第7章通信接地与防雷.ppt

2019/6/17,1,主要内容 概述 接地、接地系统的概念 接地系统的组成、功能 接地的作用及分类 接地系统 分设接地系统 联合接地系统的作用及组成 接地电阻 接地电阻的组成极其影响因素 降低接地电阻的方法、接地装置的埋设及接地电阻的测量 通信电源系统的防雷保护 雷电的形成、特征、分类及危害 通信电源系统防雷保护及措施,2019/6/17,2,重点难点 本章重点 接地系统的组成、影响接地电阻的因素 通信电源系统接地的分类及各自的作用 联合接地的优点和组成特点 通信电源系统防雷保护原则和措施 本章难点 交流保护接地的保护原理 联合接地的组成,2019/6/17,3,7.1 概述,接地系统在通信电源系统中的地位 接地系统是通信电源系统的重要组成部分，它不仅直接影响通信的质量和电力系统的正常运行，还起到保护人身安全和设备安全的作用。 几个概念 接地 接地就是将电气设备的某一可导电部分与大地作电气连接或金属性连接，称电气接地，简称接地 。 接地系统 接地系统就是在规定区域内由所有互相连接的多个接地连接组成的系统 电气地 大地是一个电阻非常低、电容量非常大的物体，它拥有吸收无限电荷的能力，而且在吸收大量电荷后仍能保持电位不变，因此适合作为电气系统中的参考电位体。这种“地”称为电气地,2019/6/17,4,地电位 地电位是指流散区以外的土壤区域。在接地极分布很密的地方，很难存在电位等于零的电气地。 试验证明：在距单根接地极或碰地处 20m 以外的地方，电位已趋于零。这个电位为零的电气地，在工程上就叫做地电位。 逻辑地 在电子设备中，各级电路电流的传输、信息转换要求有一个参考的电位，这个电位还可防止外界电磁场信号的侵入，常称这个电位为“逻辑地” 。 跨步电压 跨步电压：就是指电器设备发生接地故障时，在接地电流入地点周围电位分布区行走的人，其两脚之间的电压 。,思考：电气地是否与地理地一样？,思考：逻辑地是否与地理地一样？,2019/6/17,5,接地系统应具备的功能 防止电气设备事故时故障电路发生危险的接触电位和使故障电路开路； 保证系统的电磁兼容（EMC）的需要，保证通信系统所有功能不受干扰； 提供以大地作回路的所有信号系统一个低的接地电阻； 提高电子设备的屏蔽效果； 减低雷击的影响，尤其在高层电信大楼和山上微波站的防雷影响更大 。,2019/6/17,6,接地系统的组成 接地系统由接地体、接地引线、地线排、接地配线、设备机房地线排、机房汇流排、接地分支和设备接地端等构成。,图7.1 接地系统的组成,2019/6/17,7,接地体 接地体又称接地电极，它是指使通信局（站）各地线电流汇入大地扩散和均衡电位而设置的与土地物理结合形成电气接触的一个或一组导电体。它通常采用圆钢或角钢，也可采用铜棒或铜板 接地引入线 接地引入线就是把接地电极连接到地线盘（或地线汇流排）上去的导线。在室外与土壤接触的接地电极之间的连接导线则形成接地电极的一部分，不作为接地引入线 地线排 地线排又称地线汇流排，它是专供接地引入线汇集的小型配电板或母线汇接排，同时，地线排通过接地配线与设备机房地线排相连。 接地配线 接地配线就是把必须接地的建筑物内分布设备的各个部分连接到设备机房地线排并且将设备机房地线排连接到地线排上去的导线,2019/6/17,8,7.2 接地的作用及分类,接地的作用 接地的作用是防止人身遭受电击、避免设备和线路遭受损坏，同时防止静电损害电子设备器件和防止雷电引入损坏各种电子设备，提高通信设备和其他电子设备的屏蔽效果，保障电源系统和通信系统正常运行。 通信局站蓄电池正极或负极接地的作用 电话局蓄电池组-48或-24V系正极接地，其原因是减少由于继电器或电缆金属外皮绝缘不良时产生的电蚀作用 接地可避免触电对人体造成危害 为了避免触电事故，需要采取各种安全措施，而其中最简单有效和可靠的措施是采用接地保护。就是将电气设备在正常情况下不带电的金属部分与接地体之间作良好的金属连接 重复接地的作用 以防止因保护线断线而造成的危害,2019/6/17,9,接地的分类 保护性接地 保护接地 保护接地又称为防电击接地。当交流设备的绝缘损坏时，会使平时不带电的外露导体部分（金属外壳）带电，从而危害到人身安全 防雷接地 防雷接地是为了防止建筑物或通信设施遭受到直击雷、雷电感应以及沿管线传入的高电位等引起的破坏性后果，而采取把雷电流安全泄掉的接地系统 防静电接地 防静电接地是将静电荷引入大地，防止由于静电荷积聚对人体和设备造成危害 防电蚀接地 防电蚀接地是在地下埋设金属作为牺牲阳极或阴极，保护与之连接的金属体,2019/6/17,10,功能性接地 工作接地 在交流电力系统中，运行需要的接地称为交流工作接地。交流工作接地一般在中性点； 直流工作接地通常是指通信局（站）直流电源的一极接地（如-48V系统电源正极接地） 电力系统的中性点 电力系统的中性点是指星形连接的变压器或发电机的中性点。 工作接地指电力系统中性点接地方式，也就是常说的电力系统中性点运行方式。,工作接地又可分为交流工作接地和直流工作接地,2019/6/17,11,中性点接地方式 我国电力系统中普遍采用的3种中性点接地方式 中性点直接接地 主要优点是：单相接地时，其中性点电位不变，非故障相对地电压接近于相电压（可能略有增大），因此降低了电力网绝缘的投资，而且电压越高，其经济效益也越大。,2019/6/17,12,中性点不接地 主要优点是运行可靠性高。单相接地时，不能构成短路回路，接地相电流不大，电力网线电压的大小和相位关系仍维持不变，但非接地相对地电压升为线电压,2019/6/17,13,中性点经消弧线圈接地 当中性点不接地系统单相接地电流较大时，可采用中性点经消弧线圈接地。根据消弧线圈的电感电流对接地电容电流补偿程度，有三种补偿方式：（1）全补偿；（2）欠补偿；（3）过补偿。,2019/6/17,14,保护接零 在中性点直接接地的三相四线制380/220V电力网中，保证维护安全的方法是采用保护接零，即将用电设备的金属外壳与电源（发电机或变压器）的接地中性线作金属性连接，并要求供电给用电设备的线路，在用电设备一相碰壳时，能够在最短的时限内可靠地断开。 屏蔽接地 屏蔽接地用于将电气干扰源引入大地，保证系统电磁兼容性的需要 信号接地 信号接地是为了保证信号具有未定的基准电位而设置的接地 。,2019/6/17,15,接地的分类,图7.2 接地的分类,2019/6/17,16,7.3 接地系统,分设接地系统 分设接地系统又称分散接地系统，它是将一个通信局（站）的交流接地系统、直流接地系统和防雷接地系统分别安装设置，互不连接，并且在距离上分开20m以上的接地系统。,图7.3 通信局（站）分设接地系统示意图,2019/6/17,17,分散接地系统存在的问题 雷电易使装置设备产生过电压 雷浪涌电流在这些分离的接地体之间产生电位差，使装置设备产生过电压 。 各接地系统间相互影响增大 外界电磁干扰日趋增大，使各接地系统间相互影响增大 接地装置数量过多 接地装置数量过多，无法在地盘狭窄的闹市区的建筑物周围找到合适的地线场地，导致打入土壤的接地体过密排列，不能保证相互间所需的安全间隔，以造成接地系统间相互干扰 现代建筑的使用，很难把各接地系统真正分开 在实际施工中由于走线架、建筑物内钢筋等导电体的存在，很难把各接地系统真正分开，达不到分设的目的 不易施工和使用,2019/6/17,18,联合接地系统 联合接地是综合考虑各个系统、各种设备的接地要求，把工作接地、保护接地和建筑防雷接地互联，共同使用同一地网的接地方式,图7.4 通信局（站）联合接地系统示意图,2019/6/17,19,联合接地系统的组成 由大地、接地体、接地引入、接地汇集线和接地线组成,图7.5 联合接地方式示意图,2019/6/17,20,联合接地的优点 消除危及设备的电位差 采用联合接地系统，地电位均衡，同层各地线系统电位大体相等，消除危及设备的电位差。 当发生地电位上升时，设备间基本上不存在电位差 全局按一点接地原理采用一个接地系统（地网），当发生地电位上升时，各处的地电位一齐上升，在任何时候，基本上不存在电位差。 消除了地线系统的干扰 通常依据各种不同电特性设计出多种地线系统，彼此间存在相互影响，而采用一个接地系统之后，使地线系统做到了无干扰。 电磁兼容性能变好 由于强电、弱电，高频及低频电都是等电位，又采用分屏蔽设备及分支地线等方法，所以提高了电磁兼容性能。,2019/6/17,21,2019/6/17,22,图7.6 单柜系统接地方法,2019/6/17,23,图7.7 双柜系统接地方法,2019/6/17,24,图7.8 三柜系统接地方法,2019/6/17,25,图7.9 重复接地,2019/6/17,26,7.4 接地电阻,接地系统的电阻 接地系统的电阻是由土壤电阻和接地体之间的接触电阻及接地体本身的电阻三部分电阻的总和。 在接地系统电阻中，起决定性作用的是接地体附近的土壤电阻。因为一般土壤的电阻都比金属大几百万倍。 接地电阻组成 接地引线电阻 接地引线一般是有相应截面的良导体，故其电阻值是很小 接地体本身电阻 大部分的接地体采用钢管、角钢、扁钢或钢筋等金属材料，其电阻值也是很小的 接地体与土壤的接触电阻 由土壤的湿度、松紧度及接触面积的大小决定 接地体周围呈现电流区域内的散流电阻,2019/6/17,27,影响接地电阻的因素 土壤的性质 不同性质的土壤，它们的土壤电阻率差别很大 土壤的温度 施工时，将接地体埋设在冻土层以下，避免产生大的接地电阻 土壤的湿度 一般地讲，湿度增加会使土壤电阻率明显减小 土壤的密度 土壤受到的压力越大，其内部颗粒越紧密，电阻率就会减小 土壤的化学成分 土壤中含有酸、碱、盐等化学成分时，其电阻率就会明显减小 季节对土壤电阻率的影响 一般冬季土壤电阻率最大，夏季最小,2019/6/17,28,人工降低接地电阻的方法 接地装置的接地电阻难以达到要求值时，要采用人工降低接地电阻的办法来解决问题。如采用增大地网面积、置换土壤、埋深电极、使用降阻剂、地网外引到附近土壤电阻率较低的地带等方法来改善接地条件。 换土法 将电阻率高的砂砾土运走，换上比原来土壤电阻率小得多的土壤，可以是粘土、泥炭、黑土等，必要时可以使用焦炭粉和碎木炭。 层叠法 在地体的周围，挖一个坑，然后在上面交替地铺上68层土壤（可混入焦炭、木炭等）及食盐。 化学降阻剂法 化学降阻剂敷在接地电极和自然土壤之间，相当于增大了接地体的几何尺寸，扩大电极与良导体的总接触面积，减小接触电阻。,2019/6/17,29,接地装置的埋设与接地电阻的测量 接地体和接地导线的选择 接地体的地埋形式分为水平接地体和垂直接地体 水平接地体埋于地中的表层，有扁钢、线缆及其金属包皮和埋入基础内的导体等。 垂直接地体埋于较深的土壤内，有钢棒、钢管、混凝土柱内的钢筋、自流井管等 接地导线的选定要从机械强度、耐腐蚀性及电流容量三方面来考虑 埋设接地装置的施工要求 坚固牢靠 电气连接可靠 焊接点牢固并进行防腐处理 便于测试,2019/6/17,30,接地电阻的测量 接地电阻的测量，一般采用 三极测试法 三极测试法按使用仪器分又为电流表-电压表法；接地电阻测量仪测试法 卡钳法 采用专用的接地电阻测量仪 土壤电阻率的测量 土壤电阻大小用土壤电阻率来表示 不同的土壤有不同的电阻率，而同一种土壤，由于含水量、温度和水中含的电解质不同，土壤电阻率也不同。 设计接地装置，应当先实地测量土壤的电阻率,2019/6/17,31,7.5 通信电源系统的防雷保护,7.5.1 雷电的形成和特征 雷电是因强对流气候而形成的雷雨云层之间或者云层与大地间强烈瞬间的放电现象。 雷电的形成 雨滴分裂作用理论 水气升到高空，遇冷凝结形成小水滴。因上升气流的不稳定，水滴在运动过程中相互摩擦、碰撞、分裂形成大小不等的水珠； 大水珠带正电荷，小水珠带负电荷，小水珠容易被上升气流带到上层云层，大水珠则留在下层或降落到地面，这样便形成了电荷的分离过程 当带电荷云层逐步积累到足够的电荷量时，便相互放电产生闪电现象，形成雷电。 电场极化理论 距离地面80公里以上的电离层具有一定的导电能力，而且是带正电荷的，而大地是带负电荷、形成比较稳定的大气电场。,2019/6/17,32,产生 形成雷云 云中电荷分布不均匀 部分统计特性 多数雷电放电发生在云内，少数发生在雷云与大地之间 90左右的雷是负极性,2019/6/17,33,雷电过电压 雷电过电压又称为大气过电压或外部过电压，它是由于变配电系统内的设备或建筑物遭受到来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压。 雷电过电压有两种基本形式 直击雷或直接雷击 雷电感应或感应雷 雷电的特征 冲击电流大。其电流高达几万、几十万安培。 时间短。一般雷击分为三个阶段，即先导放电、主放电、余光放电。整个过程一般不会超过60微秒。 频率高雷电流变化梯度大，有的可达10千安/微秒。 冲击电压高，强大的电流产生的交变磁场，其感应电压可高达上亿伏。,2019/6/17,34,雷电分类及危害 自然界中的雷击主要分直击雷和感应雷（雷电电磁脉冲LEMP）两类 直击雷 直击雷是雷雨云对大地和建筑物的放电现象。它以强大的冲击电流、炽热的高温、猛烈的冲击波、强烈的电磁辐射损坏放电通道上的建筑物、输电线、室外电子设备，甚至击死击伤人畜，造成一定的财产损失和生命损失。 感应雷 感应雷是由雷雨云之间的静电感应，或放电时的电磁感应以及雷电电磁脉冲辐射作用，使物体上的金属部件，如管道、钢筋、电源线、信号传输线等感应出雷电过电压、过电流，雷电波通过这些通道侵入电子信息系统内，导致电子设备损坏、信息系统中断等严重事故。,2019/6/17,35,雷电的危害 雷电的热效应和机械效应 遭受直接雷击的树木、电杆、房屋等，因通过强大的雷电流会产生很大的热量，但在极短的时间内又不易散发出来，所以会使金属熔化，使树木烧焦。同时由于物体的水分受高热而汽化膨胀，将产生强大的机械力而爆炸，使建筑物等遭受严重的破坏。 雷电的磁效应 在雷电流通过的周围，将有强大的电磁场产生，使附近的导体或金属结构以及电力装置中产生很高的感应电压，可达几十万伏，足以破坏一般电气设备的绝缘；在金属结构回路中，接触不良或有空隙的地方，将产生火花放电，引起爆炸或火灾。,2019/6/17,36,通信电源系统防雷保护原则 重视接地系统的建设和维护 做好接地系统才能让雷电流尽快入地，避免危及人身和设备安全； 电信建筑物屋顶上设置避雷针和避雷带等接闪器与建筑物外墙上下的钢筋和柱子钢筋等结构相连接，再接到建筑物的地下钢筋混凝土基础上组成一个接地网； 加强对联合接地的维护工作，定期检查焊接和螺丝加固处是否完好，建筑物和铁塔的引下线是否受到锈蚀，影响防雷作用。 采用等电位原理 等电位原理是防止遭受雷击时产生高电位差的使人身和设备免遭损害的理论根据。电信局站采用联合接地，把建筑物钢筋结构组成一个呈法拉第笼式的均压体，使各点电位分布比较均匀，则工作人员和设备安全将得到较好保障，而且对电信设备也起到屏蔽作用 。,2019/6/17,37,采用分区保护和多级保护 将需要保护的空间划分为不同的防雷区（LPZ），以确定各部分空间不同的雷电电磁脉冲（LEMP）的严重程度和相应的防护对策。,2019/6/17,38,防雷区 将需要保护的空间划分为不同的防雷区，以规定各部分空间不同的电磁环境，同时指明各区交界处的等电位联结点的位置。 LPZ0A：本区内各物体可能遭受直接雷击,电磁场没有衰减； LPZ0B：本区内各物体不可能遭受直接雷击,电磁场没有衰减； LPZ1：本区内各物体不可能遭受直接雷击，电磁场有可能衰减； LPZ2：后续防雷区，电磁场有进一步的减小。,一个被保护的区域，从电磁兼容的观点来看，由外到内可分为几级保护区，最外层是0级，是直接雷击区域，危险性最高；越往里，则危险程度越低。,2019/6/17,39,雷电参数简介雷暴日 表征雷电活动的频率：年平均雷暴日 北回归线以南的大部分地区，平均雷暴日数一般在80以上； 北回归线到长江一带约为4080之间； 长江以北的大部分地区（包括东北）多在2040之间； 西北地区的大部分地方在20以下； 西藏雅鲁藏布江一带约为5080。 少雷区：我国把年平均雷暴日不超过25天的区域 中雷区：年平均雷暴日在2540天的区域 多雷区：年平均雷暴日在4090天的区域 强雷区：年平均雷暴日在90天的区域以上。,2019/6/17,40,雷电参数简介雷电流波形 T1：波头时间 T2：半峰值时间 Ip： 峰值电流 主要雷电测试波形：8/20us、10/350us（电流波）；10/700us、1.2/50us（电压波）等。,T1,T2,10,100,50,I%,Ipeak,t,2019/6/17,41,雷电参数简介雷电波频谱分析 通过对雷电波的频谱分析可知： 1.雷电流主要分布在低频部分，且随着频率的升高而递减。在波尾相同时，波前越陡高次谐波越丰富。在波前相同的情况下，波尾越长低频部分越丰富； 2.雷电的能量主要集中在低频部分，约90以上的雷电能量分布在频率为10kHz以下。这说明了在信息系统中，只要防止10kHz以下频率的雷电波窜入，就能把雷电波能量消减90以上，这对防雷工程具有重要的指导意义。,2019/6/17,42,雷电过电压的产生 直击雷 感应雷 线路来波 地电位反击,直击雷的防护主要是建筑防雷应完成的任务，感应雷、线路来波、地电位反击是需要通信设备防雷需要认真考虑的因素,2019/6/17,43,直接雷,a、直接雷一,b、直接雷二,天馈线,高电位引入；大电流引入,2019/6/17,44,设备间互联的信号电缆,设备间互连信号电缆,感应雷,2019/6/17,45,雷电侵入波,低压电力线,2019/6/17,46,机房内设备之间的地电位差,2019/6/17,47,加装电涌保护器（Surge Protection Device） 电涌保护器（SPD）是抑制传导来的线路过电压和过电流装置，包括放电间隙、压敏电阻、二极管、滤波器等。 放电间隙、压敏电阻电涌保护器也称为避雷器，正常时呈高阻抗，并联在设备电路中，对设备工作无影响。当受到雷击时，能承受强大雷电流浪涌能量而放电，呈低阻抗状态，能迅速将外来冲击过量能量全部或部分泄放掉，响应时间极快，瞬间又恢复到平时高阻状态。,2019/6/17,48,通信电源系统雷电防护及措施 直击雷防护 常规直击雷防护的方式一般采用“引雷性”，主要靠架高接闪器来主动引雷泄放入地。 感应雷防护 据统计，通信电源系统受雷击损坏，绝大部分是由感应雷造成的。由于通信电源系统接口较多、线路较长等原因，给雷电电磁脉冲（LEMP）的耦合提供了条件。电源线接口，信号传输接口、天馈线接口等是感应脉冲侵入的主要通道。 通信电源系统防雷保护的主要措施 微波站和卫星地球站，采用高压架空线的市电高压引入线路进站端上方宜设架空避雷线； 城区内的电信局，市电高压引入线路宜采用地理电力电缆进入通信局 ； 电力变压器高、低压侧均应各装一组避雷器，避雷器应尽量靠近变压器装备,2019/6/17,49,通信电源系统防雷措施,2019/6/17,50,保护接地线的线径 设备额定工作电流,防雷 抗偶然外力碰触,2019/6/17,51,接地问题解答 机房内无保护接地排，配电柜48V正极排能否当做保护地排？ 首先应向用户要求提供机房保护接地排。 如果用户表示无法提供机房保护接地排，可以考虑将机房AC/DC电源设备的48V正极排当做机房的保护接地排。 首先要征得用户的同意。也即用户同意将AC/DC电源设备的48V正极排当做机房的保护接地排， 这样做不能称为复接到工作地线上 必须保证AC/DC电源设备的电源48V正极排是可靠接地大地的!,小结,2019/6/17,52,机房无保护接地排，能否通过交流电源的PE接地 小型台式终端设备、或低端设备，用户家庭或办公环境，设备功耗很小，采用普通电源软线供电； 大型柜式局用设备。 功耗大，采用专用电源线供电； 小型箱式或柜式局用设备。功耗较小，普通电源软线供电。 设备可以通过电源软线中的PE线做保护接地。但不推荐这样做。 需要掌握设备的额定电流； 确保用户提供的公网电源插座中的PE端子已经可靠接地。 逆变器已做保护接地，终端设备是否需要保护接地? 终端设备不能只利用逆变器电源插座中的接地端做保护接地。终端设备自身还需要引出单独的保护接地线。 逆变器本身不是具有转接接地线功能的设施。一个独立的用电设备，不能够利用另一个不具有转接接地线功能的设备来做保护接地。,2019/6/17,53,交流电源线中保护地和楼内的机房接地排的关系 与直流供电的主设备有信号线连接关系的交流用电终端设备，很多公司研发体系一直支持终端设备的保护接地线断开与交流电源PE线的连接，连接到机房接地排上，这样做对EMC、防雷、接地可靠性都有好处。 但目前研发体系没有将这个要求变为强制要求，因为接地的本质目的是为了设备和人身的安全保护，从这个角度讲，交流电源线中的PE和大楼内的接地排本质的作用是一致的。 DDF架的接地 对DDF架接地的要求是： a、DDF架具有金属外壳，所有DDF架的外壳应做保护接地 b、DDF架不耗电，所以保护接地线的线径要求不高。一般以10平方毫米，或16平方毫米为宜。 c、DDF架要求E1同轴电缆的外皮与金属机壳良好接触，在相关标准中没有提及过这个问题，所以不对这个问题给出要求。,2019/6/17,54,机架的绝缘问题 通信设备除了专门连接的保护接地线之外，通信设备的金属外壳应该与机房内的地面、墙壁、天花板、走线架绝缘 在公司内要求设备金属外壳设计为与机房四周绝缘，不是从安全、防雷、EMC角度提出来的。 在公司内要求设备金属外壳设计为与机房四周绝缘，是从规范符合 度的角度提出来的。 设备除了有意连接的保护接地线之外，设备放置在机房内，不允许因为偶然因素而可能出现另外的接地路径.,2019/6/17,55,老式防雷方案,2019/6/17,56,现行防雷方案,2019/6/17,57,C级防雷 防雷空开作用：防火,2019/6/17,58,D级防雷,