均压等电位连接技术

 

 

 图1   基站设备接地与接地电阻的关系示意图

图中，如接地电阻处的电位抬高则整个机房内电位抬高，设备仍处于等电位中；但如设备至地之间引线较长的话，L2线为天馈线避雷器接地线（通常长度为2~3米，也有的基站为5~7米），L1线为电源SPD接地线（通常长度为3~5米，也有的基站为7~9米，个别甚至有10米以上），其上的电位差都可能引起设备损坏。这个电位差，可根据下式算出：U=Ldi/dt+IR，如引线长1m，入侵的雷电流为20kA（8/20ms），则每米导线上的电压降为3.6kV，b电位会抬高至36kV，开关电源则会因过压导致损坏。

正确的概念是：对必须接地的设备，从防雷角度讲，必须进行可靠接地，但地阻值的大小是安规的要求，对防雷效果没有直接影响。对防雷效果影响最大的是基站内系统间的等电位连接，因此为了保证基站内设备安全，设备间必须进行合理有效的均压等电位连接。

                                              机房内是否加装一级SPD及SPD的类型对机房防雷的影响

 

2.2.2.1 是否加装一级SPD的影响

由于移动基站地理位置的特殊性，其雷电环境比较恶劣，相关金属导线上感应的雷电过电压也较高，特别是在供电系统中，如果不安装一级SPD，仅依靠开关电源内的二级SPD（最大放电电流一般为40kA）来泄放雷电流其容量是不够的，易造成二级SPD的损坏及后级被保护设备的损坏。

退一步说，即使二级SPD不损坏，由于其泄放的雷电流较大，其残压也较高，仍然会造成后级被保护设备的损坏。因防雷是项系统工程，只有通过多级防护，才能达到理想的防护效果。

2.2.2.2 SPD的类型对机房防雷的影响

如果一级防雷器采用间隙型防雷器，由于其具有动作电压高、响应时间慢的特点，故其与被保护设备间连线的退耦距离应在10米以上。如距离较近，雷击时防雷器响应较慢，会造成保护器未动作，而被保护设备已被雷击的现象；另外由于其动作电压过高，超过了设备的耐受水平，从而造成了设备的损坏； 

如果采用“3+1”模式的防雷器，即三相线对中线分别采用压敏型防雷器、中线对地线采用放电管型防雷器（其特点为动作电压低、响应时间快），则可以避免因退耦距离不够或残压过高导致的设备损坏。

                                              机房内设备间的等电位对机房防雷的影响

 
 

图2   基站设备大星形连接产生点位差的示意图

如按照图7所示的方式对基站内设备进行接地，当有雷击时，会在接地引线上产生较大的电位差，其值可根据下式算出：

U=Ldi/dt+IR，

每米导线上的电压降为3.6kV, 如接地线长度为5米，地电位抬高为18kV，这个电位差有时足以使设备发生损坏。

图3  改善基站设备接地达到等电位状态示意图

安迅防雷为了减小此电位差，可采取如8所示的方法加以改造，这时的电位差，仅仅与大大缩短了的L2线长相关，若将其控制在0.5米以内，则设备A和设备B之间的电位差降为1.8kV，仅为原来的十分之一，大大减小了在互联设备的端口的过电压。

                                             

                 2.2.2.3   TT供电系统对机房防雷的影响

2.2.2.3.1 回路阻抗对安全的影响

图4是TT接地系统的供电形式：

 

图4 基站T.T接地供电系统示意图

在单相搭地的情况下，对A、B、C每相皆有如图10所示等效电路：

当供电系统中由于各种原因出现相线搭地时，由于回路阻抗大，短路保护装置无法动作，从而容易造成人身电击事故。

   另外，在基站T.T供电系统的情况下，安迅防雷器的保护模式的选择应该慎重。

图6为T.T供电系统下使用4对地模式的防雷器情况：

 

图6   T.T供电系统下使用4对地模式的防雷器示意图

其每相等效电路如图7所示

图7  T.T供电系统下使用4对地模式的防雷器等效电路图
在上述情况下，当防雷模块由于各种原因失效后，由于回路阻抗大，短路保护装置无法动作，导致带有限流电阻的电弧放电现象出现，从而就会使避雷器起火，甚至导致机箱、机柜、机房火灾（参见图8）。

 

图8  防雷器失效情况下的等效电路

       

当将变压器的地网与机房的地网相连后（A和B相连），即将TT系统改造成了TN系统，其等效电路如图9所示：

 

图9   TT系统改造成了TN系统后等效电路

当避雷器由于各种原因失效后，由于A、B间做了连接，回路中的阻抗较小（短路电流一般为数千安培），过流保护装置就会动作，从而避免火灾。

 

2.2.4.2 变压器上形成的转移过电压的影响

如图10所示的T.T接地系统，当雷击配电变压器高压侧后，配电高压避雷器动作：

 

 

 图10 雷击在基站变压器形成转移过电压示意图

以20kA雷电流计，当R为10Ω时（这是100kVA以下变压器的标准接地电阻值），该残压即可高达：

V= IS·RE =20kA×10Ω=200kV

此时残压（转移过电压）将会加到低压供电回路中，易造成后级用电设备的损坏。

                                              电源线架空引入对机房防雷的影响

由于架空电源线直接暴露在空间，且无任何的屏蔽措施，当有雷击时空间电磁场会无衰减的感应到这段电源架空线中，感应的雷电过电压会沿着导线窜入机房，对机房的用电设备产生严重的安全隐患。

如果我们将引入机房的电源线采用穿金属管埋地或铠装电缆埋地，埋地长度不小于15米，并将金属管或铠装电缆的金属外护套两端可靠接地，由于电源线未直接暴露在空间，并有金属管或金属外护套将其屏蔽，并两端可靠接地，就可有效防止或降低因架空线感应雷电过电压引入机房而导致的设备损坏的可能性。

这一改造措施，也符合现行标准的规定。根据通信行业标准YD/T 5098-2001《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》3.1条规定：“出入通信局（站）电力电缆（线）、通信缆线应采用金属套电缆或敷设在金属管内，且电缆的金属套或金属管应两端可靠接地。”

                                              馈线的外屏蔽层在机房外接地及SPD安装位置对机房防雷的影响

移动基站一般都设有很高的铁塔，由铁塔上的天线引向机房的馈线，当铁塔遭受雷击时，铁塔上会有较高的过电压，相应地会在馈线上感应很高的雷电过电压，为了防止雷电过电压沿馈线窜入机房损坏设备，在馈线进入机房前，必须增加C点接地（如图16所示），且要求接地线在机房外直接与机房地网就近可靠连接，这样做可有效地将该雷电过电压能量直接泄入大地，缓解后级的压力。

图11 基站馈线的屏蔽层接地点示意图

馈线进入机房后，进入收发信机前，应接馈线用SPD，从而实现对收发信机和馈线的瞬态等电位连接，保护收发信机的馈线口免造雷击损坏。并且要求该SPD的接地线应直接接在收发信机的接地排上。

传统的做法一般是将馈线用SPD的接地线接到机房外的地排上，此方法的本意是想更好的保护设备，但其效果恰恰相反，使保护的有效性降低。具体原因请见图12：

 

图12 基站馈线SPD接地线对防护效果的影响示意图

以上是SPD安装后的残压示意图。

当有雷电流时，其中：

U1为SPD自身的残压；

U2为从SPD到机房外地排之间连线上的残压；

U3为从机房外地排到地网之间连线的残压。

这时，加在被保护设备的上残压为：

U改造前=U1+U2+U3

为了减小加在被保护设备上的残压，我们可以采取图18所示的办法，即将馈线用SPD靠近设备安装，并将SPD的接地线就近接在设备的地排上，如图所示：

 

 图13 基站馈线SPD接地位置改造示意图

 

一般接在机房外接地汇流排上的SPD的接地线及接地引下线的长度在10米以上，则对设备残压高达约18kV；而接在设备地排上的SPD的接地线长度一般在1米以内，则对设备残压小于1.8kV，仅为原来的十分之一。可有效增强对设备的保护效果。

                                              加装直流保护器及其安装位置的影响

移动机房设备直流供电一般采用两种形式：24V（直流负接地）和-48V（直流正接地）。而这两种形式的供电都是需要接地的。当有雷击通过地网泄放时，则会造成瞬间的电位抬升，这样就使得直流电源正负极的电位不相等，加在中间的设备（整流模块和GSM等）发生损坏。由于地电位抬升有时会从前端（开关电源直流输出口）引入损坏设备，也有可能从后端（用电设备如GSM的直流输入口）引入损坏设备，所以应在直流电源的两端分别加装直流电源避雷器，形成直流电源正、负极与地的瞬态等电位。防止因地电位升高造成的电位反击损坏设备。

                 图14 基站直流SPD配置示意图

 

                                             

2.2.2.5 GSM传输端口的防雷保护及其意义

从雷击损坏设备的数据看，GSM设备的DXU（核心控制板）、DF架损坏的机率要比其他设备的机率高。如图所示，因2M线架空且该设备的重要性比机房内其他设备的重要性要大，如该设备损坏，则直接会造成基站闭站。因此应在GSM的C8口及2M线接口处加装信号防雷器，形成瞬态等电位。

 

 图15 基站GSM端口示意图。安迅防雷www.ansunspd.com