陳 強(qiáng)，唐余兵，劉吉克，牛年增，祁 征（.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；.中興通訊股份有限公司，廣東深圳 58000）

0 前言

中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司為了解決中國(guó)聯(lián)通寬帶接入網(wǎng)點(diǎn)大量遭受雷擊損壞的問題，從2013年開始先后組織了《寬帶接入網(wǎng)點(diǎn)的防雷與接地研究》、《隔離+浮地防雷新技術(shù)在寬帶接入網(wǎng)點(diǎn)的應(yīng)用》等多個(gè)研究項(xiàng)目，針對(duì)寬帶接入網(wǎng)設(shè)備功率小、體積小、遭受直擊雷風(fēng)險(xiǎn)低等特點(diǎn)，創(chuàng)新性提出了無(wú)需設(shè)置地網(wǎng)和接地的“隔離+浮地”防雷新技術(shù)，研制了高性能電源防雷隔離變壓器，解決了接地實(shí)施困難站點(diǎn)的防雷和電氣安全問題，并進(jìn)行了大范圍試點(diǎn)應(yīng)用，取得了很好的防雷效果和經(jīng)濟(jì)效益。鑒于該項(xiàng)新技術(shù)在小型通信設(shè)施，特別是在即將建設(shè)的5G 基站有很大應(yīng)用空間，中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司聯(lián)合中國(guó)聯(lián)通牽頭立項(xiàng)并編制了一批國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展并應(yīng)用于小型化基站領(lǐng)域。

1 小型通信設(shè)施應(yīng)用傳統(tǒng)防雷方式存在的問題

1.1 應(yīng)用傳統(tǒng)防雷方式存在的問題

傳統(tǒng)的防雷方式，即采用壓敏電阻、放電管、瞬態(tài)抑制二極管等防雷保護(hù)器件將雷電能量泄放入地，并將差模、共模以及端口之間的過(guò)電壓降低到設(shè)備可以承受的水平。以寬帶接入網(wǎng)點(diǎn)為例，其典型線纜連接及防雷器配置如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)防雷方式典型線纜連接及防雷器配置

這種傳統(tǒng)的防雷方式應(yīng)用比較成熟，由于需要可靠的地網(wǎng)作為泄放通道（一些設(shè)備制造商要求地阻不大于10 Ω），但在老舊用戶樓宇內(nèi)或者公共設(shè)施（路燈桿、電線桿等）等非典型電信設(shè)施環(huán)境中，其在地網(wǎng)施工、維護(hù)等很多方面都存在很大的困難，下面諸多問題在實(shí)際工程建設(shè)和維護(hù)工作中經(jīng)常發(fā)生。

a）運(yùn)營(yíng)商要求快速隱蔽建設(shè)基站（例如周圍用戶擔(dān)憂輻射問題）。

b）用戶不允許敲樓柱鋼筋作為接地引接點(diǎn)。

c）站點(diǎn)周圍沒有空地來(lái)做地網(wǎng)。

d）由于地方非常有限所做地網(wǎng)面積很小或接地電阻較大，不能滿足要求。

e）地網(wǎng)與接入網(wǎng)點(diǎn)距離過(guò)遠(yuǎn)導(dǎo)致接地引接線過(guò)長(zhǎng)。

f）接地引接線經(jīng)常被盜。

g）由于生活污水、垃圾等原因地網(wǎng)腐蝕過(guò)快。

上述問題實(shí)際上大面積存在，導(dǎo)致小型站點(diǎn)的地網(wǎng)施工成為最為困難的工程環(huán)節(jié)。而從調(diào)研的情況來(lái)看，這些站點(diǎn)的地網(wǎng)絕大部分不合格甚至站點(diǎn)不接地。而且，地網(wǎng)建設(shè)以及運(yùn)行維護(hù)管理也是一筆不小的成本支出，還會(huì)嚴(yán)重影響站點(diǎn)建設(shè)開通速度。

另外，還有很多站點(diǎn)簡(jiǎn)單地連接到上一級(jí)配電箱的地排上，而民用三芯電源線中PE線實(shí)際工程施工中基本未接地處理。帶PE地線的三芯電源屏蔽線，其中PE 線能否接地也與居民建筑配電箱接地情況和工程施工情況有關(guān)。有的建筑物內(nèi)配電箱沒有接地，導(dǎo)致RRU 供電端PE 線也無(wú)法接地；供電線經(jīng)過(guò)兩極空開后，PE 線也未接地；供電直接從低壓架空線接入，無(wú)法接PE線等。這些都導(dǎo)致了電源線中的PE線實(shí)際無(wú)法保障可靠接地。

1.2 未來(lái)5G基站建設(shè)面臨的問題

由于未來(lái)5G 網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長(zhǎng)，增加低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)量，是保證未來(lái)5G 網(wǎng)絡(luò)支持1 000倍流量增長(zhǎng)的核心技術(shù)之一。因此，超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)成為未來(lái)5G 網(wǎng)絡(luò)提高數(shù)據(jù)流量的關(guān)鍵技術(shù)。未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將部署超過(guò)現(xiàn)有站點(diǎn)10 倍以上的各種無(wú)線節(jié)點(diǎn)，其中大部分以小基站為主，而且布署在各種復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景。承擔(dān)無(wú)線接入功能的各類基站預(yù)計(jì)占到總投資的60%～70%。因此，對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，如何高效、快速、經(jīng)濟(jì)地布點(diǎn)是未來(lái)5G基站建設(shè)面臨的一個(gè)非常重要的問題。而傳統(tǒng)防雷方式在很多應(yīng)用場(chǎng)景顯然無(wú)法滿足上述需求。

通信設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)與設(shè)備供配電制式、設(shè)備類型、系統(tǒng)接地電阻等強(qiáng)有關(guān)。根據(jù)外場(chǎng)工程調(diào)研情況，通信設(shè)備供電基本為TT 或TN 系統(tǒng)，II 類或III 類通信設(shè)備不存在安全風(fēng)險(xiǎn)，但I(xiàn) 類設(shè)備在TT 系統(tǒng)應(yīng)用存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。在TT 系統(tǒng)供電下，接地電阻小于1.18 Ω才能保證人身安全，1 Ω 左右的接地電阻，施工難度大，成本高。此外，基于外場(chǎng)配電實(shí)際情況，TN系統(tǒng)常常因?yàn)椴唤尤镜鼐€而成為TT 系統(tǒng)。同時(shí)，TN 系統(tǒng)內(nèi)的用電設(shè)備需要保證等電位聯(lián)結(jié)，以防止“接地故障電壓沿PE 線傳導(dǎo)”的問題，但通信設(shè)備往往無(wú)法在同一TN 供電系統(tǒng)內(nèi)達(dá)到這個(gè)條件。因此，I 類通信設(shè)備在TT系統(tǒng)（或不接地線的TN 系統(tǒng)）供電下需要考慮電擊風(fēng)險(xiǎn)。

因此，對(duì)于未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)小型站點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域所面對(duì)的接地問題，一方面是超大規(guī)模和快速布點(diǎn)的建設(shè)需求，另一方面是由此帶來(lái)的防雷和電氣安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，如何兼顧二者是一個(gè)迫切需要考慮的問題。

2 “隔離+浮地”防雷新技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 雷電引入渠道

小型通信設(shè)施一般安裝在普通用戶樓宇內(nèi)或者城市公共設(shè)施（路燈桿、電線桿等）上，其外部引入線包括電源線、信號(hào)線（光纜或者5類線等），這些線纜的架設(shè)高度較低，一般不易遭受直擊雷，其主要的雷擊風(fēng)險(xiǎn)源為附近的雷擊在電源線和信號(hào)線上產(chǎn)生的雷電電磁脈沖感應(yīng)，雖然影響范圍廣，但是產(chǎn)生的雷電過(guò)電壓和過(guò)電流幅值有限。

這些感應(yīng)的雷電過(guò)電壓沿著線纜傳遞到設(shè)備端口形成共模過(guò)電壓（電源、信號(hào)線對(duì)地之間過(guò)電壓）和外部端口間過(guò)電壓（電源與信號(hào)線之間過(guò)電壓），當(dāng)過(guò)電壓幅值超過(guò)設(shè)備耐受水平時(shí)，將造成設(shè)備損壞。

2.2 基本原理

“隔離+浮地“保護(hù)方式是針對(duì)寬帶接入網(wǎng)設(shè)備功率小、體積小、遭受直擊雷風(fēng)險(xiǎn)低等特點(diǎn)而制定的，其通過(guò)采用高強(qiáng)度電源防雷隔離變壓器、絕緣措施（浮地）等方式提升電源端口、信號(hào)端口和接地端口之間的絕緣強(qiáng)度，對(duì)于設(shè)備而言，只要隔離變壓器和絕緣措施不被擊穿，設(shè)備就不會(huì)發(fā)生絕緣閃絡(luò)損壞（見圖2）。根據(jù)相關(guān)研究及統(tǒng)計(jì)，30 kV 以上的沖擊絕緣強(qiáng)度保證設(shè)備在絕大多數(shù)感應(yīng)雷電過(guò)電壓的情況下不會(huì)發(fā)生擊穿損壞。同時(shí)，防雷隔離變壓器輸出側(cè)中性點(diǎn)不接地，機(jī)箱內(nèi)設(shè)備做好等電位連接，在設(shè)備發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，機(jī)箱和設(shè)備外殼不會(huì)帶上危險(xiǎn)電壓，因此保證了設(shè)備沒有接地線時(shí)的電氣安全，該電氣保護(hù)方式也是IEC 60364（GB 16895）中推薦的一種電氣安全保護(hù)措施。

圖2 隔離+浮地保護(hù)方式示意圖

該保護(hù)方式的最大優(yōu)點(diǎn)在于不用專設(shè)地網(wǎng)和接地，因此避免了在居民樓宇等環(huán)境下尋找可靠接地而導(dǎo)致的施工困難、投資大等問題，整體工程成本很低，施工和維護(hù)也比較簡(jiǎn)單，因此特別適合于在用戶樓宇等不便于接地的場(chǎng)所使用。

另外，采用隔離方式能夠避免雷電感應(yīng)較強(qiáng)的電源端口對(duì)信號(hào)端口的影響。一般而言，沿電源線感應(yīng)的雷電能量遠(yuǎn)高于信號(hào)端口。當(dāng)采用傳統(tǒng)防雷方式時(shí)，如果設(shè)備接地條件較差（地網(wǎng)接地電阻高或者接地線過(guò)長(zhǎng)，大于10 m），就會(huì)有較大雷電流從信號(hào)端口沿信號(hào)線分流到遠(yuǎn)端地網(wǎng)（見圖3）。由于信號(hào)端口普遍防護(hù)能力弱，因此容易造成信號(hào)端口損壞。當(dāng)采用隔離浮地方式時(shí)，防雷隔離變壓器阻隔了主要雷電流通道并且不受接地條件影響，因此消除了對(duì)信號(hào)端口的干擾影響（見圖4）。

圖3 傳統(tǒng)方式下市電側(cè)引入浪涌由于接地不良對(duì)信號(hào)側(cè)產(chǎn)生干擾影響

圖4 隔離浮地方式下市電側(cè)引入浪涌由于隔離避免對(duì)信號(hào)側(cè)產(chǎn)生干擾影響

對(duì)于較大的系統(tǒng)（例如基站、交換局），由于引入線纜較多，而且系統(tǒng)整體保證絕緣非常困難；對(duì)于直擊雷風(fēng)險(xiǎn)較高的系統(tǒng)（例如基站），需要大幅度提高絕緣耐壓水平，會(huì)導(dǎo)致成本大幅度提升；對(duì)于功率較大的系統(tǒng)，需要較大容量的隔離變壓器，也會(huì)提高成本和占用機(jī)房面積。因此，這種方式最適用于功率小、體積小、遭受直擊雷風(fēng)險(xiǎn)低的站點(diǎn)。

用隔離變壓器作為電氣隔離對(duì)電擊接觸風(fēng)險(xiǎn)是一種有效的措施，圖5 給出了典型原理。由于隔離變壓器輸出次級(jí)是浮地的，當(dāng)發(fā)生單相接地故障的時(shí)候，由于沒有低阻抗故障回路，通過(guò)人體的故障電壓非常低從而避免電擊。當(dāng)L/N 同時(shí)發(fā)生接地故障的時(shí)候，故障回路的大電流將會(huì)觸發(fā)短路或過(guò)載保護(hù)，避免持續(xù)短路引起的起火風(fēng)險(xiǎn)等。

圖5 隔離變壓器典型應(yīng)用拓?fù)?/p>

2.3 防雷隔離變壓器的關(guān)鍵防雷技術(shù)指標(biāo)

電源防雷隔離變壓器是“隔離+浮地”保護(hù)方式的關(guān)鍵保護(hù)器件，其除了普通隔離變壓器的相關(guān)電性能指標(biāo)外，其防雷相關(guān)指標(biāo)對(duì)于整個(gè)防雷性能至關(guān)重要。表1 列舉了電源防雷隔離變壓器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，其他相關(guān)要求限于篇幅暫不作介紹。

3 新技術(shù)應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn)化情況

3.1 在寬帶接入網(wǎng)點(diǎn)的應(yīng)用

3.1.1 應(yīng)用概況

寬帶交換機(jī)、EPON 等寬帶接入網(wǎng)點(diǎn)是雷電災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)，很多省份年雷擊損失率達(dá)15%以上，經(jīng)常由于一個(gè)雷擊造成一大片網(wǎng)點(diǎn)故障，造成大量用戶投訴，嚴(yán)重影響寬帶業(yè)務(wù)的安全性。

中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司于2013年開始在6個(gè)雷擊嚴(yán)重省份選擇了6 650個(gè)典型站點(diǎn)進(jìn)行試點(diǎn)，運(yùn)行2 年僅有6 個(gè)站點(diǎn)防雷隔離變壓器被雷擊損壞。截至目前，已在8 個(gè)省份近4 萬(wàn)個(gè)站點(diǎn)應(yīng)用了該技術(shù)，均反映大幅降低了雷擊損壞率。以湖北黃石為例，其27個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中14 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)屬雷電頻發(fā)區(qū)，一到雷雨天氣，寬帶接入網(wǎng)點(diǎn)經(jīng)常大面積損壞，由于雷擊造成的用戶投訴占比都在55%上。在采用該技術(shù)后，消除了雷雨天氣大面積損壞現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量大幅提升。另外，在福建省水利廳水庫(kù)監(jiān)控項(xiàng)目進(jìn)行了4個(gè)試點(diǎn)，這4個(gè)試點(diǎn)在2013年上半年發(fā)生雷擊損壞共31次，其中一個(gè)站點(diǎn)上半年損壞15 次，應(yīng)用該技術(shù)2 個(gè)多月未發(fā)生雷擊損壞事故，目前已有100多個(gè)監(jiān)控站點(diǎn)采用該技術(shù)。

3.1.2 應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的一些問題

在寬帶接入網(wǎng)點(diǎn)的應(yīng)用中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，下面列舉幾例典型情況，在后期應(yīng)用中予以注意。

a）經(jīng)統(tǒng)計(jì)，個(gè)別站點(diǎn)隔離變壓器被雷擊損壞，經(jīng)調(diào)查，主要是在農(nóng)村環(huán)境近距離直擊雷引起的過(guò)強(qiáng)感應(yīng)過(guò)電壓所致。

b）在電壓不穩(wěn)定地區(qū)，隔離變壓器帶載過(guò)輕使得輸出電壓過(guò)高，通信設(shè)備無(wú)法正常工作。經(jīng)試驗(yàn)與分析，可從工程選型和電壓調(diào)整率指標(biāo)2 個(gè)方面來(lái)考慮解決問題。

c）在某個(gè)地區(qū)改造安裝過(guò)程中導(dǎo)致通信設(shè)備電源板燒壞，經(jīng)試驗(yàn)與調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，原因在于電源板電容器劣化，在加入隔離變壓器后引發(fā)諧振過(guò)載所致，因此應(yīng)對(duì)隔離變壓器的短路和過(guò)載保護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。

表1 電源防雷隔離變壓器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)（推薦值）

隨著防雷隔離變壓器在其他站型的拓展應(yīng)用，還會(huì)有更多的細(xì)節(jié)性問題出現(xiàn)，因此還需要更好地優(yōu)化和提升。

3.2 新技術(shù)在國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用

一直以來(lái)，ITU/IEC 等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的安全防護(hù)要求是建立在用戶樓宇或者公共設(shè)施有完善的防雷接地以及電氣安全措施的基礎(chǔ)之上的。由于我國(guó)及其他發(fā)展中國(guó)家的用戶樓宇和公共設(shè)施本身建設(shè)就很不規(guī)范，相比較西方發(fā)達(dá)國(guó)家，小型通信設(shè)施面臨的接地問題就更為突出。

目前，ITU、CCSA 等國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)組織在通信防護(hù)領(lǐng)域研究的一個(gè)重點(diǎn)方向就是小型網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的安全防護(hù)問題。

在國(guó)際上，中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司代表中國(guó)聯(lián)通在ITU-T SG5 牽頭編制了《不良接地條件下小型通信設(shè)施的保護(hù)》（K.134），研究小型網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備在不良接地條件下的安全防護(hù)問題，其中“隔離+浮地”防雷新技術(shù)被引用為重要的技術(shù)解決方案。

在國(guó)內(nèi)，《小型無(wú)線系統(tǒng)的防雷與接地技術(shù)要求》（YD/T 3007-2016）和《基于公用電信網(wǎng)的寬帶客戶網(wǎng)絡(luò)防雷技術(shù)要求及保護(hù)方法》（YD/T 3027-2016）都明確提出了“隔離+浮地”新技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景和方式。新修訂的《通信局站防雷與接地工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50689-2011）也明確將“隔離+浮地”新技術(shù)寫入了小型通信站的防雷接地要求中。另外，中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司也主導(dǎo)了相關(guān)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《通信用防雷隔離變壓器技術(shù)要求和測(cè)試方法》（已報(bào)批）和《不良接地條件下小型通信設(shè)施的保護(hù)》（在編）的編制。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

相比較于傳統(tǒng)防雷方式，“隔離+浮地”新技術(shù)具有工程投資小、施工和維護(hù)簡(jiǎn)單、無(wú)需設(shè)置地網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決目前大量存在的電氣安全隱患，特別適用于不良接地條件下小型通信設(shè)施的保護(hù)。表2列舉了傳統(tǒng)有效接地方式和隔離浮地方式在工程建設(shè)過(guò)程中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，比較兩者方案，隔離+浮地方式雖然增加了部分設(shè)備成本，但是后期施工和維護(hù)成本大幅度減少，并且安全裕度較高。因此，如何更加經(jīng)濟(jì)有效地應(yīng)用該新技術(shù)還需要在運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商之間取得共識(shí)。

表2 傳統(tǒng)有效接地方式和隔離浮地方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

5 結(jié)束語(yǔ)

“隔離+浮地“保護(hù)方式是針對(duì)不良接地條件下的小型通信設(shè)施，并結(jié)合其功率小、體積小、遭受直擊雷風(fēng)險(xiǎn)低等特點(diǎn)而專項(xiàng)研發(fā)的一種防雷新技術(shù)，從試驗(yàn)及大量應(yīng)用情況來(lái)看，該新技術(shù)是一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的防雷和電氣安全解決方案，并在各項(xiàng)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中得到了應(yīng)用。筆者也期望該項(xiàng)新技術(shù)能夠在研究、標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化方面進(jìn)一步向前推進(jìn)，在5G基站建設(shè)中得到更為廣泛的應(yīng)用。