變電站通信機房防雷方案
1. 概述
變電站通信系統(tǒng)主要分通信電源、光傳輸設備、接入設備、無線通信設備、環(huán)境檢測、監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)路設備等。由通信設備承載企業(yè)的核心業(yè)務，重要性較高，一般根據(jù)TIA942標準的Tier4和Tier3標準建設，可靠性要求99.999％以上，以保證大部分異常故障和正常維護情況下正常工作，核心業(yè)務不受影響。
當變電站機房所在的建筑物附近出現(xiàn)雷雨云時，雷電通過數(shù)據(jù)中心機房內建筑物頂部的接閃器等泄放雷電流時，也會在內部的計算機及其它設備的電源和網(wǎng)絡系統(tǒng)中產(chǎn)生感應雷電流，導致設備的損壞。
雷電的表現(xiàn)形式主要有兩種：
一種是直擊雷，是指帶電云層與大地上某一點之間發(fā)生迅猛的放電現(xiàn)象。直擊雷威力巨大，雷電壓可達幾萬伏至幾百萬伏，瞬間電流可達十幾萬安，在雷電通路上，物體會被高溫燒傷甚至融化。通常在建筑物頂部安裝避雷針或避雷網(wǎng)等來防直擊雷。
另一種是感應雷，是指當直擊雷發(fā)生以后，帶電云層迅速消失，而地面上某些范圍由于散流電阻大，以致出現(xiàn)局部高電壓，或者由于直擊雷放電過程中，強大的脈沖電流對周圍的導線或金屬物因電磁感應而產(chǎn)生高電壓以致發(fā)生閃擊的現(xiàn)象。
當今社會電子計算機技術、微波通信技術日益發(fā)展，各類電子設備大量應用，雷擊電感應到附近的導體中形成過電壓，可高達幾千伏，對微電子設備的危害極大。LEMP（雷電電磁脈沖）的主要侵入通道有電源線路、各類信號傳輸線路、天饋路線和進入系統(tǒng)的管、纜、橋架等導體侵入設備系統(tǒng)，造成電子設備失效或永久性損壞。因此，雷擊電磁脈沖的防護是在入侵通道上將雷電流泄放入地，從而達到保護電子設備的目的。其主要方法是采用隔離、等位、鉗位、均壓、濾波、屏蔽、過壓過流保護、接地等方法將雷電過電壓、過電流及雷擊電磁脈沖消除在設備外圍，從而有效地保護各類設備。目前主要采用氣體放電管、放電間隙、高頻二極管、壓敏電阻、瞬態(tài)二極管、晶閘管、高低通濾波器等元件根據(jù)不同頻率、功率、傳輸速率、阻抗、駐波、插損、帶寬、電壓、電流等要求，組合成電源線、天饋線、信號線系列電涌保護器（SPD）安裝在微電子設備的外連線路中，地線按共同接地原則接入系統(tǒng)的地線，才不至于造成地位反擊。只要設計合理、安裝合格，電涌保護器就能有效的防御雷電。
雷電干擾的入侵路徑：
常見的雷電干擾的入侵途徑及原因
· 當建筑物本身受雷電直擊時，和建筑物連接的金屬導體包括建筑物鋼筋與地極之間產(chǎn)生瞬時電位差，構成摧毀電子設備之沖擊過電壓。并且經(jīng)下引線流過的大量電流，亦產(chǎn)生磁場沖擊波。
· 當遠端的導線因雷電而產(chǎn)生感應電壓會由遠端經(jīng)導線傳導過來。
· 當云層間放電時，強大的電磁沖擊會在鄰近的地上金屬導線感應出沖擊電壓，并且磁場沖擊會漫延到地上的建筑物。
· 另外，內部操作過電壓，如變壓器的空載，電機的啟動，開關的開啟等，也能引起強大的脈沖沖擊電流通過線纜引入，破壞電子設備。
由感應雷引起的事故約占雷害事故的80%至90%。針對感應雷的破壞途徑，我們可采取接地、分流、屏蔽、均壓等電位等方法進行有效的防護，以保證人身和設備的安全。
因此機房內部通過電源、網(wǎng)絡和通訊線路相連接的自動化、計算機系統(tǒng)設備期望通過較為傳統(tǒng)的方法即安裝避雷針以及前端強電避雷設備避免感應雷擊的事故是不可能的，其作用是不充分的。只有針對感應雷擊損壞設備的特性，采用防范感應雷擊的解決方法，才能避免雷電對設備的侵襲。
由于感應雷產(chǎn)生的途徑有許多種，在距離帶電雷雨云較近所有的金屬回路中均會產(chǎn)生破壞性的可能，只是有些的雷電過電壓較小，不會對設備產(chǎn)生明顯的破壞力而已，但過電壓的存在對設備的長期使用的壽命必然產(chǎn)生影響，因此感應雷防范的難度遠大于直擊雷的防范，而且所需要投入的費用也高于直擊雷的防護。
因此作為機房全面的防護方案，必須充分考慮其設備遭受感應雷侵襲并發(fā)生事故的可能性，根據(jù)感應雷的特性，加以專項的防護，才能做到充分的防護。
從可能引雷的三條途徑：電源系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)和通訊線路。針對計算機網(wǎng)絡設備和通訊的特性、需要的防雷等級程度，選用性價比合適的防雷產(chǎn)品，做到以合理的價格達到充分的防護。確保設備對直擊雷和感應雷以及線路操作過電壓的全面防護。
欲使設備得到很好的保護，首先應對其所處的環(huán)境、受雷電影響的程度作出客觀的估計，因它與出現(xiàn)過電壓的幅值、概率、網(wǎng)絡結構、設備抗電壓能力、保護水平和接地等有關；防雷工作應作為一項系統(tǒng)工程來考慮，強調全面防護（包括建筑物、傳輸線路、設備和接地等），綜合治理，且要做到科學、可靠、實用和經(jīng)濟。針對感應雷瞬時能量較大的特點，根據(jù)IEC國際標準對能量逐級吸收的理論，及防護區(qū)間量級分類的原則，需要做多級防護。
采用避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)等可防止和減少雷電對建筑物、人身和居室造成的危害。但已有大量事實證明：在安裝了這些避雷裝置的室內，計算機設備、通訊網(wǎng)絡及微電子器件在雷擊時，卻仍然會遭受不同程度的損害。對此，科學家通過進一步的分析，已經(jīng)找到了其中的原因所在。
直接擊中建筑物的雷電稱之為“直擊雷”。避雷針等裝置可將“直擊雷”產(chǎn)生的高電壓、強電流迅速引入大地，消除雷擊的影響，從而起到保護設施的作用。然而，雷擊放電時在空中會產(chǎn)生強大的電磁場，使周圍的金屬導體因“電磁感應”而帶上很高的電壓，另一方面雷擊入地點在瞬間會產(chǎn)生“地電位反擊”，電位迅速抬高，影響其它接地設備的安全。這些由雷電引起的感應現(xiàn)象稱為“感應雷”，同樣具有強烈的破壞作用。
雖然在避雷針的保護范圍內，物體可免遭直接雷擊，但“感應雷”可在電力、通信、網(wǎng)絡、衛(wèi)星天線及有線電視等線纜上產(chǎn)生高壓感應和電流“浪涌”，并通過導線引入配電間、機房、辦公室和住宅等，使電源、通訊及電子設備不可避免地受到損害。因此，防止這些現(xiàn)代社會的雷害顯得十分緊迫和必要
2. 雷害的防護措施
為了保護建筑物和建筑物內各類設備不受雷電損害或使雷擊損害降到最低程度，現(xiàn)在都采取綜合防雷。綜合防雷設計方案應包括兩個方面：直接雷擊的防護和感應雷擊的防護，缺少任何一方面都是不完整的、有缺陷的和有潛在危險的。
2.1 直雷擊的防護
主要使用避雷針、網(wǎng)、帶及良好的接地系統(tǒng)，其目的是保護建筑不受雷擊的破壞，給建筑物內的人或設備提供一個相對安全的環(huán)境。
該部分通常變電站在建設時都已建置，通常無需考慮。
2.2 感應雷的防護
目前，通信設備受到雷電感應高壓損壞主要途徑有二種：
輻射性的感應雷擊是強雷電磁場通過輻射或感應造成設備損壞。
由供電線路、信號線路和控制線路等由各種線路傳導進來的感應雷電高壓脈沖損壞電子設備的。
因此采取的相應措施為：
· 采取電磁屏蔽措施。
· 安裝浪涌保護器，包括供電系統(tǒng)和信號系統(tǒng)。
· 等電位處理。
· 良好接地。
3. 通訊系統(tǒng)防雷設計方案
通訊系統(tǒng)防雷是一項綜合性工程，主要包括外部防雷和內部防雷兩個方面:
外部防雷：避雷針、避雷帶、引下線、接地極等等，其主要的功能是為了確保建筑物本體免受直擊雷的侵襲，將可能擊中建筑物的雷電通過避雷針、避雷帶、引下線等，泄放入大地。
內部防雷：系統(tǒng)是為保護建筑物內部的設備以及人員的安全而設置的。主要以空間屏蔽、等電位連接、減少接近耦合、過電壓保護等措施，通過在需要保護設備的前端安裝合適的避雷器即過電壓保護，使設備、線路與大地形成一個有條件的等電位體。將可能進入的雷電流阻攔在外，將因雷擊而使內部設施所感應到的雷電流得以安全泄放入地。
設計依據(jù)：
1) IEC61024《建筑物防雷》
2) IEC61312《雷電電磁脈沖的防護》
3) ITU K25《光纜的防雷》
4) ITU K27《電信大樓內的連接結構和接地》
5) GB50057-94《建筑物防雷設計規(guī)范》
6) GB50174-93《電子計算機機房設計規(guī)范》
7) GB50200-94《有線電視系統(tǒng)工程技術規(guī)范》
8) GB50198-94《民用閉路監(jiān)視電視系統(tǒng)工程技術規(guī)范》
9) GB/T50311-2000《建筑與建筑群綜合布線系統(tǒng)工程設計規(guī)范》
10) YD2011-93《微波站防雷與接地設計規(guī)范》
11) YD5078-98《通信工程電源系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》
12) XQ3-2000《氣象信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護規(guī)范》
屏蔽 :在主機房，將所有的金屬門窗與天花龍骨多次連接，用作電磁屏蔽。
通過對機房設備的信號線、電源線全方面防雷保護，使設備在雷擊產(chǎn)生時確保安全可靠的運行。注：防雷器安裝在離被保護設備距離越近越好。
◆ 第一級電源防雷：
根據(jù)國家有關低壓防雷的有關規(guī)定，外接金屬線路進入建筑物之前必須埋地穿金屬管槽15米以上的距離進入建筑物，且要在建筑物的線路進入端加裝低壓避雷器。必須做到在電源的進入端安裝低壓端的總電源防雷器，將由外部線路可能引入的雷擊高電壓引至大地泄放，以確保后接設備的安全。
作為系統(tǒng)電源進線端的主級防雷器，在雷擊多發(fā)地帶至少應有100-160KA的通流容量，可將數(shù)萬甚至數(shù)十萬伏的雷擊過電壓限制到數(shù)千伏，防雷器可并聯(lián)安裝在辦公樓的總配電柜內的電源進線處或配房低壓輸出端。
【具體措施】
配電房低壓輸出端并聯(lián)安裝壹套B級電源防雷箱，用于機房整體設備的電源第一級的防雷初級保護。或采用電源防雷模塊，并聯(lián)安裝在配電房低壓輸出端。
注意：上述部分變電站往往已經(jīng)具備，可根據(jù)具體情況選配。
◆ 第二級電源防雷
通信電源、逆變電源、UPS電源防雷器，對通過電源初級防雷器的雷電能量進一步泄放，可將幾千伏的過電壓進一步限制到1點幾千伏，雷電多發(fā)地帶需要具有40KA的通流容量，防雷器可并聯(lián)安裝在UPS處。
【具體措施】
在通信電源、逆變電源、UPS等電源總進線處，并聯(lián)安裝一套電源二級防雷箱用于中心機房內設備的電源第二級防雷保護。或采用電源防雷模塊。
◆ 第三級防雷系統(tǒng)
第三級防雷即用電設備的末級防雷，這也是系統(tǒng)防雷中最容易被忽視的地方，現(xiàn)代的電子設備都使用很多的集成電路和精密的元件，這些器件的擊穿電壓往往只是幾十伏，最大允許工作電源也只是mA級的，若不做第三級的防雷，由經(jīng)過一二級防雷而進入設備的雷擊殘壓仍將有千伏之上，這將對后接設備造成很大的沖擊，并導致設備的損壞。作為第三級的防雷器，要求有10KA以上的通流容量。
單相的用電設備，可以選用模塊式電源防雷器并聯(lián)安裝在機房通信電源等進線端或采用插座式防雷器串聯(lián)在設備前端作為第三級電源防雷器，其目的是將雷電及其他浪涌電壓限制到對設備沒有損害的水平，特別是對日常天天發(fā)生的電源系統(tǒng)操作過電壓、電源高次諧波等具有限制和保護作用，可以延長設備的正常使用壽命，減少運行維護成本。
【具體措施】
在通訊機房內重要設備電源進線處, 串聯(lián)安裝電源第三級插座式防雷器用于重要機房內設備的電源末級防雷保護。
◆機房其它設備的防雷保護
1) 電話線與ADSL：采用音頻信號防雷器，串接在電話機、ADSL前端電話線處，安裝方便，易維護。配線架防雷采防雷排保護器。
2) 網(wǎng)絡線：采用RJ45防雷器。
3) 控制類：采用串口防雷器。
4) 同軸類：采用同軸防雷器。
5) 天饋類：采用同軸防雷器。
6) 視頻類：采用視頻線防雷器。
