浅析广域网系统防雷及避雷...

浅析广域网系统防雷及避雷

淮安广电宽带网络有限公司运维工程部徐嘉庆

众所周知，雷电是自然现象，雷击释放能量很大，它的放电时间很短，但泄放电流可达几万、甚至几十万安培。因此，直接遭雷击，在放电通道上毁坏性巨大。即使不是直接雷击，而是在落雷点附近的建筑物体，由于电磁感应，在建筑物体上或者在架空线上都会产生高电压冲击波，其感应电压可高达数千伏，甚至上万伏。这种高电压冲击波，沿着建筑物体或沿着导体迅速传播，可破坏各种电器设备，危及人身安全。在广域网系统中，一旦遭到雷击，没有良好防雷措施的系统就会遭到严重破坏，甚至瘫痪。对于干线较长的大系统，防雷设计更是刻不容缓的大事。本文从雷电的产生机理以及雷电对系统的破坏性阐述雷电，以期我们对雷击有一个整体的认识，进而加强并改进系统防雷的措施。

一、雷电是怎样形成

雷电是大气中的放电现象，多形成在积雨云中，积雨云随着温度和气流的变化会下停地运动，运动中摩擦生电，就形成了带电荷的云层，某些云层带有正电荷，另一些云层带有负电荷。另外，由于静电感应常使云层下面的建筑物、树木等带有异性电荷。随着电荷的积累，雷云的电压逐渐升高，当带有不同电荷的雷云与大地凸出物相互接近到一定温度时，其间的电场超过25～30kv／cm，将发生激烈的放电，同时出现强烈的闪光。由于放电时温度高达2000℃，空气受热急剧膨胀，随之发生爆炸的轰鸣声，这就是闪电与雷鸣。雷电的大小和多少以及活动情况，与各个地区的地形、气象条件及所处的纬度有关。一般山地雷电比平原多，沿海地区比大陆腹地要多，建筑越高，遭雷击的机会就越多。

二、雷电的种类及其危害

雷电主要有两种：“直击雷”和“感应雷”。直击雷只有雷击率的 10％左右，危害范围一般较小，可使用避雷针、避雷线和避雷网来防避。但是安装避雷针后，系统的电子设备即使在其保护范围之内，仍然可能遭雷击而受损，大多数都是烧保险丝、电源变压器、整流元件等，严重的还可能损坏集成电路等元件。这说明雷击不是从天线引人的，而是从电源线引入的，可见避雷针虽保护了建筑物，却保护不了置于其内的电子设备，这主要是感应雷造成的。危害大得多的“感应雷”占雷击率近90％，危害范围甚广，系统的电子设备受雷击损坏，主要是感应雷造成的。

三、雷电是如何引入系统的

雷电引入系统主要是从避雷针、及引下电缆、架空电缆几方面引入，首先，由于避雷针尖端具有很小的曲率半径，雷云逼近时，尖端电荷集中使周围电场形成电离区，当与雷电会合时，首先是避雷针接闪。其次，尽管避雷针一般都高于天线，但有时因高度不够，保护角不大，使天线和连接的同轴电缆外导体上感应出高电压，若外导体未接地或者接地不当，其芯线又被屏蔽，就会使电缆内外导体间呈现高电压，损坏设备及电视机。另外，当系统附近发生雷击时，由于强电磁场会对暴露在外的架空电缆发生作用，使电缆内外导体间呈现高电压，损坏设备及电视机。四、防雷基本原理　　1．均衡系统电位　　各个设备建立良好的等电位接地，即交流工作接地、保护接地、直流工作接地、防雷接地公用一组接地装置的联合接地方式。　　2．逐级分别泄流　　在雷电流经过的线路上逐级安装避雷设备，将雷电流、感应过电压逐级泄放。　　3．加强屏蔽　　在线路通道上建立屏蔽层，屏蔽层与大楼联合接地系统良好连接，预防感应雷干扰和破坏通信线路和设备。

五、系统防雷的要点及措施

1、交换机机柜的防雷接地。我公司有很多交换机机柜架设在建筑物的顶端，应把所有的机柜，和接地焊在一起，机柜上应装设避雷针，避雷针的高度应能满足对机柜设施的保护。安装独立的避雷针时，由于单根避雷针的保护范围呈帐篷状，边界线呈双曲线，所有避雷针要高于机柜顶端的长度，避雷针与机柜之间的最小水平间距应大于3M。建筑物已有防雷接地系统时避雷针和天线竖杆的接地应与建筑物的防雷接地系统共地连接。无论是新的接地线还是原建筑的接地线，接地电阻都应小于4欧姆。

2、前端设备的防雷接地。如果在前端附近发生雷击，则会在机房内的金属机箱和外壳上感应出高电压，危及设备及人身安全。前端设备的电源漏电也会危及人员的安全，因此，对机房内的所有设备，输入、输出电缆的屏蔽层，金属管道等都需要接地，不能与机柜的接地接在一起，设备接地与房屋避雷针接地及交流供电系统的接地应在总接地处连接在一起。系统内的电气设备接地装置和埋地金属管道应与防雷接地装置相连，不相连时两者的距离应大于3米，机房内接地母线表面应完整，绝缘线的老化层不应有老化龟裂现象。一些前端设备如调制器，接收机等没有过压保护，而只有过流保护，一旦有雷击往往会出现电源烧坏而保险不断的情况，针对此种情况应在总电源处加装避雷器，以更好的保护前端设备。

3、干线系统的防雷接地。敷设于空旷地区的地下电缆，当所在地区年雷雨天数大于20天及土壤电阻率大于100欧姆时，电缆的屏蔽层或金属护套应每隔2KM左右接地一次。以防止感应电的影响。架空电缆的屏蔽层及金属护套、钢绞线每隔250M左右接地一次，在电缆分线箱处的架空电缆金属护套，屏蔽层及钢绞线应与线杆拉线共用接地装置。另外就是不可忽视的光缆防雷，因为光缆在制造过程中，为了增加光缆的抗拉强度，在光缆中增加了钢丝。在设置接续盒时，只注意了光缆的熔接。使用通常方法，将两段光缆的钢丝，分别固定在接续盒两端的支架上，自然形成一间隙。这样，当任意一段光缆中的钢丝感应了很高的雷电电压时，就会向另一端钢丝放电，放电过程中产生的巨大火花，使接续盒内光纤断裂损坏。为防止这种现象的发生，在光缆的施工过程中，应注意将接续盒内的光缆钢丝端头用导线连通，并用导线将其与吊挂光缆的钢绞线连通，可有效地避免光缆遭雷电侵害。

4、分配系统的防雷接地。电缆进入建筑物时，在靠近建筑物的地方，应将电缆的外导电屏蔽层接地，架空电缆直接引入时，在入户处应增设避雷器，并将电缆外导体接到电气设备的接地装置上，电缆直接埋地引入时，应在入户端将电缆金属外皮与接地装置相连。不要直接在两建筑物屋顶之间敷设电缆，可将电缆沿墙降至防雷保护区以内，但不得防碍车辆的通行，钢线应作接地处理。广域网系统中的电缆和架空支撑电缆用的镀锌铁线都要有良好的接地。系统中设备的输入输出端应有放电保护器，220V供电的电源端应有过压保护装置，或者尽量将系统中220V集中供电，以保证网络的独立性和自给性，以减少雷电直接窜入的可能，这是防止雷电形成的首要措施。总之，在整个系统接地时，一定注意接地电阻的最小化，接地电阻越大防雷效果就越差，应尽量的减小接地电阻，控制在4欧姆以下为最好。系统的防雷是一项综合的技术工程，任何一个环节出了漏洞，都会影响整个系统的防雷效果。在做系统的防雷设计时一定要本着科学严谨的态度，切实做好系统的防护设计。

1．建立联合接地系统，形成等电位防雷体系　　将建筑物的基础钢筋、梁柱钢筋、金属框架、建筑物防雷引下线等连接起来，形成闭合良好接地的法拉第笼，将建筑物各部分的交流工作地、安全保护地、直流工作地、防雷接地与建筑物法拉第笼良好连接，避免接地线之间存在电位差，消除感应过电压产生的原因。　　2．电源系统防雷　　在高压端各相安装防雷装置作为第一级保护，在低压侧安装阀门式防雷装置作为第二级保护，在楼层配电箱安装电源避雷箱作为第三级保护。　　3．综合布线系统防雷　　结构化布线系统是一个能够支持任何用户选择的话音、数据、图形图像应用的电信布线系统。系统应能支持话音、图形、图像、数据多媒体、安全监控、传感等各种信息的传输，支持utp、光纤、stp、同电缆等各种传输载体，支持多用户多类型产品的应用，支持高速网络的应用。结构化布线系统包括六个子系统：工作区子系统、水平支干线子系统、管理子系统、垂直主干子系统、设备子系统和建筑群主干子系统。　　（1）工作区子系统　　工作区由信息插座延伸至站设备。工作区布线要求相对简单，这样就容易移动、添加和变更设备。每个五类数据点含一个rj45插座，三类语音点含一个rj45插座，连接计算机网络的数据点，在管理子系统中已经采取了防护措施，一般不需要加装防雷设施；若需要利用调制解调器通过语音点连接计算机，由于语音线路与外线连接，有必要安装信号避雷器，作为末级防雷措施。　　（2）水平支干线子系统　　连接管理子系统至工作区，包括水平布线、信息插座、电缆终端及交换。指定的拓扑结构为星形拓扑。数据点和语音点采用双绞线铺设，最远的延伸距离为90米，除了90米水平电缆外，工作区与管理子系统的接插线和跨接线电缆的总长可达10米，要求铺设在金属桥架或金属管线内，与联合接地系统相连的金属桥架和金属管线充当了屏蔽层，两端或连接到网络设备或连接到垂直干线，不必再加装防雷设施。　　（3）管理区子系统　　放置电信布线系统设备，包括水平和主干布线系统的机械终端和交换线路，管理区子系统的数据部分安装在一个19英寸安装机柜中，材料包括五类配线架、光纤配线架、绕线环、标签等，采用双绞线作为垂直主干线，需要在机柜中安装计算机网络防雷器，作为计算机网络第二级防雷措施，防护由于引下线泄放雷电流而形成的电磁场突变产生的感应雷；语音部分采用用bix安装架固定在墙面，罩上防尘盖，材料包括25对接线板、绕线环和标签等，管理区子系统需要装信号避雷器，作为通信线路第二级防雷措施。　　（4）垂直主干线子系统　　它连接程控交换机室、设备间和入口设备，包括主干电缆、中间交换和主交接、机械终端和用于主干到主干交换的接插线或插头。　　语音主干线按照程控交换机和电信系统的标准和做法，采用100对三类非屏蔽大对数双绞电缆，已在管理区子系统安装了信号避雷器，一般不需要再装防雷设备。　　采用大对数双绞电缆作为数据传输主干缆，已在管理区子系统安装了信号避雷器，一般不需要再装防雷设备。　　采用光纤作为数据传输主干缆，可满足fddi、atm、快速以太网、光纤以太网的传输要求，用光纤作为计算机网络主干线，绝对避免了由于引下线泄放雷电流而形成的电磁场突变产生的感应雷，是最好的防雷措施。　　（5）设备子系统　　它是布线系统最主要的管理区域，所有楼层的资料都由电缆或光纤电缆传送至此。通常，此系统安装在计算机系统、网络系统和程控机系统的主机房内。通常分为语音管理和数据管理两部分。　　语音设备管理区子系统，连接大楼外各种线路，主要处理电话、x．25、ddn进线等，经与垂直干线子系统跳接后，连通各语音管理子系统。安装通信避雷柜，连接进出大楼的通信线路，覆盖了进出大楼所有通信线，大对数通信电缆必须埋地铺设，防护由于进出大楼的通信线路引入的感应雷。　　数据设备管理子系统，与大楼计算机房在同层，方便操作和管理，是计算机网络中心，采用光纤作为计算机网络主干线，绝对避免了雷电影响，是最好的防雷措施；若采用大对数双绞电缆作为数据传输主干缆，需要在机柜中安装计算机网络防雷器，作为计算机网络第一级防雷措施。　　（6）建筑群连接子系统　　提供外部建筑物与大楼内布线的连接点，实现建筑群之间的连接。采用广纤作为建筑物间网络连接介质，不需要安装避雷器，甚至可以架空铺设。若采用双绞线，必须埋地铺设。　　采用建筑物内避双绞线铺设时，导线必须单独铺设在弱电金属桥架或弱电金属管线内，金属桥架和金属管线与联合接地系统良好相连，充当导线的屏蔽层，不能与强电导线公用强电金属桥架或强电金属管线，强电金属桥架、强电金属管线与弱电金属桥架、弱电金属管平行铺设时，净距离不小于20厘米。　　进出建筑物的通信导线，不能通过架空线进出大楼，必须通过埋地铺设，并且需要加装金属护套或屏蔽层。

在系统接地时，一定注意接地电阻的最小化，接地电阻大防雷效果就差，尽量的减小接地电阻、控制在8欧姆以下为最好。