1、第10章 通信接地与防雷解析第10章 通信接地与防雷本章内容 接地系统概要：接地系统的组成、影响接地电阻的因素、接地中关于电压的概念、接地的分类作用。 联合接地系统：优点、组成、特点。 通信电源系统的防雷保护：雷电相关知识的介绍、常见防雷元件、系统防雷保护措施。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。 常见防雷元件。 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。 联合接地的组成特点。 雷电危害。本章学时数 6课时。学习本章目的和要求 掌握接地系统的组成和影响接地电阻的主要因素，理解接地系统中几个电压的
2、概念。 掌握交流工作接地的概念以及作用。 掌握TN-S接地系统的接法和优点。 掌握直流工作接地的作用，理解采用正极接地的原因。 掌握联合接地的优点，理解联合接地系统接线方式和均压的特点。 了解雷电的相关知识，理解常见防雷元件的工作机理并熟悉它们常用技术指标，掌握通信电源系统防雷保护原则和措施理解方法。10.1接地系统概要在通信局（站）中，接地占有很重要的地位，它不仅关系到设备和维护人员的安全，同时还直接影响着通信的质量。因此，掌握理解接地的基本知识，正确选择和维护接地设备，具有很重要的意义。10.1.1接地系统组成10.1.2接地电阻组成及影响接地电阻的因素1接地电阻组成接地体对地电阻和接地引
3、线电阻的总和，称为接地装置的接地电阻。接地电阻的数值，等于接地装置对地电压与通过接地装置流入大地电流的比值。接地装置的接地电阻，一般是由接地引线电阻、接地体本身电阻、接地体与土壤的接触电阻以及接地体周围呈现电流区域内的散流电阻四部分组成。在上述决定接地电阻大小的四个因素中，接地引线一般是有相应截面的良导体，故其电阻值是很小的。而绝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决定于土壤的湿度、松紧程度及接触面积的大小，土壤的湿度越高、接触越紧、接触面积越大，则接触电阻就小，反之，接触电阻就大。电流由接地体向土壤四周扩散时，愈靠近接地体，电流密度愈
4、大，散流电流所遇到阻力愈大，呈现出的电阻值也愈大。也可以看出，电流对接地电阻的影响最大，所以接地电阻主要由接触电阻和散流电阻构成。2影响接地电阻的因素上面已经分析了接地电阻主要由接触电阻和散流电阻构成，所以分析影响接地电阻的因素主要考虑影响接触电阻和散流电阻的因素。接触电阻指接地体与土壤接触时所呈现的电阻，在上一节中已经作了描述。下面重点讨论散流电阻的问题。散流电阻是电流由接地体向土壤四周扩散时，所遇到的阻力。它和两个因素有关：一是接地体之间的疏密程度。考虑到保护电流刚从接地体向大地扩散时，其有限的空间电流密度很大，所以在实际工程设计时不能将各接地体之间埋设得过于紧密，一般埋设垂直接地体之间间
5、距是其长度的两倍以上。二是和土壤本身的电阻有关。衡量土壤电阻大小的物理量是土壤电阻率。（2）土壤的温度当土壤的温度在0以上时，随土壤温度的升高，土壤电阻率减小，但不明显，当土壤温度上升到100时，由于土壤中水分的蒸发反而使土壤电阻率有所增加。但是当土壤的温度在0以下时，土壤中水分结冰，其土壤电阻率急剧上升，而且当温度继续下降时，土壤电阻率增加十分明显。因此，在实际工程设计施工时，应将接地体埋设在冻土层以下，以避免产生很大的接地电阻。同时，我们应该考虑到同一接地系统在一年中的不同季节里，其接地电阻不同，这里面有土壤温度的因素，还有湿度的因素。（3）土壤的湿度土壤电阻率随着土壤湿度的变化有着明显的
6、差别，一般地讲，湿度增加会使土壤电阻率明显减小。所以，一方面接地体的埋设应尽量选择地势低洼、水分较大之处；另一方面，平时在测量系统接地电阻时，应选择在干季测量，以保证在一年中接地电阻最大的时间里系统的接地电阻仍然能够满足要求。（4）土壤的密度土壤的密度即土壤的紧密程度。土壤受到的压力越大，其内部颗粒越紧密，电阻率就会减小。因此，在接地体的埋设方法上，不用采取挖掘土壤后再埋入接地体的方法，可以采用直接打入接地体的方法，这样既施工简单，又可以使接地电阻下降。（5）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。在实际工作中，可以用在土壤中渗入食盐的方法降低土壤电阻率，也可以用
7、其他的化学降阻剂来达到降低土壤电阻率的目的。10.1.3接地中电压概念在接地系统中，由于会有电荷注入大地，势必会有电压的存在。很好地理解接地系统中几个重要的电压概念，对于人身和设备的安全有很重要的意义。1接地的对地电压电气设备的接地部分，如接地外壳、接地线或接地体等与大地之间的电位差，称为接地的对地电压Ud，这里的大地指零电位点。正常情况下，电气设备的接地部分是不带电的，所以其对地电压是0V。当有较强电流通过接地体注入大地时（如相线碰壳），电流通过接地体向周围土壤作半球形扩散，并在接地点周围地面产生一个相当大的电场，电场强度随着距离的增加迅速下降。试验资料表明，距离接地体20m处，对地电压（该
8、处与无穷远处大地的电位差）仅为最大对地电压的2，在工程应用上可以认为是零电位点，从接地体到零电位点之间的区域，称为该接地装置的接地电流扩散区，若用曲线表示接地体及其周围及点的对地电压，则呈典型的双曲线形状。如图10-2所示。3跨步电压在电场作用范围内（以接地点为圆心，20m为半径的圆周），人体如双脚分开站立，则施加于两脚的电位不同而导致两脚间存在电位差，此电位差便称为跨步电压Uk。跨步电压的大小，随着与接地体或碰地处之间的距离而变化。距离接地体或碰地处接近，跨步电压越大，反之则小。如图10-2所示的Uk和Uk。10.1.4接地分类及作用通信电源接地系统，按带电性质可分为交流接地系统和直流接地系
9、统两大类。按用途可分为工作接地系统、保护接地系统和防雷接地系统。而防雷接地系统中又可分为设备防雷和建筑防雷。下面我们分别来讨论交流接地和直流接地两大系统。TN系统是指受电设备外露导电部分（在正常情况下与带电部分绝缘的金属外壳部分）通过保护线与电源系统的直接接地点（即交流工作接地）相连。TT系统是指受电设备外露导电部分通过保护线与单独的保护接地装置相连，与电源系统的直接接地点不相关。IT系统是指受电设备外露导电部分通过保护线与保护接地装置相连，而该电源系统无直接接地点。由于目前通信电源系统中的交流部分普遍采用TN-S接地保护方式，下面仅介绍TN系统的几种方案。（1）TN-C系统TN-C系统为三相
10、电源中性线直接接地的系统，通常称为三相四线制电源系统，其中性线与保护线是合一的，如图10-5（a）所示。TN-C系统没有专设PE线（保护地线），所以受电设备外露的导电部分直接与N线连接，这样也能起到保护作用。 （2）TN-S系统TN-S系统即为三相五线制配电系统。如图10-5（b）所示。这是目前通信电源交流供电系统中普遍采用的低压配电网中性点直接接地系统。在TN-S系统中，采用了与电源接地点直接相连的专用PE线（交流保护线或称无流零线，该线上不允许串接任何保护装置与电气设备），设备的外露导电部分均与PE线并接，从而将整个系统的工作线与保护线完全隔离。TN-S方案工作可靠性高，抗干扰能力强，安全
11、保护性能好，应用范围广。这种方案与TN-C系统相比具有如下优点： 一旦中性线断线，不会像TN-C系统中那样，使断点后的受电设备外露导电部分可能带上危险的相电压。 在各相电源正常工作时，PE线上无电流（只有当设备外露导电的部分发生搭电时PE线上会有短时间的保护电流），而所有设备外露导电的部分都经各自的PE线接地，所有各自PE线上无电磁干扰。而N线由于正常工作时经常有三相不平衡电流经N线泄放于地，TN-C系统不可避免的在电源系统内会存在相互的电磁干扰。另外，TN-S系统应注意的问题有： TN-S系统中的N线必须与受电设备的外露导电部分和建筑物钢筋严格绝缘布放。 实际上，从电源直接接地点引出的PE线
12、与受电设备外露导电部分相连时，通常必须进行重复接地，防止PE线断开时，断点后面发生碰电的设备有外壳带电的危险。（事实上在N线和PE线合一的三相四线制电源中重复接地保护尤其重要。）在通信电源系统中需要进行接零保护（实际上是重复接地保护）的有：配电变电器、油机发电机组、交直流电动机的金属外壳，整流器、配电屏与控制屏的框架，仪表用互感器二次线圈和铁芯，交流电力电缆接线盒，金属护套，穿线钢管等。（3）TN-C-S系统此方案是TN-C和TN-S组合而成，如图10-5（c）所示。整个系统中有一部分中性线和保护线是合一的系统。TN-C-S系统多用于环境条件较差的场合。2直流接地系统按照性质和用途的不同，直接
13、接地系统可分为工作接地和保护接地两种。工作接地用于保护通信设备和直流通信电源设备的正常工作；而保护接地则用于保护人身和设备的安全。在通信电源的直流供电系统中，为了保护通信设备的正常运行、保障通信质量而设置的电池一极接地，称为直流工作接地，如?48V、?24V电源的正极接地等。直流工作接地的作用主要有以下几点： 利用大地作良好的参考零电位，保证在各通信设备间甚至各局（站）间的参考电位没有差异，从而保证通信设备的正常工作。 减少用户线路对地绝缘不良时引起的通信回路间的串音。在通信系统中，将直流设备的金属外壳和电缆金属护套等部分接地，叫直流保护接地。其作用主要有以下几点： 防止直流设备绝缘损坏时发生
14、触电危险，保证维护人员的人身安全。 减小设备和线路中的电磁感应，保持一个稳定的电位，达到屏蔽的目的，减小杂音的干扰，以及防止静电的发生。通常情况下，直流的工作接地和保护接地是合二为一的，但随着通信设备向高频、高速处理方向发展，对设备的屏蔽、防静电要求越来越高。直流接地需连接的有：蓄电池组的一极，通信设备的机架或总配线的铁架，通信电缆金属隔离层或通信线路保安器，通信机房防静电地面等。直流电源通常采用正极接地的原因，主要是大规模集成电路所组成的通信设备的元器件的要求，同时也为了减小由于电缆金属外壳或继电器线圈等绝缘不良，对电缆芯线、继电器和其他电器造成的电蚀作用。另外，在通信电源的接地系统中，还专
15、门设置了用来检查、测试通信设备工作接地而埋设的辅助接地，称为测量接地。原因是在进行接地电阻测量时，可能会将干扰引入电源系统，同时接地系统又不能和电源系统脱离。为了解决这一矛盾，专门设置了测量接地，它平时与直流工作接地装置并联使用，当需要测量工作接地的接地电阻时，将其引线与地线系统脱离，这时测量接地代替工作接地运行。所以说，测量接地的要求与工作接地的要求是一样的。3防雷接地在通信局（站）中，通常有两种防雷接地，一种是为保护建筑物或天线不受雷击而专设的避雷针防雷接地装置，这是由建筑部门设计安装的；另一种是为了防止雷击过电压对通信设备或电源设备的破坏需安装避雷器而埋设的防雷接地装置，如高压避雷器的下
16、接线端汇接后接到接地装置。关于通信电源防雷的保护，我们将在本章第3节介绍。10.2 联合接地系统考虑到各接地系统（交流工作接地、直流工作接地和保护接地）在电流入地时可能相互影响，传统做法是将各接地系统在距离上分开20m以上，称为分设接地系统。但是随着外界电磁场干扰日趋增大，分设接地系统的缺点日趋明显。在20世纪90年代开始，在国内外出现了联合接地系统。10.2.1 联合接地的优点为了说明联合接地的优点，我们应该从分设接地系统讲起。1分设接地系统分设接地系统是指工作接地、保护接地和防雷接地等各种单设接地装置，并要求彼此相距20m。这种方式是我国50年代至70年代末通信局（站）所采用的传统接地方式
17、，它存在如下缺点： 侵入的雷浪涌电流在这些分离的接地之间产生电位差，使装置设备产生过电压。 由于外界电磁场干扰日趋增大，如强电进城、大功率发射台增多、电气化铁道的兴建，以及高频变流器件的应用等，使地下杂散电流发生串扰，其结果是增大了对通信和电源设备的电磁耦合影响。而现代通信设备由于集成化程度高，接收灵敏度高，因而提高了环境电磁兼容的标准。分设接地系统显然无法满足通信的发展对防雷以及提高了的电磁兼容标准的要求。 接地装置数量过多，受场地限制而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，易造成接地系统间相互干扰。 配线复杂，施工困难。在实际施工中由于走线架、建筑物内钢筋等导电体的存
18、在，很难把各接地系统真正分开，达不到分设的目的。2联合接地系统目前，美国、日本和德国等国家在通信大楼均采用了联合接地的方式。我国在20世纪90年代中制定的部颁通信局（站）电源系统总技术要求中明确地规定了采用联合接地的技术要求。联合接地系统由接地体、接地引入、接地汇集线和接地线所组成，如图10-6所示。图中接地体是由数根镀锌钢管或角铁，强行环绕垂直打入土壤，构成垂直接地体。然后用扁钢以水平状与钢管逐一焊接，使之组成水平电极。两者构成环形电极（称地网），采用联合接地方式的接地体，还包含建筑物基础部分混凝土内的钢筋。接地汇集线是指通信大楼内分布设置，且与各机房接地线相连的接地干线。接地汇集线又分垂直
19、接地总汇集线和水平接地分汇集线两种，前者是垂直贯穿于建筑体各层楼的接地用主干线，后者是各层通信设备的接地线与就近水平接地进行分汇集的互连线。 接地引入线是接地体与总汇集线之间相连的连接线。接地线是各层需要进行接地的设备，与水平接地分汇集线之间的连线。采用联合接地方式，在技术上使整个大楼内的所有接地系统联合组成低接地电阻值的均压网，具有下列优点： 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。 公共接地母线为全局建立了基准零电位点。全局按一点接地原理而用一个接地系统，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
20、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、弱电，高频及低频电都等电位，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。10.2.2联合接地的组成理想的联合接地系统是在外界干扰影响时仍然处于等电位的状态，因此要求地网任意两点之间电位差小到近似为零。（1）接地体地网图10-7所示为接地体地网示意图。接地总汇集线有接地汇集环与汇集排两种形式，前者安装于大楼底层，后者安装于电气室内，接地汇集环与水平环形均压带逐段相互连接，环形接地体又与均压网相连，构成均衡电位的接体。再加基础部分混凝土内的钢筋互相焊接成一个整体，
21、组成低接地电阻的地网。接地线网络有树干形接地地线网、多点接地地线网和一点接地地线网。一点接地地线网是由接地电极系统的一点，放射形接至各主干线，再连接各个用电设备系统。10.3通信电源系统的防雷保护随着电力电子技术的发展，电子电源设备对浪涌高脉冲承受能力和耐噪声能力不断下降，使电力线路或电源设备受雷电过电压冲击的事故常有发生，目前通信电源系统的防雷已经成为重要的课题，所以开展防雷技术研讨十分重要。10.3.1 雷电分类及危害雷电的产生原因目前学术界仍有争论，普遍的解释是地面湿度很大的气体受热上升与冷空气相遇形成积云，由于云层的负电荷吸附效应，在运动中聚集大量的电荷。当不同电荷的积云靠近时，或带电
22、积云对大地的静电感应而产生异性电荷时，宇宙间将发生巨大的电脉冲放电，这种现象称为雷电。（1）雷电流据试验资料报道，雷电过电压产生雷电的冲击波幅值可高达1亿伏，其电流幅值也高达几十万安培。雷电流波形如图10-9（a）所示。由图可见，形如锯齿波。图中在0点通过C点（电流峰值的10处）和B点（电流峰值的90处）作一条直线与横轴相交的点。图中T1称为波前时间指0点到E点（1.25T处）的时间间隔。T2称为半峰值时间指由0点到电流峰值再到峰值下降至一半的时间间隔。例如较常见的8/20?s模拟雷电流波形（在很多避雷元件上均标有8/20?s或10/350?s等），指该雷电流波形为T1=8?s20，T2=20
23、?s20的典型雷电流。雷击分为两种形式：感应雷与直击雷。感应雷是指附近发生雷击时设备或线路产生静电感应或电磁感应所产生的雷击；直击雷是雷电直接击中电气设备或线路，造成强大的雷电流通过击中的物体泄放入地。 直击雷与感应雷波形如图10-9（b）所示，由图可见，直击雷峰值电流可达75kA以上，所以破坏性很大。大部分雷击为感应雷，其峰值电流较小，一般在15kA以内。依据雷电活动的日期，将发生雷闪或雷声的时间称为雷暴日。年平均雷暴小于15天的地区称为少雷区，超过40天的地区称为多雷区。又依据雷电过电压大小及每年平均发生雷暴过电压次数，可将雷电地区分为高、中、低区。由图10-9（c）可见，以6kV雷击过电
24、压而论，在低雷区每年不发生这种过电压雷击，而在中雷区每年平均发生34次，在高雷区每年平均有70次。说明同一雷击过电压情况下，高雷区雷击次数最多。（2）雷击流的危害雷电流在放电瞬间浪涌电流高达1kA100kA，其上升时间不到1?s，其能量巨大，可损坏建筑物，中断通信，危害人身安全。但因遭受直接雷击范围小，故在造成的破坏中不是主要的危险，而其间接危害则不容忽视。 产生强大的感应电流或高压直击雷浪涌电流若使天线带电，从而产生强大的电磁场，使附近线路和导电设备出现闪电的特征。这种电磁辐射作用，破坏性很严重。 地面雷浪涌电流使地电位上升，依据地面电阻率与地面电流强度的不同，地面电位上升程度不一。但由于地
25、面过电位的不断扩散，会对周围电子系统中的设备造成干扰，甚至被过压损坏。 静电场增加接近带电云团处周围静电场强度可升至50kV/m，置于这种环境的空中线路电势会骤增，而空气中的放电火花也会产生高速电磁脉冲，造成对电子设备的干扰。当代微电子设备的应用已十分普及，由于雷浪涌电流的影响而使设备耐过压、耐过电流水平下降，并已在某些场合造成了雷电灾害。（3）雷电流干扰 直击雷对通信大楼的环境影响。现代通信大楼虽然已采用钢框架及钢筋互连结构，同时也采用常规防雷措施，如在大楼房顶上若设有天线铁塔时，在铁塔上安装了避雷针，而且避雷针由引线与接地装置互连；还在大楼顶层安装了避雷带和避雷网，又用连线与地相连。因此现
26、代通信大楼已几乎不再发生直接雷击。但是环境恶劣的移动通信站、程控交换模块局、无人值守网路终端单元，均可遭受到直击雷。据资料报道：具有钢框架及钢筋互连结构的电信大楼，倘若发生直击雷电时，其雷流涌电流也不可以低估，这种电流从雷击点侵入，流至大楼的墙、柱、梁、地面的钢框架和钢筋中。而经避雷针流入的电流不多，绝大部分电流集中从外墙流入（也有少量从立柱中流入）。又发现在大楼内的雷浪涌电流几乎都从纵向立柱中侵入，而通过横向梁侵入的电流十分少。依据试验资料，若大楼外墙为混凝土钢筋结构时，由雷浪涌电流产生的楼层间电位差很小，如峰值为200kA，波长为12?s的浪涌电流层间电位差仅为0.8kV。若在相同条件下大
27、楼外墙无钢筋结构时，层间电位差高达8.2kV。此外，在雷浪涌电流入侵的柱子附近，还存在着很强的磁场（但是在柱子与柱子之间的磁场有所削弱）。从过去遭受直击雷实例来看，当大楼的钢框架或钢筋侵入雷浪涌电流时，使设在同一大楼内的各种电气设备之间产生电位差，同时还会出现很强的磁场。另外还引起地电位上升，所以对大楼内通信装置或电源设备及其馈线路造成很大干扰。 雷击对电力电缆的影响。直击雷的冲击波作用于电力电缆附近大地时，雷电流会使雷击点周围土壤电离，并产生电弧，由于电弧形成的热效应，机械效应及磁效应等综合作用而使电缆压扁，并可导致电缆的内外金属粘连短路。另外，雷击电缆附近树木时，雷电流又可经树根向电缆附近
28、土壤放电，也可使电缆损坏。感应雷可在电缆表层与内部的导体间产生过电压，也会使电缆内部遭受破坏。因为雷电流在电缆附近放电入地时，电缆周围位置将形成很强的磁场，进而使电缆的内外产生很大的感应电压，造成电缆外层击穿和周围绝缘层烧坏。10.3.2常见防雷元件防雷的基本方法可归纳为“抗”和“泄”。所谓“抗”指各种电器设备应具有一定的绝缘水平，以提高其抵抗雷电破坏的能力；所谓“泄”指使用足够的避雷元器件，将雷电引向自身从而泄入大地，以消弱雷电的破坏力。实际的防雷往往是两者结合，有效地减小雷电造成的危害。常见的防雷元器件有接闪器、消雷器和避雷器三类。其中接闪器是专门用来接收直击雷的金属物体。接闪的金属杆称为
29、避雷针，接闪的金属线称为避雷线，接闪的金属带金属网称为避雷带或避雷网。所有接闪器必须接有接地引下线与接地装置良好连接。接闪器一般用于建筑防雷。消雷器是一种新型的主动抗雷设备。它由离子化装置、地电吸收装置及联接线组成，如图10-10所示。其工作机理是金属针状电极的尖端放电原理。当雷云出现在被保护物上方时，将在被保护物周围的大地中感应出大量的与雷云带电极性相反的异性电荷，地电吸收装置将这些异性感应电荷收集起来通过联接线引向针状电极（离子化装置）而发射出去，向雷云方向运动并与其所带电荷中和，使雷电场减弱，从而起到了防雷的效果。实践证明，使用消雷器后可有效地防止雷害的发生，并有取代普通避雷针的趋势。避
30、雷器通常是指防护由于雷电过电压沿线路入侵损害被保护设备的防雷元件，它与被保护设备输入端并联，如图10-11所示。 常见的避雷器有阀式避雷器、排气式避雷器和金属氧化物避雷器等。熄灭，全部灭弧时间至多0.01s。这时外部间隙的空气恢复了绝缘，使避雷器与系统隔离，恢复系统的正常运行。排气式避雷器具有残压小的突出优点，且简单经济，但动作时有气体吹出，因此只用于室外线路，变配电所内一般采用阀式避雷器。3金属氧化物避雷器（MOA）金属氧化物避雷器又称为压敏电阻避雷器。这是一种没有火花间隙，只有压敏电阻片的新型避雷器。压敏电阻片是由氧化锌或氧化铋等金属氧化物烧结而成的多晶半导体陶瓷元件，具有理想的阀阻特性。
31、在工频电压下，它呈现出极大的电阻，能迅速有效地抑制工频续流，因此无需火花间隙来熄灭由工频续流引起的电弧；而在过电压的情况下，其电阻又变得很小，能很好地泄放雷电流。目前，金属氧化物避雷器已广泛用作低压设备的防雷保护。随着其制造成本的降低，它在高压系统中也开始获得推广应用。金属氧化物避雷器的主要技术指标有： 压敏电压（U1mA）：指通流电流为1mA下的电压。 通流容量：指采用可提供短路电流波形（如8/20?s）的冲击发生器，所测量允许通过的电流值。 残压比：浪涌电流通过压敏电阻时所产生的降压称为残压，残压比是指能流100A时的残压与压敏电压的比值，即U100A/U1mA。有时也可取U3kA/U1mA比值。压敏电阻响应时间为ns级，应用范围宽。但存
