摘要 ：
依據大量的通信雷擊故障案例分析，充分說明了雷擊通信設備的根本原因就是由於通信工程在設計和施工階段，尤其是施工時，沒有按照有關的技術規範和要求去施工，造成了全國每年雷擊通信設備達 1 萬多次的不應發生的雷擊故障和隱患，強調施工質量才是通信設備免遭雷擊的根本原因。
關鍵詞：
施工質量 防雷措施 電源 SPDN 接地 雷擊 規範
作者簡介：
慕家驍：中國電信股份有限公司研究院高級工程師，研究方向：長期從事通信設備、IDC數據中心電源和環境的安全可靠性運行的研究和技術支撐工作，發明專利多個，國內主要刊物以署名第一發表論文 20 餘篇，正式出版發行專業著作 4 部。
羅森文：工學碩士，中國電信股份有限公司研究院高級工程師，通信電磁安全領域內著名專家，中國通信標準化協會 TC-9WG1 副會長，研究方向：通信電磁安全技術研究，發表論文 20 餘篇，專利多項。
鄭超文：學士，中國電信股份有限公司研究院工程師，研究方向：長期從事通信設備、IDC 數據中心電源和環境的安全可靠性運行的研究和技術支撐工作，發表論文多篇，正式出版發行專業著作 3 部。
本文發表在《廣東通信技術》2020.5
1引言
我國通信系統設備防雷的技術規範和標準應該說已經很全面和規範了，但有我們通信機房和設備每年為何還至少有上萬次的雷擊故障頻頻發生呢？造成如此大損失的根源究竟在哪裡呢？為此本文通過對一系列的典型雷擊故障案例進行了較詳細的分析和說明，提出了相應的對策和建議。
2雷電對我國通信機房的危害的基本情況
近年來隨著通信網絡的不斷髮展，我國已經建成了大量的 IDC 機樓和數百萬個基站，然而由於設計和施工單位對機房和基站的防雷措施施工不夠規範，造成雷擊的故障依然不斷地發生，四大運營商（包括鐵塔）每年遭受雷擊的故障達到了萬次以上，對我通信設備造成了極大的損失。
經對具有代表性的廣東、湖南、湖北等十個省市的通信機樓、IDC 機房、移動基站雷擊故障原因分析，發現雷擊的主要原因還是由於施工質量不夠規範所引起，每次都能從雷擊故障案例中找到施工不合格、不規範的問題，對此我們不能不引起足夠的重視。
3施工不規範是造成通信設備雷擊的主要原因
經過對大量的雷擊通信設備的故障調查分析，發現在每個雷擊故障案例中都能找到施工質量不合格和施工不規範的影子和薄弱環節，都能從中找到雷擊的直接或間接原因。若施工質量不合格和不規範，即使是把通信設備安裝到全金屬結構的集裝箱式機房內，也仍然免不了被雷擊的嚴酷事實，因此施工質量的規範和標準才是杜絕和減少雷擊故障的根本原因。
3.1 避雷器施工不規範引起的雷擊
3.1.1 避雷器欠缺所引起的雷擊
某分公司某大型 A 級樞紐通信大樓 IDC 數據機房位於 17 層大樓的中間位置 11 樓層，於 2015 年 6 月 10 日19 時 IDC 機房發生第 9 列電源機櫃 B 路 A 相電源被雷擊，同時 B 路空開及上端 UPS 空開跳閘外，發生 UPS 系統掉電故障，對應的 UPS 輸出也跳閘，直接影響客戶近 200多臺服務器工作異常。本次雷擊故障發生時，據維護人員反映，當時機房附近天空電閃雷鳴，雷電十分強烈。造成IDC 機房雷擊故障歷時約 1 小時，雷擊設備故障引起客戶對該運營商的技術服務能力和機房設施環境提出質疑和投訴。後經現場調查和分析，確定由於缺少 B 級電源避雷器，結果造成後面的 UPS 系統和機架電源被雷擊。
3.1.2 電源避雷器 SPD 引線過長的問題
根據某省移動公司對遭受雷擊基站的電源避雷器SPD的普查，SPD的連接線（包 括相線、中性線和接地線）長度統計，引線長度大於 1 m 的雷擊故障數佔到88.39%，引線長度小於 1 m 的僅佔到 11.61%，如表 1 所示。
說明電源避雷器 SPD 引線長度對雷擊影響很大。因為雷電流是高頻電流，在浪湧電流為 I=1 kA、di/dt=100 A/μs 時，在 2.5 mm2 導線上的電壓降為134.5 V；若導線長度為10 m 時，導線上的壓降就為 1805.4 V；而雷電流在導線的感抗上的壓降是電阻壓降的約20倍！若雷電流幅值為10 kA、20 kA 時，1 m 長的引線上的壓降就為數千伏之高！可見電源 SPD 的連接線對 SPD 防雷效果的影響之大。根據相關規範要求，模塊式電源避雷器 SPD應儘量安裝在被保護的設備內，若確實無法安裝時，可使用箱式 SPD，並安裝在被保護設備附近的牆上或其它地方，但其電源引線和接地引線均不應超過 1 m，且接地引線儘量避免與電源線緊挨平行布放，越短直越好。而且許多通信局站在安裝電源避雷器 SPD 時根本就不注意其連接線長度的問題，在查勘被雷擊很嚴重的通信局站時，甚至發現有的電源避雷器 SPD 的引線長度達 20 m 左右的，這樣的電源避雷器還能起到防雷作用嗎？
3.1.3 信號避雷器欠缺引起的雷擊故障
某分公司動環監控系統屢屢發生雷擊故障，每次動環監控系統廠家維護人員過來處理故障都要收取數千元的費用，維護人員為此頭疼不已。據維護人員反映，所有動環監控系統的前端採集器也都全部安裝了信號避雷器，但後來經過現場詳細檢查，發現其它採集器都按設計要求安裝信號避雷器，但唯有該信號採集器沒有安裝信號避雷器，後來補安裝了該數據採集器的信號避雷器後，再也沒有發生過類似的雷擊故障現象。
3.1.4 數據信號避雷器安裝不規範所引起的雷擊故障
某運營商在某市新建的大型 IDC 機樓的消防系統屢屢被雷擊，後來發現該消防監控系統主機安裝了 20 多個24 V 直流電源的 485 數據信號避雷器，但在安裝這 24 V直流電源 485 數據信號避雷器時卻沒有安裝這些 24 V 直流電源 485 數據信號線避雷器的地線，導致這些 24 V 直流電源 485 數據信號線避雷器形同虛設，跟本起不到避雷的作用，才導致該 IDC 機樓的消防監控主機系統屢屢被雷擊故障現象。如圖 1 所示。
3.2 地線系統施工不規範
3.2.1 室內天饋線防雷地線和工作地混接引起的雷擊故障
某 A 級機樓核心網機房位於該大樓6層，不但有傳輸設備、軟交換等重要通信設備，同時還發現有大量基站設備。現場發現軟交換及傳輸設備的電源列櫃 D 級防雷模塊也多次遭受雷擊，D 級防雷模塊有燒黑的跡象。但 B 級和 C 級電源避雷器完好無損，雷擊後該分公司的維護人員及時更換了被雷擊壞的通信主設備和電源列櫃 D 級防雷模塊；進一步調查發現該機房內天饋線接地線雖然有獨立專用地線排，但新建的室外基站天饋線地線排與室內總設備地線排用一條線徑為 95 mm2 的電纜電氣連通，甚至與直流工作地線排都一起電氣連通，就是說天饋線地線排雖然有獨立地線排，但天饋線防雷地線與室內直流工作地線及設備保護地線都彼此相互電氣連通！當室外天饋線及室外地線上感應到雷電壓和雷電流時，這些感應到雷電流和雷電壓就會沿著天饋線地線系統直接進入到機房內的總地線排上，再通過室內總地線排繼續沿著電源列櫃上的電源避雷器地線、通信設備機架地線最終湧入到通信電源防雷模塊、通信設備機架上，並打壞通信電源防雷模塊和整流模塊，同時還會繼續隨著直流整流模塊電源路經又湧入到各種通信主設備當中，將通信主設備也打壞。該樓層機房總地線排連接連接圖如圖 2 所示。
3.2.2 室外總地線引線不規範引起的雷擊故障
某運營商為了防雷，將基站直接建在全金屬集裝箱式建築物內，但依然頻頻遭遇雷擊，該基站內的直流開關電源共有四個整流模塊、無線設備主控板、數據接口等部位都多次遭到嚴重的雷擊故障，該基站電源為市電三相四線制輸入，交流市電總輸入側安裝了某品牌 C 級電源避雷器（通流容量為 40 kA）無損壞，且該 C 級電源避雷器的雷電計數器無任何雷電入侵歷史記錄，開關電源監控模塊的故障及歷史記錄事件也很清晰、無任何異常，系統參數設置也無異常事件發生和告警信息，開關電源輸入端安裝有通流容量為 20 kA 的 D 級電源避雷器一套。且維護人員反映，當空中打雷時會在該全金屬集裝箱式機房機殼上會感應出很高的感應電壓，維護人員都不敢碰觸全金屬結構的集裝箱式基站金屬外殼。
現場調查，該基站的機房內的所有地線系統都連接到一個總地線排上面，而該地線排用一條 95 mm2 的電纜連接到鍍鋅扁鐵上面後，再引出到室外與鐵塔和天饋線地線一起引入到大地地網中，見圖 3 所示。這樣當鐵塔和天饋線地線系統將雷電流引入大地後還未下地就直接流入到室內總地線排的鍍鋅扁鐵地線上面，直接沿著 95 mm2 的地線電纜“倒灌”進入到室內總地線排上，再沿著室內開關電源 D 級避雷器的地線進入到開關電源整流模塊、並打壞開關電源整流模塊後再沿著開關電源直流電源進入到基站設備系統之中，打壞無線設備主控板、數據接口等部位。
由於室外鐵塔和天饋線地線”倒灌”引入的雷電流進入到室內的總地線排上面後就直接沿著開關電源的 D 電源避雷器地線流入了開關電源的正極，並打壞了開關電源整流模塊和其它無線設備，而 C 級電源避雷器的通流容量比D 級電源避雷器容量大了整整一倍，且雷電流在 C 級電源避雷器處也是方向相反的雷電電流，因此根本就沒有起到防雷的作用，因此儘管 C 級電源避雷器就沒有任何的雷擊的記錄而開關電源卻遭到雷電損壞也在情理之中了。
由於該機房地線系統沒有把設備機殼保護地線、直流工作地、避雷器保護地以及天饋線走線架保護地等實行三種地線未分開布放，因此當雷電擊中鐵塔後，雷電流就直接可以沿地線系統直接”倒灌”到開關電源模塊上面，而電源避雷器上就根本起不到洩放雷電的作用，因此 SPD電源避雷器的記錄始終還為“0”次，開關電源監控模塊的故障及歷史記錄事件清晰、無異常，系統參數設置也無異常事件和告警，而通信電源模塊和相關通信設備則被雷擊嚴重擊壞，此外由於集裝箱基站也全部都是全金屬結構，且地線也全部都連接在一起，因此全金屬結構的電位也很高，當空中打雷時會在該全金屬集裝箱式機房機殼上感應出很高的靜電感應電壓和電磁感應電壓，維護人員就碰觸全金屬結構的集裝箱式基站金屬外殼時，電壓就當然很高而不敢接近了。
由此可見，若不按照相關規範和要求去做，即使把通信設備安裝到全金屬結構的集裝箱式機房內也會遭受嚴重的雷擊故障，可見防雷措施的施工質量何等重要。
3.3 電力電纜違規架空引入
根據規範的相關要求，進入通信機房和基站的電力電纜要改為進局電力電纜，然而有些通信局站還是架空電力電纜引入，造成基站雷擊的安全隱患，表 2 是某省移動公司在一年中被雷擊基站的電力電纜的布放方式比較。
由此可見，基站的絕大部分雷電基本都是由架空電力電纜所引入。由於當電纜在進入機房之前埋地的話，電纜的金屬護層是接地的，它有非常好的屏蔽作用；另外電纜的金屬護層還可以在纜芯線上感應出與雷電流方向相反的感應縱電動勢，大大抵消了電纜芯線上的雷電流，這是直埋電纜雷害少的根本原因，也是要求金屬護層接地本質所在。
3.4 基站防直擊雷與設備接地地線間距過短問題
基站鐵塔遭直擊雷概率高，為防止直擊雷入地後反擊到設備上，基站設備接地系統的地線入地點與直擊雷地線入地點必須要保持一定間距，一般要求建議保持至少 3~5 m 間距以上。據某省移動公司在一年當中對遭雷擊的移動基站統計，有很大比例站點（60% 以上）未滿足這個要求。若這二種地線之間的間距太小時，就會有直擊雷入地的雷電流就會反擊到基站直流電源的正極和設備外殼上面，從而擊害通信設備和對人身造成傷害。在以往我們查勘遭受雷擊的局站內，有的甚至將室內工作地和電源避雷器 SPD 的地線共點連接，危險性更大。
3.5 施工質量和工藝問題
施工質量和施工工藝不合格也是造成雷擊通信設備的很重要的原因。某通信基站被雷電嚴重燒燬所有的電源模塊，經我們現場自己檢查，發現由於施工單位在施工時，將連接電源避雷器零線末端的塑料層剝離得不夠長，用螺絲固定連接時，螺絲沒有直接接觸到連線的金屬銅芯線上，而是壓接在連接導線的塑料層上面，將塑料外護層壓了個深深的螺絲頭印。這雖然看起來是很小很小的一個問題，但實際上所造成的防雷效果是比不安裝電源避雷器 SPD要嚴重許多倍！因為即使不安裝電源避雷器 SPD，電源的相線、零線和地線彼此之間的所感應的雷電壓差還不是很大，但若像此案例，等於相線下地了，而零線卻浮空了，這之間產生的雷電壓就是原來的數倍、數百倍！所以這樣安裝的電源 SPD 不但起不到防雷作用，反而是數倍增加了雷擊通信電源的概率。
4結語
我國是雷電活動比較多的國家和地區，每年都會有大量通信網絡設備遭受雷擊破壞，尤其近年來，我們大力建設的 IDC 數據機房和基站數量不斷增加，對我國通信所造成的危害和損失日益嚴重。教訓也是深刻的，我們每年那麼多的雷擊故障，其實都是可以避免，至少可以大幅度地減少，甚至完全可以避免的，其根本的原因就是在於在施工建設過程當中，沒有嚴格按照規範去設計和施工所造成的。
為此建議我們通信企業在通信工程建設過程中，在工程設計、施工和監理過程中，一定要嚴格把關，嚴格相關的國標、行標來施工和建設，同時在工程驗收過程中，也要嚴格把關，不放過每一個節點，尤其是隱蔽工程，更應該在施工期間就把好關，確保施工質量，可以達到事半功倍的效果，否則就可能留下雷擊故障的隱患。
本文收錄在《中國防雷技術選編》
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