防雷接地設計中等電位連接
編輯：2021-12-16 10:41:58
摘要摘要
等電位連接是通訊設備工程防雷接地中很重要的可靠性要求?；谝粋€雷擊案例，通過理論分析和實驗模擬的方法，驗證了等電位連接對雷擊電流泄放路徑的影響，說明了等電位連接是保證防雷系統功能正常的前提。最后給出了簡易機房等電位連接的方案及注意事項。
引言
防雷接地是通訊設備應用中關鍵的工程可靠性要求之一。但在具體工程實踐中，人們往往過多的關注接地電阻的大小，認為設備只要接地了，而且接地阻抗滿足要求就可以了，而忽略或沒有關注等電位連接的重要性。而且實際工程故障中，很多都是因為沒有實現等電位連接而造成的。
本文通過一個雷擊案例的研究，詳細說明了等電位連接對雷擊電流泄放路徑的影響，等電位連接是保證防雷系統功能正常的前提。接地網、等電位連接和避雷器要互相配合才能實現防雷的目標。
1、設備接地方案
目前通信機房內設備的接地方案通常有兩種，一種是星形接地方案，一種是網狀接地方案 [1-2]。如圖 1（a）所示，星形接地方式的機房內，電源、承載、傳輸等設備的接地線均由總接地排引接。如設備機架與總接地排相距較遠時，可以采用兩級接地排。如圖 1（b）所示，網狀連接的機房內，應沿墻壁設置環形接地匯集線。機房內電源、承載、傳輸等設備的接地線均就近接到環形接地匯集線上。環形接地匯集線與地網應在機房四邊（多點）連接。
2、不等電位連接改變預期的雷電泄放路徑
2.1 雷擊故障現象
某產品在現場正常使用過程中，某雷雨天出現部分單板燒壞的故障。主要燒壞的器件是電源入口處的保險絲、防護器件瞬態抑制二極管（TVS）和壓敏電阻，如下圖 2 所示。
2.2 原因分析
設備電源和單板的電源入口都有浪涌的差模和共模防護（TVS 實現差模防護，壓敏電阻實現共模防護），如圖 2 所示。按照工程電源防雷設計 [3]，機房外 AC 電源至少具有一級防雷（至少 80 kA）能力，機房內 AC配電柜至少具有二級防雷（至少 40 kA），DC 電源至少具有 15 kA 的防雷能力。設備設計的防雷指標（根據應用環境，要求設備防雷能力差模防護 4 kV，共模防護6 kV）滿足產品的技術規范和標準要求。經測試驗證，實際防護能力遠遠大于設計指標。
2.2.1 設計的預期雷擊電流泄放路徑
按照設計的預期雷電流泄放路徑（見圖 3 中細的紅色箭頭），雷電流首先通過第一級 AC 防雷泄放，少部分雷電流進入到機房。進入到機房的雷電流再依次通過 AC 電源柜的二級防雷泄放、AC/DC 的三極防雷泄放，最后進入到通信設備的雷電流應該非常小或在通訊設備的防護等級之內，不會造成設備的損壞，實現多級防雷相互配合的防雷目的。
通信設備前級有多級防雷，依然出現燒壞防通信設備的情況。經過進一步的排查和分析，發現雷電造成的沖擊電流并沒有按照預期的設計泄放路徑逐級泄放到大地，而是進入了最后的通信設備（見圖 3 中的粗的紅色箭頭），導致設備燒壞。
2.2.2 不等電位改變沖擊電流的泄放路徑
通過對現場進一步的排查和分析，發現給設備供電的兩路 DC 電源 ：
（1）第一路 DC 電源（即圖 3 中通訊機房 1 中的AC/DC 電源柜）和設備在同一個機房。
（2）第二路 DC 電源經過防雷箱進入到通信機房 2 的 AC 電源柜，再通過 AC/DC 電源柜輸出的 -48 V DC電源從通信機房 2 進入到通信機房 1。
工程現場的防雷和接地都比較規范，現場測量各設備的接地電阻，機房 1 基本都在 4 Ω 左右，也滿足標準要求的不大于 5 Ω 的要求 ；機房 2 都在 1 Ω 以下，也滿足標準規范的要求。
雖然兩個機房的接地都滿足規范要求，但機房 1 和機房 2 的地樁接地體之間沒有連接，即接地點 1 和接地點 2 沒有實現等電位連接，導致沖擊電流沒有按照設計預期的接地點 1 泄放，而是進入了通信設備，經過通信設備內部電路轉到第二路 DC 電源，最終通過接地阻抗更低的接地點 2 泄放到大地。因此雷電沖擊電流通過通信設備內部，導致設備的燒壞。
2.3 故障模擬
如圖 4 所示，根據現場供電和接地情況，進行了沖擊電流模擬實驗。設備接 A（-48VA/-48VARTN）和B（-48VB/-48VBRTN）兩路電源，接地線串聯一個電阻，模擬現場接地點 1 的接地阻抗。-48 VBRTN（設備B 路 DC 電源的正極）直接接地，模擬現場接地點 2。
在 -48 VARTN（設備 A 路 DC 電源的正極）和大地 PE（設備接地點）之間施加沖擊電流，模擬雷電流對設備造成的影響。對設備電源口進行沖擊電流測試，發現當沖擊電流達到 4 kA 左右的時候，設備出現了和現場一樣的故障現象。
3、等電位連接的重要性
為了驗證等電位連接的重要性，把圖 4 中的 -48VBRTN 也連接到 D 點，同時增加和減小電阻的阻值，即在等電位連接的條件下，增加接地阻抗或減小接地阻抗，分別進行沖擊電流的測試，如圖 5 所示。測試沖擊電流達到 10 kA，設備都正常工作。表明設備之間實現了等電位的連接，接地電阻略大或略小，對防雷的影響是非常小的。在工程防雷設計中，等電位連接比接地電阻更重要，等電位連接能保證防雷措施能正確的發揮作用，顯著提高設備的防雷能力。因此等電位不需要絕對的零電位，只要雷電造成的等電位連接點的瞬態電位不超過設備與大地之間的耐壓即可。
4、等電位連接的方案及注意事項
4.1 方案
本文給出簡易機房的一種等電位接地方案，如圖 6所示。接地系統由機房地網和鐵塔地網組成的聯合接地網。機房內采用星形接地方案實現機房內的等電位連接，在機房外設置單獨的室外地排，機房內外通過聯合接地網實現等電位連接。
4.2 注意事項
（1）地網由機房地網、鐵塔地網 ( 若旁邊有鐵塔）組成一個聯合接地網，如圖 7（a）所示?；蛴蓹C房地網、鐵塔地網（若旁邊有鐵塔）、變壓器地網組成一個聯合接地網，如圖 7（b）所示。
變壓器地網與機房地網或鐵塔地網邊緣距離小于30 m 時，應利用水平接地體至少兩處焊接連通，在距離大于 30 m 可不用相互連通。
（2）根據相關接地規范 [3-5]，地網的接地電阻值宜不大于 5 Ω（一般情況下中心機房不大于 1 Ω，遠端機房不大于 5 Ω，室外設備不大于 10 Ω）。大地電阻比較大的地區，應采取優化設計的方式。比如擴大地網的面積，即在地網外增設一圈或兩圈環形接地裝置。加入降阻劑等。
（3）機房接地引入線與地網的連接點應避開避雷針、避雷帶或鐵塔接地引入線的連接點，其間距宜大于5 m。接地引入線不宜從鐵塔塔腳附近引入，應從遠離鐵塔一側的地網接入地線
（4）機房接地與機房外設備的接地排應分別接入地網，并選擇最短的接地路徑。
（5）機房內的各設備必須進行等電位連接，互連的各設備（包括電源、配線架等）必須連接到匯流排或環形接地匯集線。具體如 1 章介紹的接地方案。
（6）接地線二端都使用銅鼻子、銅鼻子與線徑及螺栓直徑相符、銅鼻子
緊固搖晃無松動現象。所有接地線與接地分匯集線連接時，均要用銅線鼻、螺栓及彈簧墊片緊固。一個螺孔只裝一根線，一個螺栓只能接一根地線。接地線兩端的連接點應確保電氣接觸良好，并均經過防腐處理（涂油、防銹漆等）。
5、結語
本文通過一個雷擊案例的研究，詳細說明了等電位連接對雷擊電流泄放路徑的影響，等電位連接是保證防雷系統功能正常的前提。接地網、等電位連接和避雷器要互相配合才能實現防雷的目標。
等電位連接方案中各接地線的感抗是影響雷擊時瞬態等電位連接的一個重要因素，下一步研究接地線的感抗對等電位連接的影響。
