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        國家部隊通信設備防雷措施與案例

        一、部隊通信設備防雷概況

        信息時代,為全面提升通信系統綜合服務能力,發揮其高效信息傳輸、跨時空共享、數字化管理、實時監控等現代化服務職能,許多部隊均依托三級網絡與通信系統對各類分散、小規模、距離較遠的單位實施遠程的實時查勤管理,然而由于一些區域處理雷電多發地域,領整體通信系統面臨嚴重的雷電災害威脅。

        為有效防止各類終端通信設備遭受雷擊災害的大面積不良損害,一些基層中隊僅能在雷電暴雨天氣將通信設備關閉從而令其得到暫時保護,然而這樣機械式的處理方法令整體專網專線系統無法實施持續的通信服務,給目標執勤造成了不良安全隱患。為了有效解決該類不合理狀況,廣州銀訊公司針對部隊通信設備深入探討,制定有效的防雷措施。

        二、部隊通信設備防雷必要性

        常見的雷電災害形式主要有直擊雷、感應雷與雷電波入侵三類。

        直擊雷產生的雷電流可直接進入導線或金屬導管中,并沿路傳送至較遠距離的地方,產生一種較為強大的沖擊波并附帶反射力量,其破壞程度大大超越了集成電路或半導體等電子器件符合能力,可與沖擊波形成疊加并產生駐波,進而構成一種大強度級別的破壞力。

        感應雷屬于一種二次破壞,其雷電流會產生較大的變化梯度,形成強大交變磁場,令周圍金屬構件形成感應電流,并向外放電,從而引起可燃物的燃燒、爆炸等災害,作用在聯機導線則可對系統電子設備產生較大范圍的破壞影響。

        基于雷電具有的針對金屬管道或架空線路的作用,產生的雷電波會沿著該類導線入侵至建筑內部,令人身安全或重要設備受到不良威脅,這種現象便稱為雷電波入侵。

        當前各類現代化的通信系統中包含的天饋線、供電系統、信號線路均有可能引發雷電波入侵,對各類通信設備造成不良損害。由此可見雷電災害成為信息化時代通信系統的一大公害,感應雷擊、雷電波、電源尖波均會瞬間產生過電壓并嚴重破壞部隊通信電子設備,因此我們只有采取行之有效的應對策略才能將該類損害降到最低。

        三、部隊通信設備有效防雷措施

        1) 科學安裝避雷裝置,切實提升通信設備防雷性能。為部隊通信設備科學安裝避雷裝置,是行之有效的提升設備防雷性能措施,主要的操作方式為安裝避雷針、放射性避雷設備與天饋避雷器等。

        避雷針方式是最為簡單與經濟的防雷措施,只要我們嚴格遵循安裝相關要求,便可有效發揮其良好的防雷性能。

        首先避雷針的安裝位置應高于天線尖端一定距離,一般通信天線應安裝于避雷針外緣1.5倍波長之外。

        同時避雷地線直流通路電阻應保持足夠低水平,適宜在十至五十歐姆范圍內。地線不應采用絞合線或扁平編織線,這是由于該類線具有較大的電感,不適宜對雷擊電流進行泄放,并且較易產生腐蝕現象。因此我們應科學采用三毫米之上的實心、且相同類別金屬材料的導線。

        對于一些重要通信服務工程,雖然在通信塔中安裝避雷針裝置操作簡便且經濟性較高,然而卻無法實現萬無一失的防雷保護。

        因此我們可針對系統不同服務功能需求合理安裝放射性防護、避雷裝置,該系統包含的特制同軸雙屏蔽電纜,可有效避免雷電流在引下線通過時產生的二次雷擊效應應及其引發的不良損害,發揮主動的引雷與消雷雙重保護作用。同時其具有使用服務壽命長效的優勢,避雷防護范圍較廣且效率較高,當然該類裝置的投入建設費用相比避雷針方式會有所提升。

        因此我們應依據部隊各類通信設備的不同防雷需求、服務重要性進行防雷裝置的科學選擇。

        2) 合理采用供電三級防護措施,消除地電位反擊。對于部隊通信設備交流供電系統,我們應科學采用五線三相供電方式,同時在防護電源中應用三級防護措施。

        第一級:總電源裝設避雷器于市電引入端;第二級:分電源裝設避雷器于配電柜;第三級:單臺通信設備裝設電源避雷器于開關電源中。

        倘若部隊位于多發雷電災害區,我們可加裝直流電源避雷裝置以提升防護避雷效果。為了合理消除地電位反擊,我們可在部隊通信系統工程中遵循等電位、均壓原理,將保護地、工作地與防雷地合理構建為聯合統一的接地網,并有效避免近距離內出現兩個地網系統的不良狀況。

        3) 有效安裝信號接口避雷器、實施對部隊其他通信設備的接地防雷保護。為提升防雷性能,我們應在部隊各類通信設備網絡接口、信號接口位置安裝信號避雷裝置。

        對于部隊機房設備間內長度較大的各類信號線,也應在其接口處合理安裝必要的信號避雷器。采用的設備型號、應依據其阻抗性能、傳輸速度、接口特征進行合理選擇。系統信號線應在地下實現無線通信基站的進出,并作必要的空線、避雷器保護地處理。對于部隊通信基站建筑我們應采用完善的直擊雷防護措施,有效抑制不良二次感應雷。對于機房頂部裝設的各類金屬設備也應分別就近連通于屋頂避雷裝置中,達到有效的防雷保護目標。

        同時對機房內部的吊線鐵架、內走線架、機殼、機架、金屬材質門窗、通風管道等我們均應作合理的保護接地處理。

        四、某通信工程部隊防雷案例

        通信工程部隊通常由于所處位置偏遠,且裝設有大型的信息系統設備,其產生雷擊事故的概率就相應增大,需要應用電磁兼容等原理,根據雷電防護區劃分,對建筑物進行綜合、多級、有效的雷電過電壓保護。同時在雷災害調查過程中還不能忽視電氣等方面的原因對于事故的影響。

        1) 某通信工程部隊辦公樓基本情況概述

        1.1) 周邊環境及該辦公樓概況

        該部隊駐地位于山東半島東部,靠近海灘,周邊空曠多山丘,易遭受雷擊,處于國內累點區域劃分的1區。根據青島地區年平均雷暴日統計為24.21天,屬于多雷區。所屬的辦公大樓為框架結構,高五層,樓內計算機、網絡通信設備等大量精密儀器較多,其耐過電壓,過電流水平低,樓外開闊處是由若干天線組成的天線陣,電磁場環境較為復雜,大量電子設備在雷電電磁脈沖的破壞下極易遭損壞。

        1.2) 辦公大樓供電系統及通信系統的設備構成

        該辦公大樓供電制式采用TN-C-S方式,高壓進線部分為10kv,電源線經由變電所引入,供電線路為V22電纜直埋,埋地長度約為50m,進戶前端穿金屬管。本樓一層配電室進戶低壓配電柜及后級各層主配電箱采用放射式系統配電。通信系統的防雷主要對象有網絡設備,通信設備,自動化設備,相關的電源等附屬設備及其相互傳輸各類信號的線纜。

        1.3) 該建筑物防雷措施現狀

        經現場勘察和圖紙審查,該建筑屋面敷設有20mm的鋼管作為避雷帶,各屋角增設了16mm的金屬小針作為接閃器,利用混凝土柱內鋼筋作為引下線,鋼筋混凝土基礎作為自然接地體,突出屋面的金屬物體(空調機外殼,通風口等)均已做等電位聯結,經實測,接地電阻為0.6Ω。樓內總配電柜裝設Uc=320V,Iimp=15kA的浪涌保護器一臺,各樓層照明配電箱及各末級電源配電箱均裝設Uc=320V,標稱放電電流適配的浪涌保護器。

        2) 雷擊災害分析和綜合結論

        2.1) 雷擊災害淺析

        2006年8月該地區出現強雷暴天氣過程,該部隊供電的10KV配電線路遭受雷擊,致使變電所接戶桿上中間相氧化鋅避雷器爆炸,零克跌落,變壓器缺項運行。辦公樓一、三層兩個主配電箱內的電氣開關元件和浪涌保護器都已完全燒毀,其他樓內的浪涌保護器也有不同程度的損壞。

        分析配電線路設備遭受雷擊的途徑和可能方式有:

        (1)雷電直接擊中高壓電力線路,之后經變壓器耦合到低壓側,入侵到電流配電箱線路。

        (2)架空低壓線路被直擊雷擊中或感應產生雷電過電壓、過電流。據統計,在220/380V電源線上出現的雷電過電壓平均可達1萬伏,會對用電系統造成毀滅性打擊。

        (3)由信息系統傳輸線路入侵。強大的雷電電磁脈沖能在信號線上感應出瞬態過電壓,過電壓波將沿線路傳輸,侵入線路所接的電子儀器和設備。

        (4)建筑物引下線在傳導強大雷電流入地時,在接地體附近形成高電位,在空間中產生強大的電磁場變化,進而在相鄰的電源線或信號線上感應出雷電過電壓。

        (5)因天線鐵塔接閃,在引下線及接地裝置上會形成很高的電壓,對建筑物產生反擊,部分雷電線沿線路入侵樓內機房。

        2.2) 雷擊事故綜合結論

        經現場勘察情況分析,造成該事故的主要原因應為:在強雷暴天氣過程中,雷電擊中送往營院的高壓10KV電力線路,變壓器缺相運行,供電線路電壓異常,雷電過電壓耦合到低壓側,繼而入侵到電流配電線路,配電箱內質量較差的電氣開關元件和防浪涌保護器等,在強大的瞬態過電壓的破壞下燃燒損壞。初步認定此次事故是由雷擊和電氣設備可靠性等方面原因共同造成的。

        此外,雷電流能量較大,雷電流熱效應的破壞作用也較強,對其嚴重程度估計不足。

        在勘察過程中還發現,電源配電箱中浪涌保護器等一些原件,與相線或接地線之間的鏈接導線的截面積不夠,布線太密集,沒有做到規范化、合理化,進入建筑物的電力電纜屏蔽層的接地等一些隱蔽工程亦不完善,這些也是導致此次雷擊事故的不可忽視的原因之一。

        3) 綜合防雷設計思路

        現代意義的防雷工程應看作一個系統的工程,包括從實現外部防雷,即接閃器、引下線和接地裝置,到共用接地體、等電位聯結、屏蔽、安裝浪涌保護器等內部措施,根據雷電電磁脈沖防護標準(IEC61312-1),一個被保護的有電子信息系統的空間,應根據受雷電電磁脈沖危害的嚴重程度進行分區保護。通信設備的工作地、保護地及建筑物的防雷接地共用一個地網。

        4) 具體防雷措施

        4.1) 10KV線路的保護

        按照《移動通信基站防雷與接地設計規范》YD5068-98中要求,當電力變壓器設在站外時,對于年雷暴日大于20天的地區,“高壓10KV的電力線路,宜在上方架設良導體避雷線,其長度不宜小于500m,電力線應在避雷線的25°保護范圍內,避雷錢(除終端桿外)應每桿做一次接地。宜在避雷線終端桿的前一桿上增裝一組避雷器”,盡可能防止10KV電力線路遭受直接雷擊。

        4.2) 低壓供電線路的保護

        低壓供電線路采用電纜埋地敷設的方式,不得將架空線路直接引入大樓,當難以全線路采用電纜時,允許架空線路由站內終端桿引下后,加接一段有金屬鎧裝的屏蔽電纜或護套電纜穿鋼管埋地引入,在入戶端的金屬外皮鋼管等必須良好接地。若采用地埋電力線纜進入通信局(站),“高壓鎧裝電纜應從地下入局,且鎧裝電纜長度應大于200m,鎧裝層兩端應就近接地;低壓地埋電力線纜其長度不宜小于50m?!?/p>

        4.3) 通信大樓的接地系統

        通信基站的接地系統應按照均壓、等電位的原則,將建筑物基礎接地網、鐵塔接地網、變壓器地網等組成聯合共用接地系統。大樓可利用建筑物主體鋼筋,將主筋自身上下連接點焊接,其上端與屋頂避雷裝置、下端與接地網、中間與各層均壓網或環行接地母線,電氣焊接成連通的法拉第籠式接地系統。樓內電纜的金屬外皮、設備金屬外殼、水管等不帶電金屬部分、門窗等建筑物金屬結構應以最短距離與環行接地母線連接。鐵塔的基礎鋼筋可作為其接地裝置,塔上同軸饋線金屬外皮的上端與下端分別就近與鐵塔連接,在大樓入口處再次連接。大樓地網、鐵塔地網和變壓器地網間至少用兩根規格不小于40mm*4mm的鍍鋅扁鋼連接,各地網之間應每隔3~5m相互焊接連通一次。

        4.4) 浪涌保護器

        一層配電室的總配電柜及分配電箱內安裝適配的電源浪涌保護器,由于外部防雷裝置的接閃和雷電電磁脈沖的衰減作用,首次雷擊約有50%的雷電能量入地。IEC61312規定了處于LPZ0A和LPZ0B區之間的第一級浪涌保護器的放電電流應達到1000KA(10/350uS),低壓配電柜中SPD導線應平直,其截面積按照規范要求不應過小,各級導線長度不應超過0.5m,拐角處應成大于90°的圓弧狀。另外,通訊電纜進入機房還宜接入裝有抑制電纜線對橫向、縱向過電壓的SPD限幅裝置,如壓敏電阻器、氣體放電管、熔絲、熱線圈等。對于電子設備較多的場所,應優先采用壓敏電阻器,其反應時間快(≤25ns)、痛流容量低,因此主要能夠抑制線路中暫態過電壓的影響。

        4.5) 規范化配線

        大樓供電設備的正常不帶電金屬部分、浪涌保護器的接地端均應做保護接地,同軸電纜饋線避雷器接地端子應就近引接到室外饋線入口處接地。所有接地線、接地引線、接地匯集線的規格和截面積均應符合規范的相關要求,同時盡量減小浪涌保護器引線的長度,合理、整齊排布。

        雷擊造成建筑物和電子設備等損害的原因是多樣的,全面分析雷擊災害的產生因素,同時考慮到雷擊事故和電氣事故等多方面成因,全面地、更精細化地和根據需求及時地進行防護和補充防護,不斷進步完善,是防止和減小雷電災害,做好現代防雷工程的重要基礎?,F代意義的防雷是一門立體、綜合的學科,除了依照規范和標準對建筑物進行科學、全面的防護設計之外,還應結合實際情況,真正實施到每一項具體措施上,把雷擊災害的程度降低到最小。

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