防雷接地设计中等电位连接的研究
中兴通讯南京研发中心 徐加征 吴利霞 张本军
“摘要
等电位连接是通讯设备工程防雷接地中很重要的可靠性要求。基于一个雷击案例，通过理论分析和实验模拟的方法，验证了等电位连接对雷击电流泄放路径的影响，说明了等电位连接是保证防雷系统功能正常的前提。最后给出了简易机房等电位连接的方案及注意事项。
全文发表在《安全与电磁兼容》2021.4
“引言
防雷接地是通讯设备应用中关键的工程可靠性要求之一。但在具体工程实践中，人们往往过多的关注接地电阻的大小，认为设备只要接地了，而且接地阻抗满足要求就可以了，而忽略或没有关注等电位连接的重要性。而且实际工程故障中，很多都是因为没有实现等电位连接而造成的。
本文通过一个雷击案例的研究，详细说明了等电位连接对雷击电流泄放路径的影响，等电位连接是保证防雷系统功能正常的前提。接地网、等电位连接和避雷器要互相配合才能实现防雷的目标。
1 设备接地方案
目前通信机房内设备的接地方案通常有两种，一种是星形接地方案，一种是网状接地方案 [1-2]。如图 1（a）所示，星形接地方式的机房内，电源、承载、传输等设备的接地线均由总接地排引接。如设备机架与总接地排相距较远时，可以采用两级接地排。如图 1（b）所示，网状连接的机房内，应沿墙壁设置环形接地汇集线。机房内电源、承载、传输等设备的接地线均就近接到环形接地汇集线上。环形接地汇集线与地网应在机房四边（多点）连接。
2 不等电位连接改变预期的雷电泄放路径
2.1 雷击故障现象
某产品在现场正常使用过程中，某雷雨天出现部分单板烧坏的故障。主要烧坏的器件是电源入口处的保险丝、防护器件瞬态抑制二极管（TVS）和压敏电阻，如下图 2 所示。
2.2 原因分析
设备电源和单板的电源入口都有浪涌的差模和共模防护（TVS 实现差模防护，压敏电阻实现共模防护），如图 2 所示。按照工程电源防雷设计 [3]，机房外 AC 电源至少具有一级防雷（至少 80 kA）能力，机房内 AC配电柜至少具有二级防雷（至少 40 kA），DC 电源至少具有 15 kA 的防雷能力。设备设计的防雷指标（根据应用环境，要求设备防雷能力差模防护 4 kV，共模防护6 kV）满足产品的技术规范和标准要求。经测试验证，实际防护能力远远大于设计指标。
2.2.1 设计的预期雷击电流泄放路径
按照设计的预期雷电流泄放路径（见图 3 中细的红色箭头），雷电流首先通过第一级 AC 防雷泄放，少部分雷电流进入到机房。进入到机房的雷电流再依次通过 AC 电源柜的二级防雷泄放、AC/DC 的三极防雷泄放，最后进入到通信设备的雷电流应该非常小或在通讯设备的防护等级之内，不会造成设备的损坏，实现多级防雷相互配合的防雷目的。
通信设备前级有多级防雷，依然出现烧坏防通信设备的情况。经过进一步的排查和分析，发现雷电造成的冲击电流并没有按照预期的设计泄放路径逐级泄放到大地，而是进入了最后的通信设备（见图 3 中的粗的红色箭头），导致设备烧坏。
2.2.2 不等电位改变冲击电流的泄放路径
通过对现场进一步的排查和分析，发现给设备供电的两路 DC 电源 ：
（1）第一路 DC 电源（即图 3 中通讯机房 1 中的AC/DC 电源柜）和设备在同一个机房。
（2）第二路 DC 电源经过防雷箱进入到通信机房 2 的 AC 电源柜，再通过 AC/DC 电源柜输出的 -48 V DC电源从通信机房 2 进入到通信机房 1。
工程现场的防雷和接地都比较规范，现场测量各设备的接地电阻，机房 1 基本都在 4 Ω 左右，也满足标准要求的不大于 5 Ω 的要求 ；机房 2 都在 1 Ω 以下，也满足标准规范的要求。
虽然两个机房的接地都满足规范要求，但机房 1 和机房 2 的地桩接地体之间没有连接，即接地点 1 和接地点 2 没有实现等电位连接，导致冲击电流没有按照设计预期的接地点 1 泄放，而是进入了通信设备，经过通信设备内部电路转到第二路 DC 电源，最终通过接地阻抗更低的接地点 2 泄放到大地。因此雷电冲击电流通过通信设备内部，导致设备的烧坏。
2.3 故障模拟
如图 4 所示，根据现场供电和接地情况，进行了冲击电流模拟实验。设备接 A（-48VA/-48VARTN）和B（-48VB/-48VBRTN）两路电源，接地线串联一个电阻，模拟现场接地点 1 的接地阻抗。-48 VBRTN（设备B 路 DC 电源的正极）直接接地，模拟现场接地点 2。
在 -48 VARTN（设备 A 路 DC 电源的正极）和大地 PE（设备接地点）之间施加冲击电流，模拟雷电流对设备造成的影响。对设备电源口进行冲击电流测试，发现当冲击电流达到 4 kA 左右的时候，设备出现了和现场一样的故障现象。
3 等电位连接的重要性
为了验证等电位连接的重要性，把图 4 中的 -48VBRTN 也连接到 D 点，同时增加和减小电阻的阻值，即在等电位连接的条件下，增加接地阻抗或减小接地阻抗，分别进行冲击电流的测试，如图 5 所示。测试冲击电流达到 10 kA，设备都正常工作。表明设备之间实现了等电位的连接，接地电阻略大或略小，对防雷的影响是非常小的。在工程防雷设计中，等电位连接比接地电阻更重要，等电位连接能保证防雷措施能正确的发挥作用，显著提高设备的防雷能力。因此等电位不需要绝对的零电位，只要雷电造成的等电位连接点的瞬态电位不超过设备与大地之间的耐压即可。
4 等电位连接的方案及注意事项
4.1 方案
本文给出简易机房的一种等电位接地方案，如图 6所示。接地系统由机房地网和铁塔地网组成的联合接地网。机房内采用星形接地方案实现机房内的等电位连接，在机房外设置单独的室外地排，机房内外通过联合接地网实现等电位连接。
4.2 注意事项
（1）地网由机房地网、铁塔地网 ( 若旁边有铁塔）组成一个联合接地网，如图 7（a）所示。或由机房地网、铁塔地网（若旁边有铁塔）、变压器地网组成一个联合接地网，如图 7（b）所示。
变压器地网与机房地网或铁塔地网边缘距离小于30 m 时，应利用水平接地体至少两处焊接连通，在距离大于 30 m 可不用相互连通。
（2）根据相关接地规范 [3-5]，地网的接地电阻值宜不大于 5 Ω（一般情况下中心机房不大于 1 Ω，远端机房不大于 5 Ω，室外设备不大于 10 Ω）。大地电阻比较大的地区，应采取优化设计的方式。比如扩大地网的面积，即在地网外增设一圈或两圈环形接地装置。加入降阻剂等。
（3）机房接地引入线与地网的连接点应避开避雷针、避雷带或铁塔接地引入线的连接点，其间距宜大于5 m。接地引入线不宜从铁塔塔脚附近引入，应从远离铁塔一侧的地网接入地线
（4）机房接地与机房外设备的接地排应分别接入地网，并选择最短的接地路径。
（5）机房内的各设备必须进行等电位连接，互连的各设备（包括电源、配线架等）必须连接到汇流排或环形接地汇集线。具体如 1 章介绍的接地方案。
（6）接地线二端都使用铜鼻子、铜鼻子与线径及螺栓直径相符、铜鼻子
紧固摇晃无松动现象。所有接地线与接地分汇集线连接时，均要用铜线鼻、螺栓及弹簧垫片紧固。一个螺孔只装一根线，一个螺栓只能接一根地线。接地线两端的连接点应确保电气接触良好，并均经过防腐处理（涂油、防锈漆等）。
5 结语
本文通过一个雷击案例的研究，详细说明了等电位连接对雷击电流泄放路径的影响，等电位连接是保证防雷系统功能正常的前提。接地网、等电位连接和避雷器要互相配合才能实现防雷的目标。
等电位连接方案中各接地线的感抗是影响雷击时瞬态等电位连接的一个重要因素，下一步研究接地线的感抗对等电位连接的影响。
参考文献
[1] 中讯邮电咨询设计院有限公司 . GB 50689-2011 通讯局 ( 站 ) 防雷与接地设计规范 [S]. 北京 : 中国标准出版社 , 2012.
[2] ITU-T K.27. Bonding configurations and earthing inside a telecommunication building[S]. 2015.
[3] YD 1235.1. 通讯局 ( 站 ) 低压配电系统电涌保护器技术要求 [S]. 北京 : 中国标准出版社 , 2002.
[4] ITU-T K. 35. Bonding configurations and earthing at remote electronic sites[S]. 2015
[5] ITU-T K.31. Bonding configurations and earthing for tele- installations inside a subscriber's building[S]. 2015.