石化专网通信设备防雷技术应用分析

2022-09-22

雷电灾害一直是通讯电子设备正常运行的一个外界自然杀手。特别是在空旷地域建设的一些通讯基站和通讯站, 周围没有其他的引雷建筑和载体, 这些耸立在空旷地域的通讯基站和通讯站, 就随着从室外进入室内的线缆把雷电引入到室内通信设备上。如果不做好相应的防雷措施进行疏导和屏蔽, 就会造成大量的通信设备因雷击而损坏。中石化输油管道通讯系统也面临着相同的问题。

1 引起通信设备被雷击的原因

通过笔者在实际工作中掌握的情况来看, 石化系统通信设备遭到频繁雷电损坏的设备有两种:一是有较多外线终端接入的接入设备, 二是开关电源设备。引起雷击的主要原因如图1。

2 防雷常用方法

一般来说, 建筑物的避免雷击的方法大致有四种: (1) 疏导, 即将雷云中的电荷疏导至大地, 从而避免直接雷击或感应雷击电流流经被保护的建筑物或设备, 从而使这些建筑物或设备免受雷击。 (2) 隔离, 即将雷电信号和被保护物隔离开来从而避免雷击。 (3) 等位, 即将铁塔地、工作地、建筑物的公共地等置于同一电位。 (4) 消散, 即释放出异性电荷和雷云中的电荷进行中和, 从而阻止雷电的形成。

3 防雷技术应用分析

根据以上的四种避雷方法, 结合上述石化输油通信系统两种类型的设备引起雷击的原因, 笔者总结在石化输油通信系统中的防雷技术应用应主要从以下几个方面进行。

(1) 通信站的接地电阻必须达标。接地电阻值要在标准范围内, 一般地区小于5Ω, 高土壤电阻率地区小于10Ω, 每年雨季节前应进行一次接地电阻测量。接地电阻越小, 过电压值越低, 耐雷水平越高。接地电阻大则耐雷水平低, 容易遭受雷击, 损坏通信设备。如果发现接地电阻高, 超过标准, 则应认真分析研究其原因, 确实是电阻值高, 应该研究采取降低接地电阻的措施。特别是山上通信站接地电阻超标太多的, 一定要请专门研究单位来协助研究提出改善防雷措施, 降低接地电阻。

(2) 通信机房应采用法拉第笼式接地系统。在建设大楼的时候就应应规划好接地问题, 通信机房所在楼的接地引下线可利用建筑物主体钢筋, 钢筋本身上、下连接点应采用搭焊接, 且其上端应与房顶避雷装置、下端应与接地网、中间应与各层均压网或环形接地母线焊接成电气上连通的法拉第笼式接地系统。部分通信系统在新建时, 通信人员没有直接参与大楼及机房建设的设计工作, 无从提出防雷接地系统笼式结构的要求, 亦未参加机房隐蔽工程的检查验收, 后期发现问题只好在机房内补做, 但对于大楼本身的接地问题则很难补救。

(3) 设备的金属外壳、金属框架以及各种电缆的金属外皮等的接地螺栓应使用含银环氧树脂导电胶粘合。大部分单位的机房里都没有这样做, 原因是对这一措施的必要性持怀疑态度。如接地系统做得很好, 但设备外壳、金属框等没有很好与接地系统连接, 接触不好, 当过电压引进时, 设备不处于绝对零电位的保护下, 就有可能把设备击坏。因此一定要保证设备的良好接地, 用螺栓接地的一定要用含银环氧树脂粘合。

(4) 为了减少外界雷电电磁干扰, 除机房采用法拉第笼屏蔽措施外, 室外电力电缆、通信电缆、塔灯电缆以及其他电缆进入通信机房前一定要采取如下屏蔽措施: (1) 架空电线由终端杆引下后应改用屏蔽电缆, 进入室内前应水平直埋l0m以上, 埋地深度应大于0.6m, 屏蔽层两端应接地;如非屏蔽电缆则应穿镀锌铁管, 并平行直埋10m以上, 铁管两端接地。 (2) 室外通信电缆应采用屏蔽电缆, 屏蔽层两端接地, 电缆进入室内前应水平直埋10m以上。 (3) 机房内的电力电缆 (线) 、通信电缆 (线) 宜采用屏蔽电缆, 或敷设在金属管内。这些措施对防止干扰是十分必要的, 过去没有采取这些措施的, 应有计划的逐步改进, 有的非屏蔽电缆, 也有采取两个半面的铁管或金属管合起来作为电缆屏蔽层, 这是对已运行中的非屏蔽电缆采取变通办法。

(5) 引入机房的电缆空线对接地问题。为了防止引入的雷电在开路的导线末端产生反击, 损坏设备。规程要求在配线架上电缆空线对都要在配线架上接地。空线对接地防止过电压反击是有根据的, 应该执行。方法很简单, 将空线对线端连接在一起, 由一根导线与配线架的接地体连接就可以了。

(6) 室外通讯器材遭雷击后过压侵入室内通信设备的防护。

(1) 过压侵入分以下几种: (1) 通信机房外接的音频电缆遭雷击, 通过音频电缆过电压入侵损坏通信设备。 (2) 室外交流电源线遭雷击, 过电压入侵电源室, 通过电源室进一步侵入通信设备。 (3) 在避雷针、音频电缆、交流电源线遭雷击后, 一般要经过防雷装置向地泄放电流, 从而会在周围形成强大的磁场, 这一磁场会感应出过电压侵入并损坏通信设备。

信息产业部邮电设计院 (现中讯邮电咨询设计院) 曾对全国十几个省市通信局 (站) 遭雷击情况进行过调查统计, 发现雷击造成通信设备损坏事故的85%左右是因雷电过电压侵入通讯基站供电系统而引起的。作为通信系统的“心脏”, 通信站供电系统的损坏将对其他通信设备的正常运行构成威胁, 若得不到及时有效的维护, 很容易引发通信中断等不可接受的二次事故。

(2) 解诀方案。要解决室外通讯器材遭雷击后过压侵入室内通信设备的问题, 就应在适当的位置安装适当的防雷器件, 主要产品安装部位和说明如下。

(1) 电源浪涌保护器:电源一级浪涌保护器:安装于电源进线总配电箱处 (进线处直接安装稳压电源的要装在稳压电源前端) , 并联于线路中, 并以最短路径接线, 原则上连接线总长应<1米。连接导线使用符合各国家及行业标准的线材。当配电设备及接地汇集排的安装位置不合理导致不能保证浪涌保护器的连接线长度<1米时, 可以采用凯文接线法来弥补。电源一级防雷可选型号:HDI-80X3B或H D I-8 0 X 3 Z等。

电源二级浪涌保护器:安装于设备分配电箱或开关电源前端进线处, 并联于线路中, 用符合标准要求的导线以最短接线方式连接, 接地线可就近连接于开关电源柜的接地排。在与前级浪涌保护器配合使用过程中, 应注意与前级浪涌保护器间的线路长度应不小于10m, 若不能满足此要求时, 应在两级浪涌保护器间的线路中增加去耦装置以弥补因线路长度不足带来的能量配合不合理的问题。电源二级可选型号:HDII-40X3B或HDII-40X3Z。

一体化防护终端:针对部分独立基站或通信机房, 可选HDI-80X3BH、HDI-80X2BH, 多级集成电源浪涌防护, 替代传统多级配合浪涌防护模式。

直流电源浪涌保护器:安装于开关电源直流输出侧母排处, 采用并联安装方式。当机房采用负极性电源供电的设备时, 应将浪涌保护器的接地线与电源接地的正极连接到同一接地汇集排。根据供电电压的不同等级, 可选型号有:HDZ48-20M2/DC12/DC24/DC48。

(2) 信号线保护器:目前大多通讯机房的信号部分传输都是采用光缆, 具有传输距离长、信号损耗小、一条光缆可同时传输多路信号等优点。由于光缆本身为非金属线缆, 并不会传导电流, 所以不需要对光缆进行特别的防护处理。仅需在其进入机房的光分线盒处将内部金属加强芯及金属的防潮层做接地处理即可。

机房内由光电转换器 (俗称光端机) 半光信号转换为电信号, 通过同轴电缆与机房内通信的收、发信机连接, 此电缆在雷击环境中有可能感应出过电压, 而通讯接口的工作电压很低 (只有几伏) , 耐过电压能力较差, 所以应在光端机与通信设备间的通讯电缆处安装同轴线缆浪涌保护器, 保护收、发信设备。可选型号:H X B N C-X 1 2。

(3) 避雷针:避雷针安装于机房最高处或通信铁塔的顶端, 起到接闪的作用, 将雷电发生时的雷电流引导到自身, 并通过与大地中接地装置连接的引下线将雷电大部分能量泄放入地。

避雷针的工作原理是:将一根顶部为尖形的金属棒架设在高处利用尖端放电的原理向雷云发出先导电流, 使可能击中其他目标的雷电先击中自己并将能量泄放。由于现代社会大量电子产品的应用, 尤其是通讯领域中微电子产品的不断升级换代, 工作电压不断降低, 其耐过电压的能力也随之下降。这样, 当避雷针接闪后泄放电流瞬间所产生的强大电磁场就会在与设备连接的各种线路上感应出很高的过电压, 威胁设备的安全。根据电磁感应原理分析, 解决的办法一是抑制沿引下线通过的电流幅值, 一是改变接闪后雷电流的波形使之波形坡度减缓, 从而减小电磁感应的强度。避雷针可选型号:HBZ-D2500、HBZ-Q2500。

(4) 接地单元:常规的接地方法是在建筑或构筑物下方或周围地下埋设由水平及垂直接地体组成的接地装置, 接地体一般采用非金属接地模块或角钢。接地单元型号:HFJS-3。