防雷接地設(shè)計(jì)中等電位連接
編輯：2021-12-16 11:21:28
摘要
等電位連接是通訊設(shè)備工程防雷接地中很重要的可靠性要求?；谝粋€(gè)雷擊案例，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方法，驗(yàn)證了等電位連接對(duì)雷擊電流泄放路徑的影響，說(shuō)明了等電位連接是保證防雷系統(tǒng)功能正常的前提。最后給出了簡(jiǎn)易機(jī)房等電位連接的方案及注意事項(xiàng)。
引言
防雷接地是通訊設(shè)備應(yīng)用中關(guān)鍵的工程可靠性要求之一。但在具體工程實(shí)踐中，人們往往過(guò)多的關(guān)注接地電阻的大小，認(rèn)為設(shè)備只要接地了，而且接地阻抗?jié)M足要求就可以了，而忽略或沒有關(guān)注等電位連接的重要性。而且實(shí)際工程故障中，很多都是因?yàn)闆]有實(shí)現(xiàn)等電位連接而造成的。 本文通過(guò)一個(gè)雷擊案例的研究，詳細(xì)說(shuō)明了等電位連接對(duì)雷擊電流泄放路徑的影響，等電位連接是保證防雷系統(tǒng)功能正常的前提。接地網(wǎng)、等電位連接和避雷器要互相配合才能實(shí)現(xiàn)防雷的目標(biāo)。 1、設(shè)備接地方案 目前通信機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的接地方案通常有兩種，一種是星形接地方案，一種是網(wǎng)狀接地方案 [1-2]。如圖 1（a）所示，星形接地方式的機(jī)房?jī)?nèi)，電源、承載、傳輸?shù)仍O(shè)備的接地線均由總接地排引接。如設(shè)備機(jī)架與總接地排相距較遠(yuǎn)時(shí)，可以采用兩級(jí)接地排。如圖 1（b）所示，網(wǎng)狀連接的機(jī)房?jī)?nèi)，應(yīng)沿墻壁設(shè)置環(huán)形接地匯集線。機(jī)房?jī)?nèi)電源、承載、傳輸?shù)仍O(shè)備的接地線均就近接到環(huán)形接地匯集線上。環(huán)形接地匯集線與地網(wǎng)應(yīng)在機(jī)房四邊（多點(diǎn)）連接。
2、不等電位連接改變預(yù)期的雷電泄放路徑 2.1 雷擊故障現(xiàn)象 某產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)正常使用過(guò)程中，某雷雨天出現(xiàn)部分單板燒壞的故障。主要燒壞的器件是電源入口處的保險(xiǎn)絲、防護(hù)器件瞬態(tài)抑制二極管（TVS）和壓敏電阻，如下圖 2 所示。 2.2 原因分析 設(shè)備電源和單板的電源入口都有浪涌的差模和共模防護(hù)（TVS 實(shí)現(xiàn)差模防護(hù)，壓敏電阻實(shí)現(xiàn)共模防護(hù)），如圖 2 所示。按照工程電源防雷設(shè)計(jì) [3]，機(jī)房外 AC 電源至少具有一級(jí)防雷（至少 80 kA）能力，機(jī)房?jī)?nèi) AC配電柜至少具有二級(jí)防雷（至少 40 kA），DC 電源至少具有 15 kA 的防雷能力。設(shè)備設(shè)計(jì)的防雷指標(biāo)（根據(jù)應(yīng)用環(huán)境，要求設(shè)備防雷能力差模防護(hù) 4 kV，共模防護(hù)6 kV）滿足產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，實(shí)際防護(hù)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)指標(biāo)。 2.2.1 設(shè)計(jì)的預(yù)期雷擊電流泄放路徑 按照設(shè)計(jì)的預(yù)期雷電流泄放路徑（見圖 3 中細(xì)的紅色箭頭），雷電流首先通過(guò)第一級(jí) AC 防雷泄放，少部分雷電流進(jìn)入到機(jī)房。進(jìn)入到機(jī)房的雷電流再依次通過(guò) AC 電源柜的二級(jí)防雷泄放、AC/DC 的三極防雷泄放，最后進(jìn)入到通信設(shè)備的雷電流應(yīng)該非常小或在通訊設(shè)備的防護(hù)等級(jí)之內(nèi)，不會(huì)造成設(shè)備的損壞，實(shí)現(xiàn)多級(jí)防雷相互配合的防雷目的。 通信設(shè)備前級(jí)有多級(jí)防雷，依然出現(xiàn)燒壞防通信設(shè)備的情況。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的排查和分析，發(fā)現(xiàn)雷電造成的沖擊電流并沒有按照預(yù)期的設(shè)計(jì)泄放路徑逐級(jí)泄放到大地，而是進(jìn)入了最后的通信設(shè)備（見圖 3 中的粗的紅色箭頭），導(dǎo)致設(shè)備燒壞。 2.2.2 不等電位改變沖擊電流的泄放路徑 通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步的排查和分析，發(fā)現(xiàn)給設(shè)備供電的兩路 DC 電源 ： （1）第一路 DC 電源（即圖 3 中通訊機(jī)房 1 中的AC/DC 電源柜）和設(shè)備在同一個(gè)機(jī)房。 （2）第二路 DC 電源經(jīng)過(guò)防雷箱進(jìn)入到通信機(jī)房 2 的 AC 電源柜，再通過(guò) AC/DC 電源柜輸出的 -48 V DC電源從通信機(jī)房 2 進(jìn)入到通信機(jī)房 1。 工程現(xiàn)場(chǎng)的防雷和接地都比較規(guī)范，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量各設(shè)備的接地電阻，機(jī)房 1 基本都在 4 Ω 左右，也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的不大于 5 Ω 的要求 ；機(jī)房 2 都在 1 Ω 以下，也滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。 雖然兩個(gè)機(jī)房的接地都滿足規(guī)范要求，但機(jī)房 1 和機(jī)房 2 的地樁接地體之間沒有連接，即接地點(diǎn) 1 和接地點(diǎn) 2 沒有實(shí)現(xiàn)等電位連接，導(dǎo)致沖擊電流沒有按照設(shè)計(jì)預(yù)期的接地點(diǎn) 1 泄放，而是進(jìn)入了通信設(shè)備，經(jīng)過(guò)通信設(shè)備內(nèi)部電路轉(zhuǎn)到第二路 DC 電源，最終通過(guò)接地阻抗更低的接地點(diǎn) 2 泄放到大地。因此雷電沖擊電流通過(guò)通信設(shè)備內(nèi)部，導(dǎo)致設(shè)備的燒壞。 2.3 故障模擬 如圖 4 所示，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)供電和接地情況，進(jìn)行了沖擊電流模擬實(shí)驗(yàn)。設(shè)備接 A（-48VA/-48VARTN）和B（-48VB/-48VBRTN）兩路電源，接地線串聯(lián)一個(gè)電阻，模擬現(xiàn)場(chǎng)接地點(diǎn) 1 的接地阻抗。-48 VBRTN（設(shè)備B 路 DC 電源的正極）直接接地，模擬現(xiàn)場(chǎng)接地點(diǎn) 2。 在 -48 VARTN（設(shè)備 A 路 DC 電源的正極）和大地 PE（設(shè)備接地點(diǎn)）之間施加沖擊電流，模擬雷電流對(duì)設(shè)備造成的影響。對(duì)設(shè)備電源口進(jìn)行沖擊電流測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)沖擊電流達(dá)到 4 kA 左右的時(shí)候，設(shè)備出現(xiàn)了和現(xiàn)場(chǎng)一樣的故障現(xiàn)象。
3、等電位連接的重要性
為了驗(yàn)證等電位連接的重要性，把圖 4 中的 -48VBRTN 也連接到 D 點(diǎn)，同時(shí)增加和減小電阻的阻值，即在等電位連接的條件下，增加接地阻抗或減小接地阻抗，分別進(jìn)行沖擊電流的測(cè)試，如圖 5 所示。測(cè)試沖擊電流達(dá)到 10 kA，設(shè)備都正常工作。表明設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)了等電位的連接，接地電阻略大或略小，對(duì)防雷的影響是非常小的。在工程防雷設(shè)計(jì)中，等電位連接比接地電阻更重要，等電位連接能保證防雷措施能正確的發(fā)揮作用，顯著提高設(shè)備的防雷能力。因此等電位不需要絕對(duì)的零電位，只要雷電造成的等電位連接點(diǎn)的瞬態(tài)電位不超過(guò)設(shè)備與大地之間的耐壓即可。 4、等電位連接的方案及注意事項(xiàng) 4.1 方案 本文給出簡(jiǎn)易機(jī)房的一種等電位接地方案，如圖 6所示。接地系統(tǒng)由機(jī)房地網(wǎng)和鐵塔地網(wǎng)組成的聯(lián)合接地網(wǎng)。機(jī)房?jī)?nèi)采用星形接地方案實(shí)現(xiàn)機(jī)房?jī)?nèi)的等電位連接，在機(jī)房外設(shè)置單獨(dú)的室外地排，機(jī)房?jī)?nèi)外通過(guò)聯(lián)合接地網(wǎng)實(shí)現(xiàn)等電位連接。 4.2 注意事項(xiàng) （1）地網(wǎng)由機(jī)房地網(wǎng)、鐵塔地網(wǎng) ( 若旁邊有鐵塔）組成一個(gè)聯(lián)合接地網(wǎng)，如圖 7（a）所示?；蛴蓹C(jī)房地網(wǎng)、鐵塔地網(wǎng)（若旁邊有鐵塔）、變壓器地網(wǎng)組成一個(gè)聯(lián)合接地網(wǎng)，如圖 7（b）所示。 變壓器地網(wǎng)與機(jī)房地網(wǎng)或鐵塔地網(wǎng)邊緣距離小于30 m 時(shí)，應(yīng)利用水平接地體至少兩處焊接連通，在距離大于 30 m 可不用相互連通。 （2）根據(jù)相關(guān)接地規(guī)范 [3-5]，地網(wǎng)的接地電阻值宜不大于 5 Ω（一般情況下中心機(jī)房不大于 1 Ω，遠(yuǎn)端機(jī)房不大于 5 Ω，室外設(shè)備不大于 10 Ω）。大地電阻比較大的地區(qū)，應(yīng)采取優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式。比如擴(kuò)大地網(wǎng)的面積，即在地網(wǎng)外增設(shè)一圈或兩圈環(huán)形接地裝置。加入降阻劑等。 （3）機(jī)房接地引入線與地網(wǎng)的連接點(diǎn)應(yīng)避開避雷針、避雷帶或鐵塔接地引入線的連接點(diǎn)，其間距宜大于5 m。接地引入線不宜從鐵塔塔腳附近引入，應(yīng)從遠(yuǎn)離鐵塔一側(cè)的地網(wǎng)接入地線 （4）機(jī)房接地與機(jī)房外設(shè)備的接地排應(yīng)分別接入地網(wǎng)，并選擇最短的接地路徑。 （5）機(jī)房?jī)?nèi)的各設(shè)備必須進(jìn)行等電位連接，互連的各設(shè)備（包括電源、配線架等）必須連接到匯流排或環(huán)形接地匯集線。具體如 1 章介紹的接地方案。 （6）接地線二端都使用銅鼻子、銅鼻子與線徑及螺栓直徑相符、銅鼻子 緊固搖晃無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象。所有接地線與接地分匯集線連接時(shí)，均要用銅線鼻、螺栓及彈簧墊片緊固。一個(gè)螺孔只裝一根線，一個(gè)螺栓只能接一根地線。接地線兩端的連接點(diǎn)應(yīng)確保電氣接觸良好，并均經(jīng)過(guò)防腐處理（涂油、防銹漆等）。 5、結(jié)語(yǔ) 本文通過(guò)一個(gè)雷擊案例的研究，詳細(xì)說(shuō)明了等電位連接對(duì)雷擊電流泄放路徑的影響，等電位連接是保證防雷系統(tǒng)功能正常的前提。接地網(wǎng)、等電位連接和避雷器要互相配合才能實(shí)現(xiàn)防雷的目標(biāo)。 等電位連接方案中各接地線的感抗是影響雷擊時(shí)瞬態(tài)等電位連接的一個(gè)重要因素，下一步研究接地線的感抗對(duì)等電位連接的影響。
