信息產業部郵電設計院 劉吉克
摘要 根據對廣東、浙江、江蘇、山東、福建等省份接入網遭雷擊情況的調查表明，由于接入網站環境條件惡劣，站內用戶板、主總線板、子總線板、系統主控板、2Mb/S接口和電源模塊容易遭受雷擊的損壞，特別是當移動通信基站與接入網站共站時，接入網遭受雷擊的概率更高，雷擊造成接入網設備損壞事故95%是雷電過電壓引起的，因此對接入網雷電過電壓的保護就更為重要。本文從接入網的事故分析作引導，著重論述接入網站的防雷接地問題。
關鍵詞：接入網 雷電 概率 防雷 接地
接入網站作為市話通信的補充，主要解決郊區、鄉鎮、農村的市話通信問題，由于投資所限、地理環境的影響，通常采用當地鄉村民用建筑物作為機房，一般而言，建在郊外或農村與地處雷暴強度較強、雷暴日較多通信局（站）雷擊事故概率較大，雖然接入網投資較少，但雷電過電壓的保護等級卻反而比大型的局站要求更高，另外接入網的雷電過電壓保護，各級防護器件是相輔相成的，互相影響的，此時用以局部防護的過電壓器件不能有效的發揮其防護性能，另外接地系統如果處理不完善，將直接影響接入網的整體防護。
1接入網設備遭受雷擊事故損壞情況
近年來通信局（站）的雷擊事故有不斷上升的趨勢，原來很少雷擊的省份，每年雷雨季節通信局（站）也不時的有雷擊損壞通信設備的發生。這主要是精密、高度集成化的通信設備和其控制電路，對雷電的敏感度反映越來越強，而其耐受雷電感應的能力越來越差的緣故所致。另外還有一個重要原因，隨著通信事業的進一步發展，從城市到鄉村通信業務的開拓，站址的各類環境因素越來越差。從接入網站雷擊事故的分析可以得出一個結論：雷擊造成接入網設備的損壞，多是由感應雷引起的雷電流致使站內電力線、電源設備，以及與外界有線纜聯系的信號電路及接口設備損壞。
1） 山東電信某局在一個地區多個接入網站，2001年8月，其中3個接入網站分別遭受雷擊，電源模塊全部被擊壞，3個站都是利用鄉鎮的農民平房作為機房，房間附近沒有高大建筑物，MDF架和接入網設備在一個小房間內，供電直接采用房內電源，電源入線端采用單相B級雷電過電壓保護器(SPD)，接入網機架內的開關電源模塊配有通流能力為8/20μS波形3kA的SDP全部被擊壞（該問題河南、江蘇電信公司的接入網站也經常發生）。
2） 深圳電信公司的接入網站分布在市內和城鄉的各居民小區，接入網選用不同的廠家的設備，其中利用城市小區建筑物內的房間作為機房（一般是用地下室和一層房間），環境條件還是比較好的，雖然有的站點安裝了B級SPD，開關電源輸入端采用通流容量為40kA的SPD，但電源模塊和接入網用戶單元接口還是遭受雷擊 。
另外接入網設備遭受雷擊時經常系統不能工作（軟件出現問題，系統吊死），（該問題浙江電信公司的接入網站也經常發生）。
3） 福建電信公司某局使用了大量的接入網設備，其部分接入網站接入網設備和移動通信基站設備共用機房，移動通信基站的機房建立在鐵塔四角之下，一般機房供電都有專用變壓器（除了單一接入網設備的機房），接地采用鐵塔的環行接地體，變壓器低壓側無SPD，380V低壓電纜引入機房后，在總配電箱入口處，個別站安裝了50kA的SDP箱，開關電源內安裝了通流容量40kA的SPD，接入網自安裝之日就頻繁這是雷擊，雷擊損壞嚴重時，機架上的所有機框內的電路無一幸免，每年設備損失嚴重。
2000年7月16日在泉州惠安、永春對安裝 接入網設備的尾山、紫山、風浦、南星、長安五個站進行了雷害事故調查，其中尾山、紫山、風浦、長安站屬于AN接入網設備與移動通信基站合用的站，而南星僅有AN接入網設備。從調查情況看：AN接入網設備所在的局（站），其防雷系統對于移動通信基站一般可以起到不完善的保護，但對于有出入局（站）的有線設備講，原有的保護措施遠遠滿足不了接入網設備的保護。移動通信基站和農村民用建筑作為AN接入網系統的站址來講，環境太差，這主要是投資理念、服務對象、環境因素、人為因素所造成。
例如：2000年7月16日福建尾山站，上午剛剛勘測了改造方案，下午5時該站遭受雷擊，雷擊損壞機架內主總線板（MBAM）1塊、子總線板（EBAM）兩塊、系統主控板（SCM）2塊、E1 板1塊、用戶（FXS）板48塊（其中14塊各別端口損壞，34塊端口指示燈長亮或不停閃爍）、MCU、直流分配板（PDP）3個熔絲燒短、傳輸單元（OMUX） 。
同一天晚上，福建南安有3個站遭受雷擊，其中2個站吊死，經斷電后重新啟動后恢復；另一個站雷擊損壞SCM 板1塊，FXS板5塊。
另外同一個地區的紫山、南星站的雷擊事故，主要是由于雷電侵入配電系統造成電源設備或者雷電過電壓保護器（SPD）損壞，其中紫山總配電箱處第一級50kA的SPD箱和開關電源內安裝的40kA的SPD都有一相被擊壞；南星站（站址利用小學教室，沒有和移動通信基站共站）的電源模塊被擊壞。
2 移動通信基站與接入網合建機房接地概述
3 典型接入網站的供電方式及SPD的安裝要求
供電方式不同，SPD的安裝方式要求也不同，對于通信局（站）的供電方式，信息產業部標準《通信局（站）電源系統總技術要求》規定了“縣以上城市各種通信局（站）宜采用10kV高壓市電引入，并采用專用降壓變壓器供電”的條款，這就規定了通信局（站）的配電方式采用TN系統；但又規定了“當通信局（站）引入高壓電有困難或投資較大時可采用220/380V低壓市電引入”，即通信局（站）的配電方式也可采用TT系統融通方式。
1） TT系統
接入網和模塊局供電方式一般是TT系統，而且縣支局和接入網站電力負荷要求非常小，一般站的電力負荷電流僅30A以下，這樣小的負荷量，模塊局和接入網站選擇了220/380V低壓市電引入的供電方式。TT系統第一個字母T也表明系統接地是直接接大地，其第二個字母T表明用電設備外殼的保護接地是經PE線接單獨的接地板直接接大地，它與電源中的N線線路和系統接地毫無關連。
2）．TT系統對安裝SPD的要求
IEC 60364－5－534標準推薦TT系統SPD使用3+1的安裝方式。TT系統除電源中性點外，N線自始至終都是與地絕緣的，因此N線上也需裝設間隙型SPD，即三相四線TT系統內需裝設3個由MOV組成的限壓型SPD和一個間隙型，這就是通常稱之為3+1的安裝模式（單相兩線TT系統內需裝一個由MOV組成的限壓型SPD和一個間隙型SPD）。另外該3+1的模式不但能滿足TT供電方式的需要，也同時能滿足TN系統的需要。
4接入網配電系統的雷電過電壓保護要求
對于每一個通信局（站）采用統一的防雷措施既不經濟、又不合適，另外還有一個重要的原則，通信局（站）的雷電過電壓保護設計必須是建立在聯合接地基礎上。因此接入網站的防雷與雷電保護，并非是簡單的接地或者單一的雷電過電壓保護器件應用，而是根據接入網所在地區、地理環境、建筑物的形式、供電方式、雷暴強度及雷暴日的大小、來確定接入網站的雷電保護措施和方法。
低壓電力電纜引入機房入口處（在交流穩壓器或交流配電屏前），TN系統相線及中性線應分別對地加裝限壓型SPD，TT系統相線對中性線加裝限壓型SPD、中性線對地加裝間隙型SPD，由于接入網站供電方式大都采用TT系統，因此SPD的安裝方式應采用3+1方式（3+1方式既符合TT系統的要求，又能滿足TN系統的需要）。
建在鄉鎮和農村，地處多雷區以上，與移動通信基站共用機房的接入網站，在電力室入口處的總配電箱應安裝沖擊通流容量標不小于100kA的3+1限壓型SPD；由于在該地區電力供電電壓波動較大，SPD的最大持續工作電壓應采用385V，接入網設備的直流輸入端應加裝 –48V SPD。
建在縣城和郊區，僅為接入網站時，在機房入口的總配電箱處，地處中雷區的接入網站應安裝于沖擊通流容量不小于60kA的3+1限壓型SPD；地處多雷區、強雷區的接入網站應安裝沖擊通流容量不小于80kA的限壓型SPD，并且接入網設備的直流輸入端應加裝 –48V SPD。
SPD的沖擊通流容量
上述要求中提到的SPD沖擊通流容量要求是（kA）/每線的指標。例如沖擊通流容量不小于80kA的限壓型SPD ，表示為80kA/每線的指標，但一些廠商以小充大、以劣充優來代替大通流容量的SPD，或者玩弄文字游戲，在說明書中，提供的沖擊通流容量指標是整個SPD幾相之和的80kA或80kA/每相的虛擬量，達不到通流能力SPD安裝在現場是不可能起不到應有的保護作用，反而當雷電流大于虛擬沖擊通流容量時，不但造成通信設備損壞，而且SPD自身也難保安全，所以在SPD招標選型時，要以信息產業部檢測的報告為依據，切不要盲目相信廠家的說明書中的指標。
SPD回路中串接保險絲
由于接入網站所處的鄉鎮、農村地區電力供電電壓波動較大，此時應在SPD回路中串接保險絲，目的主要是防止SPD因各類因素損壞或由于暫態過電壓使SPD燃燒，國內外接入網發生過多次此類事故，影響接入網供電線路的正常工作。 IEC60364-5-534《過電壓保護裝置》對此有專門論述，以往的規范忽視了在SPD并聯回路中串接保險絲，從而給接入網的正常供電帶來了隱患。
多級SPD兩級之間的隔距要求
按照信息產業部YD/T5098-2001《通信局站雷電過電壓保護工程設計規范》的要求，兩級SPD的隔距應根據兩級SPD的類型，SPD對雷電動作響映時間的快慢，連接線纜的材料及粗細來確定.使用什么類型的SPD，應根據具體的通信局站來確定。由于接入網站機房的面積非常小，為了確保安裝在總配電箱處的B級SPD和安裝在開關電源機架內的SPD模塊在雷擊時能夠起到保護作用，在器件選擇時應采用對雷電動作響映時間快，由MOV器件組成的SPD。當兩級都為MOV時，連接兩者之間配電纜線的隔距應大于5米（如果第一級SDP采用間隙型，第二級SPD采用MOV，兩級之間的隔距應大于10~15米，由于間隙型殘壓極高，動作時間較慢，因此在接入網站和移動通信基站房間較小時，間隙型SPD不易使用）。
5 信號線、數據線的雷電過電壓保護
從接入網信號系統雷電損壞的故障情況可以看出，對于有出入局（站）的信號系統和傳輸機架與接入網設備，僅有的保護措施遠遠滿足不了接入網設備的保護。雷擊損壞機架內主總線板、子總線板、系統主控板、E1 板、用戶板、傳輸單元。因此在接入網防雷改造的問題上，對MDF架和DDF架2Mb/S接口的保護就特別重要了。
1） MDF的保護問題
對于市話局（站），根據ITU-T K11建議《過電壓和過電流防護的原則》和電磁兼容的基本原理，配線架與程控交換機用戶板過電壓和過電流防護的關系，應是相輔相成的，作為出入通信局站的市話電纜，是雷電過電壓和用戶線與電力線碰線引入的過電流的主要誘因。由于，配線架與程控交換機用戶板都具備抗擊雷電過電壓和過電流的能力，作為第一級配線架的保安單元與第二級程控交換機用戶板的保護電路之間有一個協調的關系，第一級用于一次保護的元件與第二級用于二次保護的元件作用是不同的，作為雷電過電壓和工頻過電流防護的原則：，第一級的保護元件要承受雷電過電壓和工頻過電流的主要能量，而第二級保護元件側承受經過第一級保護后剩余的能量。
對于接入網講，與MDF連接的市話電纜是雷電的第一渠道，由于MDF機架是保護接入網設備的第一級屏障，用戶板是第二級保護，由于接入網機房的面積較小，兩級保護器件對雷電的動作時間相差較大時，如果兩級保護不能有效的配合，雷電可能在MDF架保安單元沒有動作時，已經進入接入網設備的用戶板，致使用戶板的損壞，正因如此接入網MDF架保安單元的器件選擇就是至關重要了。一般保安單元采用的是陶瓷放電管，隨著技術的進步，出現了納秒級的保護器件固體放電管，因此選擇什么類型的器件能滿足其保護需要，從接入網站防雷的角度出發，應考慮采用半導體放電管組成的保安單元，下面我們進行分析。
半導體放電管有以下主要技術特征：
對浪涌電壓的響應速度非常快，與原有的保護單元相比，對陡峭的雷擊電壓可以充分抑制,這樣使原來的保護單元多級保護設計變的簡單,而且更加小型化；
利用半導體內部的電子和空穴的原理進行工作，不存在劣化問題，使保養簡單，使用壽命增加，無須進行歷年的經常性保安單元放電管的檢測工作；
用硅PN結的工作原理，設計的半導體放電管，其雙向、單向、開關動作均能自由的精確的設計出來，一致性較好；
半導體放電管既適用于普通電話的300～3400Hz模擬傳輸，也適用于ISDN的2B+D的數字傳輸，采用高性能的SAD可將傳輸速率提高到2Mb以上；
半導體放電管的失效模式是接地保護，其對雷電的反映高達1nS（可以和第二級同時甚至更快的對設備保護，將雷電流瀉放入地）。
由于其優越的特點，在接入網選擇半導體放電管作為MDF保安單元的器件是當之無愧的。
2）DDF架2Mb/S接口的保護
對接入網站傳輸設備2Mb/S接口和接入網E1 接口的保護，是接入網站安全運行的確切保障。在傳輸設備和接入網設備2Mb/S接口安裝保護器是必須的。
6 接入網機房與設備的接地
6.1 接地網的改造
1）為了確保就近接地的原則，使雷電流通過接地體迅速入地，接入網地網的改造可以根據不同的站型進行。當接入網站與移動通信基站共站時，機房的接地系統應采用環形接地網的方式，環形接地網圍繞鐵塔和機房一圈，并分別與鐵塔各基礎多點相連，機房接地引入點應在遠離鐵塔的一側（接地引入點需改造的情況，總匯流排接地引入點切記不能從塔腳引入）。如果大地電阻率較高的地區，再在地網四角采用輻射型接地體（在輻射型水平接地體周圍采用液狀長效降阻劑處理）。
環形接地網的形式也可以用在單一的接入網站，當接入網站內部的設備如MDF架和接入網機架相距較遠時，此時MDF機架就近與環形接地網連接，那么通過用戶線進入站內MDF架上的保安單元的雷電流就可以迅速入地。
2）利用農村民用建筑物作為機房，實施接地改造時應根據機房的具體情況確定方案，往往由于條件所限或者業主和環境的要求，接地體的選擇就很重要，從實際出發，根據房間的走向、環境條件，做一組接地體，使用40X4熱度鋅扁鋼或截面積大于50mm2 多股銅線分別與機房總配電箱處和機架處的接地排連接。所有焊點用瀝青做防腐處理。
3）在居民小區的接入網站，利用城市小區建筑物內地下室和一層的房間作為機房，為了保險起見，要充分利用建筑物自身各類可能與地構成回路的金屬管道（如上水管、消防水管等），并與樓內預留的接地端作為接地體，可能的情況下，敲開幾根柱子內的鋼筋與預留的接地端相互連在一起作為接入網站的接地。
6.2 出入纜線金屬外護層的接地處理
由于進入接入網站的用戶電纜的金屬護套電纜應接地，出入局（站）的光纜應將纜內的金屬構件，在終端處接地。MDF架的接地線應采用大于35mm2的多股銅線直接引至總接地排或者就近接至室外的環形接地體上，
6.3 MDF架的接地
MDF就近接地目的在于使第一級保安單元能確保雷電流通過時，雷電的主要的能量在此處入地，使接入網機架用戶接口的第二級保護使剩余的雷電流入地、殘壓進一步的降低，以保護接入網設備免受雷擊。因此MDF的接地非常重要，在接入網站MDF應直接用35mm2 以上的多股銅線連接到總接地排或者就近接在機房外的環形接地體上。有雷擊事故發生的局站可以看到MDF接地的一個共同問題，一是將MDF的接地排直接當做總接地排用；另外MDF的接地線一般僅采用16mm2的多股銅線，其導線自身的感抗對雷電的盡快入地也是非常不利的。
6.4 SPD的接地
SPD就近接地，使得雷電流主要的能量迅速入地，安裝在配電線路的入口端SPD，由于總接地排往往都遠離入口端，將SPD的接地線通過2~6m的長度接至總接地排，其接地線之長，致使殘壓過大，此時SPD對設備不可能起到任何作用，何況多數情況下為了施工方便，接地線一般僅采用16mm2的多股銅線，其導線自身的感抗也足以使SPD殘壓加大到不能容忍的狀況。
和接入網共站的移動通信設備接地排和接地線，一般都是在走線架上方固定，那么對于開關電源用的SPD的安裝位置，自然是選擇設計位置在開關電源上方的產品是最佳方案，在處理福建泉州接入網設備與移動通信基站共址時，發現開關電源內SPD安裝在機柜的下方的，需要通過2m的接地線才能引上走線架，然后再接入接地排，此時選用設計位置在開關電源下方的SPD，對于防雷設計來講是一個敗筆和錯誤，因為對于SPD的接地線長1m，其殘壓值就高達1000V，殘壓如此之高，自然不能保護后面的接入網設備。當然在通信大樓，地溝中有接地排時，SPD安裝在開關電源下方的方式是優選的。因此開關電源選型時，應根據局站的情況，選擇不同安裝SPD位置的設備。
結論
（1） 從接入網的雷擊概率而言，雷擊事故的95%以上都是由電源線、信號線引入，因此在通信局（站）聯合接地的基礎上，接入網的雷電過電壓保護就更為重要。
（2）與移動通信基站共址的接入網站，雷擊概率遠大于單一接入網站的雷擊概率，這主要是由于移動通信基站鐵塔易將雷電引入，而該在的防雷接地又不完善的緣故所致，由此看鐵塔的設立改變了站址所在的地理環境因素。
（3）接入網基本上采用的都是TT系統，鑒于TN 、TT系統的接地方式不同，因此SPD的安裝方式和作用也是不同的，錯誤的安裝方式輕者將導致SPD的損壞，重者將致使通信設備燒毀。地保護，其對雷電的反映高達1nS（可以和第二級同時甚至更快的對設備保護，將雷電流瀉放入地）。
