此选择什么类型的器件能满足其保护需要，从接入网站防雷的角度出发，应考虑采用半导体放电管组成的保安单元，下面我们进行分析。  
半导体放电管有以下主要技术特征：
--- 对浪涌电压的响应速度非常快，与原有的保护单元相比，对陡峭的雷击电压可以充分抑制,这样使原来的保护单元多级保护设计变的简单,而且更加小型化；
---利用半导体内部的电子和空穴的原理进行工作，不存在劣化问题，使保养简单，使用寿命增加，无须进行历年的经常性保安单元放电管的检测工作；
---用硅PN结的工作原理，设计的半导体放电管，其双向、单向、开关动作均能自由的精确的设计出来，一致性较好；
---半导体放电管既适用于普通电话的300～3400Hz模拟传输，也适用于ISDN的2B+D的数字传输，采用高性能的SAD可将传输速率提高到2Mb以上；
---半导体放电管的失效模式是接地保护，其对雷电的反映高达1nS（可以和第二级同时甚至更快的对设备保护，将雷电流泻放入地）。
   由于其优越的特点，在接入网选择半导体放电管作为MDF保安单元的器件是当之无愧的。
2）DDF架2Mb/S接口的保护
   对接入网站传输设备2Mb/S接口和接入网E1 接口的保护，是接入网站安全运行的确切保障。在传输设备和接入网设备2Mb/S接口安装保护器是必须的。    
6 接入网机房与设备的接地
6.1 接地网的改造
1）为了确保就近接地的原则，使雷电流通过接地体迅速入地，接入网地网的改造可以根据不同的站型进行。当接入网站与移动通信基站共站时，机房的接地系统应采用环形接地网的方式，环形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（接地引入点需改造的情况，总汇流排接地引入点切记不能从塔脚引入）。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）。
环形接地网的形式也可以用在单一的接入网站，当接入网站内部的设备如MDF架和接入网机架相距较远时，此时MDF机架就近与环形接地网连接，那么通过用户线进入站内MDF架上的保安单元的雷电流就可以迅速入地。
2）利用农村民用建筑物作为机房，实施接地改造时应根据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，根据房间的走向、环境条件，做一组接地体，使用40X4热度锌扁钢或截面积大于50mm2  多股铜线分别与机房总配电箱处和机架处的接地排连接。所有焊点用沥青做防腐处理。
3）在居民小区的接入网站，利用城市小区建筑物内地下室和一层的房间作为机房，为了保险起见，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（如上水管、消防水管等），并与楼内预留的接地端作为接地体，可能的情况下，敲开几根柱子内的钢筋与预留的接地端相互连在一起作为接入网站的接地。
6.2  出入缆线金属外护层的接地处理
   由于进入接入网站的用户电缆的金属护套电缆应接地，出入局（站）的光缆应将缆内的金属构件，在终端处接地。MDF架的接地线应采用大于35mm2的多股铜线直接引至总接地排或者就近接至室外的环形接地体上，
6.3  MDF架的接地
   MDF就近接地目的在于使第一级保安单元能确保雷电流通过时，雷电的主要的能量在此处入地，使接入网机架用户接口的第二级保护使剩余的雷电流入地、残压进一步的降低，以保护接入网设备免受雷击。因此MDF的接地非常重要，在接入网站MDF应直接用35mm2    以上的多股铜线连接到总接地排或者就近接在机房外的环形接地体上。有雷击事故发生的局站可以看到MDF接地的一个共同问题，一是将MDF的接地排直接当做总接地排用；另外MDF的接地线一般仅采用16mm2的多股铜线，其导线自身的感抗对雷电的尽快入地也是非常不利的。
6.4 SPD的接地
   SPD就近接地，使得雷电流主要的能量迅速入地，安装在配电线路的入口端SPD，由于总接地排往往都远离入口端，将SPD的接地线通过2~6m的长度接至总接地排，其接地线之长，致使残压过大，此时SPD对设备不可能起到任何作用，何况多数情况下为了施工方便，接地线一般仅采用16mm2的多股铜线，其导线自身的感抗也足以使SPD残压加大到不能容忍的状况。
   和接入网共站的移动通信设备接地排和接地线，一般都是在走线架上方固定，那么对于开关电源用的SPD的安装位置，自然是选择设计位置在开关电源上方的产品是最佳方案，在处理福建泉州接入网设备与移动通信基站共址时，发现开关电源内SPD安装在机柜的下方的，需要通过2m的接地线才能引上走线架，然后再接入接地排，此时选用设计位置在开关电源下方的SPD，对于防雷设计来讲是一个败笔和错误，因为对于SPD的接地线长1m，其残压值就高达1000V，残压如此之高，自然不能保护后面的接入网设备。当然在通信大楼，地沟中有接地排时，SPD安装在开关电源下方的方式是优选的。因此开关电源选型时，应根据局站的情况，选择不同安装SPD位置的设备。
结论
（1） 从接入网的雷击概率而言，雷击事故的95%以上都是由电源线、信号线引入，因此在通信局（站）联合接地的基础上，接入网的雷电过电压保护就更为重要。
（2）与移动通信基站共址的接入网站，雷击概率远大于单一接入网站的雷击概率，这主要是由于移动通信基站铁塔易将雷电引入，而该在的防雷接地又不完善的缘故所致，由此看铁塔的设立改变了站址所在的地理环境因素。
（3）接入网基本上采用的都是TT系统，鉴于TN 、TT系统的接地方式不同，因此SPD的安装方式和作用也是不同的，错误的安装方式轻者将导致SPD的损坏，重者将致使通信设备烧毁