1 引言

我國通信系統(tǒng)設(shè)備防雷的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該說已經(jīng)很全面和規(guī)范了，但有我們通信機(jī)房和設(shè)備每年為何還至少有上萬次的雷擊故障頻頻發(fā)生呢？造成如此大損失的根源究竟在哪里呢？為此本文通過對一系列的典型雷擊故障案例進(jìn)行了較詳細(xì)的分析和說明，提出了相應(yīng)的對策和建議。

2 雷電對我國通信機(jī)房的危害的基本情況

近年來隨著通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，我國已經(jīng)建成了大量的IDC機(jī)樓和數(shù)百萬個(gè)基站，然而由于設(shè)計(jì)和施工單位對機(jī)房和基站的防雷措施施工不夠規(guī)范，造成雷擊的故障依然不斷地發(fā)生，四大運(yùn)營商（包括鐵塔）每年遭受雷擊的故障達(dá)到了萬次以上，對我通信設(shè)備造成了極大的損失。經(jīng)對具有代表性的廣東、湖南、湖北等十個(gè)省市的通信機(jī)樓、IDC機(jī)房、移動(dòng)基站雷擊故障原因分析，發(fā)現(xiàn)雷擊的主要原因還是由于施工質(zhì)量不夠規(guī)范所引起，每次都能從雷擊故障案例中找到施工不合格、不規(guī)范的問題，對此我們不能不引起足夠的重視。

3 施工不規(guī)范是造成通信設(shè)備雷擊的主要原因

經(jīng)過對大量的雷擊通信設(shè)備的故障調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)在每個(gè)雷擊故障案例中都能找到施工質(zhì)量不合格和施工不規(guī)范的影子和薄弱環(huán)節(jié)，都能從中找到雷擊的直接或間接原因。若施工質(zhì)量不合格和不規(guī)范，即使是把通信設(shè)備安裝到全金屬結(jié)構(gòu)的集裝箱式機(jī)房內(nèi)，也仍然免不了被雷擊的嚴(yán)酷事實(shí)，因此施工質(zhì)量的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)才是杜絕和減少雷擊故障的根本原因。

3.1 避雷器施工不規(guī)范引起的雷擊

3.1.1 避雷器欠缺所引起的雷擊

某分公司某大型A級樞紐通信大樓IDC數(shù)據(jù)機(jī)房位于17層大樓的中間位置11樓層，于2015年6月10日19時(shí)IDC機(jī)房發(fā)生第9列電源機(jī)柜B路A相電源被雷擊，同時(shí)B路空開及上端UPS空開跳閘外，發(fā)生UPS系統(tǒng)掉電故障，對應(yīng)的UPS輸出也跳閘，直接影響客戶近200多臺服務(wù)器工作異常。本次雷擊故障發(fā)生時(shí)，據(jù)維護(hù)人員反映，當(dāng)時(shí)機(jī)房附近天空電閃雷鳴，雷電十分強(qiáng)烈。造成IDC機(jī)房雷擊故障歷時(shí)約1小時(shí)，雷擊設(shè)備故障引起客戶對該運(yùn)營商的技術(shù)服務(wù)能力和機(jī)房設(shè)施環(huán)境提出質(zhì)疑和投訴。后經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查和分析，確定由于缺少B級電源避雷器，結(jié)果造成后面的UPS系統(tǒng)和機(jī)架電源被雷擊。

3.1.2 電源避雷器SPD引線過長的問題

根據(jù)某省移動(dòng)公司對遭受雷擊基站的電源避雷器SPD的普查，SPD的連接線（包括相線、中性線和接地線）長度統(tǒng)計(jì)，引線長度大于1 m的雷擊故障數(shù)占到88.39%，引線長度小于1 m的僅占到11.61%，如表1所示。

說明電源避雷器SPD引線長度對雷擊影響很大。因?yàn)槔纂娏魇歉哳l電流，在浪涌電流為I=1 kA、di/dt=100 A/μs時(shí)，在2.5 mm2導(dǎo)線上的電壓降為134.5 V；若導(dǎo)線長度為10 m時(shí)，導(dǎo)線上的壓降就為1 805.4 V；而雷電流在導(dǎo)線的感抗上的壓降是電阻壓降的約20倍！若雷電流幅值為10 kA、20 kA時(shí)，1 m長的引線上的壓降就為數(shù)千伏之高！可見電源SPD的連接線對SPD防雷效果的影響之大。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，模塊式電源避雷器SPD應(yīng)盡量安裝在被保護(hù)的設(shè)備內(nèi)，若確實(shí)無法安裝時(shí)，可使用箱式SPD，并安裝在被保護(hù)設(shè)備附近的墻上或其它地方，但其電源引線和接地引線均不應(yīng)超過1 m，且接地引線盡量避免與電源線緊挨平行布放，越短直越好。而且許多通信局站在安裝電源避雷器SPD時(shí)根本就不注意其連接線長度的問題，在查勘被雷擊很嚴(yán)重的通信局站時(shí)，甚至發(fā)現(xiàn)有的電源避雷器SPD的引線長度達(dá)20 m左右的，這樣的電源避雷器還能起到防雷作用嗎？

表1 某省基站電源SPD接地線長度對雷擊影響的統(tǒng)計(jì)表

3.1.3 信號避雷器欠缺引起的雷擊故障

某分公司動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)屢屢發(fā)生雷擊故障，每次動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)廠家維護(hù)人員過來處理故障都要收取數(shù)千元的費(fèi)用，維護(hù)人員為此頭疼不已。據(jù)維護(hù)人員反映，所有動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的前端采集器也都全部安裝了信號避雷器，但后來經(jīng)過現(xiàn)場詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)其它采集器都按設(shè)計(jì)要求安裝信號避雷器，但唯有該信號采集器沒有安裝信號避雷器，后來補(bǔ)安裝了該數(shù)據(jù)采集器的信號避雷器后，再也沒有發(fā)生過類似的雷擊故障現(xiàn)象。

3.1.4 數(shù)據(jù)信號避雷器安裝不規(guī)范所引起的雷擊故障

某運(yùn)營商在某市新建的大型IDC機(jī)樓的消防系統(tǒng)屢屢被雷擊，后來發(fā)現(xiàn)該消防監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)安裝了20多個(gè)24 V直流電源的485數(shù)據(jù)信號避雷器，但在安裝這24 V直流電源485數(shù)據(jù)信號避雷器時(shí)卻沒有安裝這些24 V直流電源485數(shù)據(jù)信號線避雷器的地線，導(dǎo)致這些24 V直流電源485數(shù)據(jù)信號線避雷器形同虛設(shè)，跟本起不到避雷的作用，才導(dǎo)致該IDC機(jī)樓的消防監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)屢屢被雷擊故障現(xiàn)象。如圖1所示。

圖1 消防監(jiān)控主機(jī)485數(shù)據(jù)電源線24 V直流避雷器全部未接地

3.2 地線系統(tǒng)施工不規(guī)范

3.2.1 室內(nèi)天饋線防雷地線和工作地混接引起的雷擊故障

圖2 基站天饋線地線與設(shè)備保護(hù)地線及直流工作地線都匯接在一起

3.2.2 室外總地線引線不規(guī)范引起的雷擊故障

某運(yùn)營商為了防雷，將基站直接建在全金屬集裝箱式建筑物內(nèi)，但依然頻頻遭遇雷擊，該基站內(nèi)的直流開關(guān)電源共有四個(gè)整流模塊、無線設(shè)備主控板、數(shù)據(jù)接口等部位都多次遭到嚴(yán)重的雷擊故障，該基站電源為市電三相四線制輸入，交流市電總輸入側(cè)安裝了某品牌C級電源避雷器（通流容量為40 kA）無損壞，且該C級電源避雷器的雷電計(jì)數(shù)器無任何雷電入侵歷史記錄，開關(guān)電源監(jiān)控模塊的故障及歷史記錄事件也很清晰、無任何異常，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置也無異常事件發(fā)生和告警信息，開關(guān)電源輸入端安裝有通流容量為20 kA的D級電源避雷器一套。且維護(hù)人員反映，當(dāng)空中打雷時(shí)會(huì)在該全金屬集裝箱式機(jī)房機(jī)殼上會(huì)感應(yīng)出很高的感應(yīng)電壓，維護(hù)人員都不敢碰觸全金屬結(jié)構(gòu)的集裝箱式基站金屬外殼。

現(xiàn)場調(diào)查，該基站的機(jī)房內(nèi)的所有地線系統(tǒng)都連接到一個(gè)總地線排上面，而該地線排用一條95 mm2的電纜連接到鍍鋅扁鐵上面后，再引出到室外與鐵塔和天饋線地線一起引入到大地地網(wǎng)中，見圖3所示。這樣當(dāng)鐵塔和天饋線地線系統(tǒng)將雷電流引入大地后還未下地就直接流入到室內(nèi)總地線排的鍍鋅扁鐵地線上面，直接沿著95 mm2的地線電纜“倒灌”進(jìn)入到室內(nèi)總地線排上，再沿著室內(nèi)開關(guān)電源D級避雷器的地線進(jìn)入到開關(guān)電源整流模塊、并打壞開關(guān)電源整流模塊后再沿著開關(guān)電源直流電源進(jìn)入到基站設(shè)備系統(tǒng)之中，打壞無線設(shè)備主控板、數(shù)據(jù)接口等部位。

由于室外鐵塔和天饋線地線”倒灌”引入的雷電流進(jìn)入到室內(nèi)的總地線排上面后就直接沿著開關(guān)電源的D電源避雷器地線流入了開關(guān)電源的正極，并打壞了開關(guān)電源整流模塊和其它無線設(shè)備，而C級電源避雷器的通流容量比D級電源避雷器容量大了整整一倍，且雷電流在C級電源避雷器處也是方向相反的雷電電流，因此根本就沒有起到防雷的作用，因此盡管C級電源避雷器就沒有任何的雷擊的記錄而開關(guān)電源卻遭到雷電損壞也在情理之中了。

圖3 室內(nèi)總地線與鐵塔和天饋線地線在地網(wǎng)同一地點(diǎn)相連通

由于該機(jī)房地線系統(tǒng)沒有把設(shè)備機(jī)殼保護(hù)地線、直流工作地、避雷器保護(hù)地以及天饋線走線架保護(hù)地等實(shí)行三種地線未分開布放，因此當(dāng)雷電擊中鐵塔后，雷電流就直接可以沿地線系統(tǒng)直接”倒灌”到開關(guān)電源模塊上面，而電源避雷器上就根本起不到泄放雷電的作用，因此SPD電源避雷器的記錄始終還為“0”次，開關(guān)電源監(jiān)控模塊的故障及歷史記錄事件清晰、無異常，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置也無異常事件和告警，而通信電源模塊和相關(guān)通信設(shè)備則被雷擊嚴(yán)重?fù)魤?，此外由于集裝箱基站也全部都是全金屬結(jié)構(gòu)，且地線也全部都連接在一起，因此全金屬結(jié)構(gòu)的電位也很高，當(dāng)空中打雷時(shí)會(huì)在該全金屬集裝箱式機(jī)房機(jī)殼上感應(yīng)出很高的靜電感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電壓，維護(hù)人員就碰觸全金屬結(jié)構(gòu)的集裝箱式基站金屬外殼時(shí)，電壓就當(dāng)然很高而不敢接近了。

由此可見，若不按照相關(guān)規(guī)范和要求去做，即使把通信設(shè)備安裝到全金屬結(jié)構(gòu)的集裝箱式機(jī)房內(nèi)也會(huì)遭受嚴(yán)重的雷擊故障，可見防雷措施的施工質(zhì)量何等重要。

3.3 電力電纜違規(guī)架空引入

根據(jù)規(guī)范的相關(guān)要求，進(jìn)入通信機(jī)房和基站的電力電纜要改為進(jìn)局電力電纜，然而有些通信局站還是架空電力電纜引入，造成基站雷擊的安全隱患，表2是某省移動(dòng)公司在一年中被雷擊基站的電力電纜的布放方式比較。

由此可見，基站的絕大部分雷電基本都是由架空電力電纜所引入。由于當(dāng)電纜在進(jìn)入機(jī)房之前埋地的話，電纜的金屬護(hù)層是接地的，它有非常好的屏蔽作用；另外電纜的金屬護(hù)層還可以在纜芯線上感應(yīng)出與雷電流方向相反的感應(yīng)縱電動(dòng)勢，大大抵消了電纜芯線上的雷電流，這是直埋電纜雷害少的根本原因，也是要求金屬護(hù)層接地本質(zhì)所在。

表2 某省移動(dòng)公司被雷擊基站電力電纜布放方式統(tǒng)計(jì)表

3.4 基站防直擊雷與設(shè)備接地地線間距過短問題

基站鐵塔遭直擊雷概率高，為防止直擊雷入地后反擊到設(shè)備上，基站設(shè)備接地系統(tǒng)的地線入地點(diǎn)與直擊雷地線入地點(diǎn)必須要保持一定間距，一般要求建議保持至少3～5 m間距以上。據(jù)某省移動(dòng)公司在一年當(dāng)中對遭雷擊的移動(dòng)基站統(tǒng)計(jì)，有很大比例站點(diǎn)（60%以上）未滿足這個(gè)要求。若這二種地線之間的間距太小時(shí)，就會(huì)有直擊雷入地的雷電流就會(huì)反擊到基站直流電源的正極和設(shè)備外殼上面，從而擊害通信設(shè)備和對人身造成傷害。在以往我們查勘遭受雷擊的局站內(nèi)，有的甚至將室內(nèi)工作地和電源避雷器SPD的地線共點(diǎn)連接，危險(xiǎn)性更大。

3.5 施工質(zhì)量和工藝問題

施工質(zhì)量和施工工藝不合格也是造成雷擊通信設(shè)備的很重要的原因。某通信基站被雷電嚴(yán)重?zé)龤械碾娫茨K，經(jīng)我們現(xiàn)場自己檢查，發(fā)現(xiàn)由于施工單位在施工時(shí)，將連接電源避雷器零線末端的塑料層剝離得不夠長，用螺絲固定連接時(shí)，螺絲沒有直接接觸到連線的金屬銅芯線上，而是壓接在連接導(dǎo)線的塑料層上面，將塑料外護(hù)層壓了個(gè)深深的螺絲頭印。這雖然看起來是很小很小的一個(gè)問題，但實(shí)際上所造成的防雷效果是比不安裝電源避雷器SPD要嚴(yán)重許多倍！因?yàn)榧词共话惭b電源避雷器SPD，電源的相線、零線和地線彼此之間的所感應(yīng)的雷電壓差還不是很大，但若像此案例，等于相線下地了，而零線卻浮空了，這之間產(chǎn)生的雷電壓就是原來的數(shù)倍、數(shù)百倍！所以這樣安裝的電源SPD不但起不到防雷作用，反而是數(shù)倍增加了雷擊通信電源的概率。

4 結(jié)語

我國是雷電活動(dòng)比較多的國家和地區(qū)，每年都會(huì)有大量通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備遭受雷擊破壞，尤其近年來，我們大力建設(shè)的IDC數(shù)據(jù)機(jī)房和基站數(shù)量不斷增加，對我國通信所造成的危害和損失日益嚴(yán)重。教訓(xùn)也是深刻的，我們每年那么多的雷擊故障，其實(shí)都是可以避免，至少可以大幅度地減少，甚至完全可以避免的，其根本的原因就是在于在施工建設(shè)過程當(dāng)中，沒有嚴(yán)格按照規(guī)范去設(shè)計(jì)和施工所造成的。

為此建議我們通信企業(yè)在通信工程建設(shè)過程中，在工程設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)理過程中，一定要嚴(yán)格把關(guān)，嚴(yán)格相關(guān)的國標(biāo)、行標(biāo)來施工和建設(shè)，同時(shí)在工程驗(yàn)收過程中，也要嚴(yán)格把關(guān)，不放過每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，尤其是隱蔽工程，更應(yīng)該在施工期間就把好關(guān)，確保施工質(zhì)量，可以達(dá)到事半功倍的效果，否則就可能留下雷擊故障的隱患。

1 YDT 1821-2018《通信中心機(jī)房環(huán)境條件要求》