艾默生網絡能源有限公司 戴傳友
摘
要在簡要分析通信局站集中監控系統雷擊損壞的主要原因和雷電浪湧侵入途徑的基礎上，提出了監控系統雷電防護的基本措施。簡單介紹了艾默生網絡能源有限公司(ENP)集中監控系統雷電防護的主要技術特點。
關鍵詞 集中監控系統 雷電浪湧 雷電防護 布線 線路屏蔽 等電位連接 浪湧保護器
LIGHTNING PROTECTION FOR ENVIRONMENT MONITORING SYSTEM
OF TELECOMMUNICATION STATIONS/SITES
DAI Chuanyou
(Emerson Network Power Co., Ltd ， Shenzhen 518129 ，
China)
Abstract The main causes of lightning damage on
environment monitoring system and the probable coupling
paths of lightning surge are analyzed. The lightning
protection measures for environment monitoring system in
telecommunication stations/sites are recommended. In
addition, the main lightning protection characteristics
of ENP's environment monitoring system—PSMS are
summarized in briefly.
Key Words environment monitoring system; lightning
surge; lightning protection; routing of cables; line
screening; bonding; surge protective device(SPD)
近年來，隨著集中監控系統在通信局站特別是移動通信基站中的廣泛應用，監控系統因遭受雷擊而損壞的事故時有發生。這種狀況不僅不利於通信網的長期穩定、可靠運行，還造成人力、物力和財力上的浪費。因此，如何做好集中監控系統的雷電過電壓防護，有效降低雷擊事故發生率，是擺在運營商和設備制造商面前的壹個重要問題。
1 概述
雷電浪湧造成監控系統損壞的主要原因有：
首先，監控系統采用了大量的高集成度微電子元器件，而這些元器件本身抗幹擾的能力很低。隨著微電子技術的迅猛發展，微電子元器件不斷湧現，其集成度越來越高，所傳遞的信號電流也越來越小，對外界的幹擾也越來越敏感。
其次，通信局站，特別是移動通信基站的實際運行環境比較惡劣。由於大部分通信局站內設有鐵塔，比周圍的建築物 /
構築物都高，遭受雷擊的可能性比較大。加之由於技術或經濟上的困難，部分局站沒有按照相關規範的要求采取整體防雷措施，為站內監控系統留下了雷擊隱患。
最後，長期以來，通信局站設備防雷都是以防止雷電浪湧沿局外線路感應為主，對監控系統等在局站範圍內的系統的防雷研究較少。但事實上，由於監控系統的連接線路較多，有些線路的敷設長度可達
100 ～ 200
米甚至更長，壹旦這些線路遭受雷電電磁場的影響，將雷電浪湧傳到各監控設備的接口電路中去，從而對接口電路產生影響和沖擊。
近年來，國內外相關標準對局站範圍內部的各種通信系統（包括監控系統）的防雷問題也日益重視。如國際電信聯盟
(ITU) 的 K.40 建議 [1] 對電信中心的雷電電磁脈沖的防護提出了指導性方法，而 K.41 建議
[2]
則規定了電信中心內部的通信線路和設備端口的浪湧抗擾性要求。這兩個建議的提出表明，國際上已經開始重視通信局站內部設備的雷電浪湧的抗擾性要求。而在最新的通信行業標準
YD/T5098-2001 [3] 中也已經明確提出監控系統的雷電過電壓保護的設計要求。
2 雷電浪湧侵入集中監控系統的途徑
任何壹個電磁幹擾都必須具備以下三個條件：首先是幹擾源，其次是傳遞幹擾能量的途徑或媒介（耦合途徑），最後是對幹擾產生反應的設備（敏感設備）。幹擾源、耦合途徑和敏感設備被稱為幹擾三因素。為減小到達敏感設備的幹擾能量，必須先弄清幹擾源的性質、幹擾的耦合方式以及敏感設備自身的耐受能力，才能有的放矢，提出最有效的解決辦法。
本文所考慮的幹擾源就是雷電電磁脈沖（ LEMP
），它包括雷電放電電流以及雷電放電時在其周圍空間產生的瞬態電磁場，反映在設備上就是雷電浪湧；敏感設備就是監控監控系統；對監控系統而言，雷電浪湧的耦合途徑主要有：
1
、近場感應。雷擊通信局站或其鄰近區域時，會在其周圍空間產生強大的瞬態電磁場，該電磁場會在處於其空間範圍內的金屬導線上感應出壹定幅值的瞬態過電壓（主要是磁場感應），感應過電壓的大小主要取決於雷電流的變化率、線纜與雷擊點的距離、線纜的長度、各線纜間形成的回路面積以及線纜是否有效屏蔽等因素。它主要施加在與線纜相連的設備端口上，以***模分量為主，差模分量的大小則視線纜的結構型式而定。感應過電壓是造成通信局站內監控系統雷擊損壞的主要原因。
2
、公***地阻抗耦合。雷擊時，雷電流沿接地體入地時會引起接地體的地電位升高，如果設備或系統布置不當或者接地不當，會在接地系統與設備間產生較高的過電壓（稱為反擊過電壓），從而導致設備損壞。此外，當通過各種線纜（如信號線、數據線等）互連的設備間存在較大的地電位差時，也會導致設備的損壞。
3
、傳導耦合，主要是指雷電侵入波。雷電侵入波又稱為線路來波，它是指沿進局電纜以行波的方式竄入室內的雷電浪湧。雷電侵入波產生的根源可能是感應雷，也可能是直擊雷，但從監控系統的角度來看，則可視為傳導耦合。對於需要將監控信號上報的無人值守站（特別是移動基站），雷電侵入波是造成監控設備損壞的另壹重要因素。
3 集中監控系統雷電防護的基本措施
集中監控系統具有線纜類型多、接口類型多、線纜數量大等特點，其雷電損壞以近區磁場感應過電壓和雷電侵入波為主，因此監控系統的防護應針對上述特點，從整體上加以考慮，才能起到良好的防雷效果。
監控系統的雷電防護措施可以歸納為以下兩個方面：其壹、抑制或衰減雷電浪湧的耦合途徑，主要措施包括屏蔽、合理布線、等電位連接和接地等；其二、提高監控設備本身的浪湧耐受能力，主要包括合理設計內部電路、加裝電湧保護器等。
3.1 合理布線
如上所述，通信局站或其近區遭受雷擊時，雷電電磁場在站內監控系統的線纜上產生的感應過電壓主要取決於雷電流的變化率、線纜與雷擊點的距離、線纜的長度以及各線纜間形成的回路面積以及線纜是否有效屏蔽等因素。因此，合理布線對減小感應過電壓水平、降低監控設備雷擊損壞率有著十分重要的意義。
在實施監控系統布線時應註意以下幾個問題：
1
、局站範圍內，嚴禁室外架空走線。室外架空走線有可能遭受直擊雷，嚴重威脅監控系統的正常運行。此外，架空走線形成的環路面積較大，雷擊時會產生較大的感應過電壓。
2 、室外線纜的布放應盡量遠離鐵塔等可能遭受直擊雷的結構物，應避免沿建築物的墻角布線。
3
、室內各種監控線纜的布放應盡量集中在建築物的中部。雷擊時建築物中部的空間電磁場相對較弱，因此將電纜布放在建築物的中部可有效降低感應過電壓。
4
、監控線纜及線槽的布放應盡可能避免緊靠建築物的立柱或橫梁。在不可避免時，應盡可能地減小沿立柱或橫梁的布線長度。
3.2 線路屏蔽
屏蔽是電磁幹擾防護及控制的最基本方法之壹，其目的是限制或防止某壹區域內外電磁場的相互耦合，將電磁場作用限制在規定的空間範圍之內，即通過抑制耦合途徑來減小幹擾源對敏感設備的影響。對通信系統的雷電防護而言，屏蔽可分為建築物的屏蔽、房間的屏蔽、設備的屏蔽和線纜的屏蔽。這裏主要討論線路的屏蔽。
常見的線路屏蔽方式主要有兩類：其壹、采用屏蔽套管或屏蔽槽等外部附加屏蔽；其二、采用屏蔽電纜。
屏蔽套管（金屬管屏蔽）的主要優點是屏蔽效能良好，其主要缺點是柔軟性差，施工不便。由於屏蔽槽存在較大的縫隙，其屏蔽效能比屏蔽套管的差。但由於其施工方便，如果在施工工程中做好接頭和接縫處的處理，還是能取得壹定的屏蔽效果。
采用屏蔽電纜是壹種常用的線路屏蔽方式。盡管其屏蔽效能不如金屬管屏蔽，但在線路不長（如小於 100m
）、外界電磁場幹擾不是太強烈時，仍具有較好的屏蔽效能。
在實施線路的屏蔽時應特別註意以下幾個問題：
1
、電纜屏蔽層、屏蔽套管或屏蔽槽等屏蔽體的兩端必須接地。由於感應過電壓主要是由近區磁場感應所致，屏蔽體兩端接地後，在屏蔽體與地回路間形成壹個閉合的環路，該環路中所鏈接的磁場所感應出的電勢在環路中形成感應電流，該電流產生的磁場方向與幹擾磁場方向相反，從而抵消或減小外界幹擾磁場對芯線的影響，大幅度降低芯線的感應過電壓。
2
、為最大限度地利用屏蔽體的感應電流，任何影響電流流通的因素都應加以註意。如屏蔽體在整個電纜長度上必須是導電貫通的，並盡可能多點就近接地；做好屏蔽體接頭和接縫處的連接，以期獲得穩定的低阻抗電氣連接；做好屏蔽體的接地，盡可能降低接地引線的阻抗等。
3 、在工程實際中，應充分利用現有的金屬走線槽和走線架，屏蔽電纜和金屬走線槽的配合使用可獲得附加的屏蔽效能。
3.3 等電位連接和接地
適當的等電位連接和接地是減小反擊過電壓和地電位差的有效措施。
等電位連接是用連接導體或浪湧保護器將處在需要防雷空間內的防雷裝置、建築物的金屬構架、金屬裝置、外來導體、電氣或電子設備等連接起來，其目的是減小需要防雷空間內的各金屬部件以及各系統之間的電位差。通信局站的等電位連接和接地包括：由建築物金屬構架、防直擊雷裝置以及外來導體等相互連接而成的公***連接網，局站內各通信系統所建立的局部等電位連接網，以及上述各連接網間的連接和接地。
原則上講，監控系統的外露導電部分所形成的局部等電位連接網可具有以下兩種結構型式： S 型（星形結構）和 M
型（網型結構）。相應地，它們與公***連接網的連接方式應分別采用 Ss 型和 Mm 型。如圖 1 所示。
星形結構壹般適用於較小的閉環系統，系統內設備間以及設備與外界的連接線較少，容易與公***接地網隔離。當采用星形結構時，系統的所有金屬組件除連接點外，應與公***連接網有足夠的絕緣，即僅通過唯壹的點連接到公***連接網中形成
Ss 型。此時，設備間的所有線纜應按照星型結構與等電位連接線平行敷設，以避免產生感應環路。 Ss
型等電位連接網的主要優點是能抑制外界的低頻幹擾。其缺點是維護和擴容比較麻煩，且在高頻下易引入幹擾。
網狀結構壹般適用於延伸較大的開環系統，系統內設備間以及設備與外界的連接線較多而且復雜。當采用網狀結構時，系統的各金屬組件應通過多點就近與公***接地網相連形成
Mm 型。 Mm
形等電位連接網的主要優點是在高頻時可獲得壹個低阻抗網絡，對外界電磁場有壹定的衰減作用，且維護和擴容比較方便。其缺點是理論上可能會引入低頻幹擾。
由於監控系統的采集設備與其它設備間存在廣泛的互連，監控設備間的連接線纜也比較多，而且采用了大量的屏蔽電纜。適合於采用
Mm 型等電位連接網。同時，通信局站的實際運行經驗表明，合理設計和施工的 Mm
型等電位連接網壹般不會引入低頻幹擾。
3.4 內部電路的合理設計
在采用了合理的線纜布置、有效的線路屏蔽以及適當的等電位連接和接地措施後，到達監控設備的浪湧能量會大幅度降低，從而減小雷電浪湧對監控設備的危害。但上述措施不能完全消滅達到監控設備的雷電浪湧，特別是當部分局站沒有按照相關規範的要求采取整體防雷措施而導致站內監控設備所處的電磁環境比較惡劣時，雷電浪湧對監控設備的危害仍然存在。因此，在有效抑制雷電浪湧耦合途徑的同時，應提高監控設備自身的浪湧耐受水平。
由於感應過電壓和反擊過電壓或地電位差對設備造成損壞的主要原因是***模過電壓，適當提高監控設備內模塊的***模耐受水平可有效地防止此類損壞。
實際運行經驗表明，監控設備的損壞大部分表現在設備的接口部分，因此應審慎地設計監控設備的接口部分電路，以提高其浪湧耐受能力。為達到這壹目的，可采用的方法有：優選接口芯片、采用電氣
/ 光電隔離技術、內置浪湧吸收電路等。
3.5 接口防護（加裝電湧保護器）
運行經驗表明，在綜合采用上述防護措施後，基本上可以防止絕大多數由感應過電壓和反擊過電壓或地電位差造成的監控設備的損壞。但在以下兩種情況下，監控設備仍有可能因雷電浪湧而損壞：
1 、對於需要將監控信號上報的無人值守站（特別是移動基站），外引線（如 E1 線、電話線或 RS422
等信號線）可能會將較大幅值的雷電侵入波引入監控系統。
2 、當通信局站遭受直接雷擊且雷擊強度較大時，在站區內的長距離監控線纜中可能還會感應出較大的過電壓。
此時，可采用加裝浪湧保護器（ SPD ）來降低雷擊事故率。
信號線用 SPD 的選用應註意以下幾個問題：
1 、 SPD 的保護水平應滿足監控設備浪湧耐受水平的需要。
2 、 SPD 應滿足信號傳輸速率及帶寬的需要，其接口應與被保護設備兼容。
3 、 SPD 的插入損耗應滿足監控設備的要求。
4 、 SPD 的標稱放電電流應滿足標準 [3] 的要求。
4 ENP 集中監控系統（ PSMS ）的防雷技術特點
在認真研究集中監控系統雷擊損壞原因和失效機理的基礎上，我們提出了 ENP
集中監控系統的雷電防護的整體方案，該方案具有以下主要技術特點：
1 、將監控系統作為整體進行考慮，綜合采用線路屏蔽、合理布線、等電位連接和接地、加裝 SPD
等措施，抑制了雷電浪湧與監控系統間的耦合路徑，最大程度地減小了感應過電壓、反擊過電壓以及雷電侵入波對監控系統的危害，大幅度地提高了監控系統的整體防護性能；
2 、通過內部電路的合理設計，提高了監控設備自身的浪湧耐受能力；
3 、對於雷擊重點部位，采用有效的接口防護措施，極大地提升了監控系統的雷電防護能力。主要端口的標稱放電電流達
5kA 以上，遠高於 YD/T5098-2001 [3] 的相關要求。
參考文獻
[1] ITU-T K.40 (1996) Protection against LEMP in
telecommunications centres
[2] ITU-T K.41 (1998) Resistibility of internal
interfaces of telecommunication centres to surge
overvoltages
[3] YD/T 5098-2001 ，通信局（站）雷電過電壓保護工程設計規範
http://www.caqlp.org/
轉帖]遠動設備的防雷及過電壓保護遠動設備的防雷及過電壓保護 （2004-5-31） 陳國俊，譚永忠 Lightning and over-voltage protection of telecontrol equipment CHEN Guo-jun，TAN Yong-zhong (Nanhai Power Bureau，Foshan，Guangdong 528200，China) Abstract：The urgency of strengthening lightning and over-voltage protection of telecontrol equipment is expounded with specific measures presented. Key words：telecontrol equipment；lightning protection；over-voltage protection 摘 要：闡述了加強遠動設備防雷及過電壓保護的緊迫性，並提出了具體的防護措施。 關鍵詞：遠動設備；防雷；過電壓保護 中圖分類號：TP806.3；TM862 文獻標識碼：B 由於早期RTU所選用元器件的局限性，RTU對雷電等電磁脈沖和過電壓的耐受能力很低。當雷電等過電壓和伴隨的電磁場達到某壹閥值時，會導致元器件甚至設備的永久性損壞，嚴重影響RTU的可靠運行。 變電站都有比較完善的防雷系統，因而雷電直擊遠動設備的可能性不大，但是，雷擊附近大地、架空線路和空中雷雨雲放電時直接形成的，或者由於靜電及電磁感應形成的沖擊過電壓，卻可能通過與之相連的電源線路、信號線路或接地系統，穿過各種接口，以傳導、耦合、輻射等形式，侵入遠動設備並釀成嚴重的幹擾或事故。 因此，加強和改進遠動設備的防護，盡量減少其遭受雷電等沖擊幹擾的損害，已成為變電站實現無人值班亟待解決的問題。1 遠動設備雷擊損壞情況 南海電力局從1993年開展調度自動化工作，1996年開始試行無人值班。但是，在每年 的雷雨季節，具備四遙功能的變電站(RTU結構見圖1)，都發生多次雷電損壞RTU和當地監控電腦串行口的事故，最多的壹年達二十多起。損壞的程度不壹，其中最嚴重的壹次，官窯110 kV變電站因雷電損壞遙信隔離板5塊，通信擴展板1塊，主板1塊；110 kV海北、沙湧、東二等變電站***損壞通信擴展板、主板十多塊；6臺監控電腦串行口損壞，給遠動維護護工作帶來很大的麻煩。只有很好地解決變電站遠動設備防雷擊損壞問題，才能保證變電站無人值班安全運行。圖1 RTU結構框圖2 遠動設備受雷電損壞的原因2.1 變電站遠動設備與外圍設備相連接 RTU各功能模板以各種方式與其他設備直接相連。變電站中比較典型的RTU電氣連接見圖2， 其中與當地監控電腦及微機保護裝置相連的串行通信電纜均處在控制室範圍內，二次測量、控制及信號電纜壹部分則直接與高壓場地壹次設備相連。圖2 RTU在變電站中的電氣連接2.2 RTU受雷電損壞的原因 a)電源線引入雷電 雷電引起的瞬時高電壓，如果不加遏制，直接由電源線引入RTU，會影響其電源模塊正常工作，使各功能模塊的工作電壓升高而工作不正常，嚴重時甚至會損壞模塊，燒壞元器件(IC) 。 b)通信線引入雷電 由雷電引起通信線兩端設備之間電位差直接作用於相對脆弱的串行通信口，會損壞RTU及與 其通信的設備的串行口，嚴重時會損壞整個功能板。 c)二次電纜引入雷電 直接與壹次設備相連的二次連接電纜感生的感應過電壓作用於RTU的各隔離板，擊穿隔離板 輸入隔離器件，造成RTU板件損壞。 d)接地不規範 由於接地不規範，不同接地點之間雷電時易形成較高的電位差，產生的電磁幹擾會影響RTU的運行，損壞RTU模板；同時，雷電引起的地電位升高，亦通過設備的接地線引入RTU，此過電壓同樣會損壞RTU模板。3 防護措施 電子設備的防雷和過電壓保護是壹個系統工程，必須貫徹綜合防護思想。綜合運用分流(泄流)、均壓、屏蔽、接地和保護(箝位)等技術，構成壹個完整的防護體系，它適用於電力系統、建築防雷和各種電子設施的通用防護模式，而對於壹個特定的電子系統(設備)，例如遠動系統的防護，則需根據遠動設備的特點，結合變電站的實際情況，靈活應用，采用具體措施，構成壹個完整的防護體系〔1〕。 近幾年，我們通過對遠動設備受雷擊損壞的分析，在實際遠行中采取了如下措施： a)遠動設備的工作電源，可用直流電源的、優先采用直流供電； b)加裝電源保護器。對於采用交流電源的遠動設備(包括當地監控用電腦)，在UPS前加裝了CRITEC交流電源防雷器。該產品工作穩定，性能可靠，且能將輸出電壓箝位在240 V左右。即當防雷器輸入端瞬時電壓不超過6 kV時，其輸出電壓不會超過240 V。 c)加裝光電隔離器。對於所有的串行通信口，加裝9C4型光隔離長線收發器，使相互通信的兩設備通信端口之間無直接的電聯系，有效地防止通過通信線引入的過電壓；對相互通信的兩設備之間的電位差進行隔離，從而有效地保護被保護設備的串行口不被損壞。 d)解除RTU內部的信號接地點。將RTU內部的信號地與大地脫離開，防止地電位升高直接侵入 RTU而損壞RTU模塊板件。 e)采用等電位連接。在需要防雷的空間遭遇雷電等過電壓時，使所有各相關部分(電路板)不 存在明顯電位差〔2〕，保護電路板不受損壞。4 結束語 從1997年開始，采用以上措施後，南海電力局運行中的RTU工作穩定，取得了理想的運行效果，保證了無人值班工作的順利進行。 作者簡介：陳國俊(1970-)，男，湖北孝感人，助理工程師，工學學士， 主要從事變電站遙動設備的維護工作。作者單位：南海電力工業局，廣東 佛山 528200 參考文獻 〔1〕 張偉鈸.儀征輸油站儀表微機監測系統的防雷及過電壓保護〔J〕.電網技術，1997. 〔2〕 蘇邦禮.現代防雷技術最重要的是等電位連接〔J〕.廣東電力，1998.