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通天雷神

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对上海国脉大楼通信枢纽雷电损害危险度评估  

□蔡振新

   
一、概述

　　随着科技的不断发展，计算机、程控交换机、CATV等微电子设备日益增多，而微电子器件承受雷电电磁脉冲能力较差，因此，雷害事故不断发生。

　　雷电冲击影响电信枢纽或类似系统的耦合机制有下面几种。

　　1?电阻耦合

　　雷电放电将使受影响的物体相对于远端地的电位上升高达几百千伏。在电信中心，地电位升高形成的电流将分布到设备的金属部分。如连接到系统参考点通信电线和电源电线。电缆屏蔽层的电流在屏蔽层与芯线之间引起过电压，其数值与传输阻抗成正比例。

　　2?磁耦合

　　在导体上流通的或处在雷电通道的雷电流会产生磁场，在几百米范围内，可以认为磁场的时间变化率与雷电电流时间变化率相同。然而，磁场经常被建筑材料和周围的物体所衰减和改变。因此，某些情况下需作更精确的分析。

　　磁场的变化会在室内外电缆设备上产生感应电流和电压。

　　3?电耦合

　　雷电通道下端的电荷会在附近产生一个很强的电场，它对鞭状天线设备有影响，而对于建筑物内部电场干扰一般可以忽略。

　　4?电磁耦合

　　远距离雷电放电产生的电磁场会在大范围的电信网上感应出实际的过电压，这种干扰会传导到接口上，但这种情况下，直接辐射的电磁场很难对建筑物或机柜内的电信设备造成破坏。

二、损坏频度－F

　　危险区域由上述的耦合机制来决定。危险区即该区域内的雷电放电对电信建筑物本身通信局站或者至少是对安装在其内的电子设备造成破坏。如图示：

　　Ad—建筑物遭受直接雷击的等效区域面积。

　　An—雷电在该区域内建筑物周围对地放电时通过电阻耦合和感应耦合而影响电信中心的危险区域面积。

　　As—在该区域内放电时会由输入线路引进过压、过流的危险区域面积。

　　Aa—在该区域内与电信中心用金属导体相连的邻近目标(如与电信中心相连接的天线塔)遭受直接雷击时会影响电信中心的危险区域面积。

　　一般认为输入电缆的危险区域As比局站附近遭受对地雷击的危险区域An更需要优先保护。

　　在给定的雷电密度Ng(每平方公里每年对地雷电的次数)下，该局站每年遭受破坏的平均次数F与危险区域的总面积有关。这里假设电信设备符合K?20、K?21和K?22的建议，电源设备符合其它的国际标准，能够抵抗雷电的瞬时冲击指标，要求包括瞬时最大电压、电流、电荷、斜率、一定的能量等等。

　　根据本地的雷电密度，每年损坏次数的期望值F由下式表达

　　F≈Ng(AdPd＋AnPn＋AsPs＋AaPa)

　　其中不同的P值由已具有的和计划采取的防护设施决定，这些措施将减小受损的概率。

　　F≈Fd＋Fn＋Fs＋Fa

　　式中四项分别表示局站受到直接雷击(d)、邻近区域受到对地雷击(n)、雷电在输入电缆及其周围的放电(s)、以及雷电对通信局站有金属连接的邻近目标(如天线塔)直接放电(A)等原因所引起的损失次数。在大多数情况下，第三项起作用。但对于大的建筑物和带有很高天线塔的建筑物，其余各项对F的值也可能起到重要作用。

　　有关雷电密度我国规范GB50057－94规定

　　Ng=0.024Td1?3

　　其中Td是记录的年平均雷暴日。

三、损坏危险度R

　　通信局站遭受严重破坏的危险度R可用下面的公式来计算。

　　R=(1－e－F×T)?δ

　　当T=1年和F≤1大多数的情况下可简单化为：

　　R=F×δ=ΣFi×δi

　　因子δ取决于设备硬件参数：

四、概率因子P的估算

　　每个概率因子P分为两部分，其中之一表示装备(如建筑、材料、架空线或地缆)的自然保护属性，另一个取决于建筑或机柜接口处，内部与外部网络上采用的特定的保护措施(如浪涌保护器、电缆屏蔽和隔离)。

　　使用本建议的用户必须了解这样的事实：下面的表格中给出的某些概率因子仅仅是粗略的估算值、其它的则应通过计算和长期的实践经验获得的。危险性评估方法的精确性在很大程度上取决于这些因子的取值。

　　在多数情况下会同时采取多种保护措施，这时总有效的概率因子由各相关值的乘积来决定。

　　Peff=πPi(Pi≤1)

　　概率因子的举例见表1－4

表1 不同建筑材料所对应的概率因子P的值 　　　 建筑装饰材料 PdPaPn

非遮蔽的材料（木、砖、无钢筋的混凝土） 0.1

具有网络钢筋的混凝土结构 0.1

金属容器 0.01

 

 

 

 

 

表2 建筑采用了一定外部保护措施后的概率因子P的值

a 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 b 对建筑物采用的外部保护措施 PdPinj 建筑物内部采用了隔离保护措施 PdPaPnPinj

没有内部或外部的雷电保护措施 1 符合ITUK.27建议的内部EMC防护措施 0.5

符合IEC1024-1应用指南的雷电外保护 0.1 符合IEC1312-1内部安装技术的应用标准 0.1

表3 输入线路采用保护措施后的概率因子P的值 防护可传导雷电冲击的措施 PdPaPn

无屏蔽，无SPD设备的外部电缆 1

有屏蔽，最大传输阻抗为20Ω/千米（f＜1MHZ） 0.5

有屏蔽，最大传输阻抗为5Ω/千米（f＜1MHZ） 0.1

有屏蔽，最大传输阻抗为1Ω/千米（f＜1MHZ） 0.01

 

低电压网络接口上安装隔离变压器（击穿电压）20千伏 0.1

电缆入口安装标准SPD设备，采用普通安装技术 0.1

单性能SPD设备与设备的抗干扰性相匹配，高质量安装技术 0.1

非金属光缆 0

表4 给出不同材料的估算概率因子P 地表类型或传输雷电电流的可导材料类型 Pinj

潮湿的水泥地 10

干燥的水泥地 10

沥青、木材 10

耐高压的隔离层（电缆塑料外壳） 10

 

 

   表1和表2记录的值表示：在电信建筑物，邻近的天线塔和周围区域遭到雷击时，设备或建筑物固有的防护能力或者采用某些防护措施均能够减轻雷击的阻性耦合和感性耦合所发生的破坏后果。

　　在此种情况下，表1和表2中有效的概率因子是相关概率因子的乘积。

　　表3表示对输入输出电信电缆和电源线，建筑物外部和建筑物与输入线路的接口上采用了保护措施后的防护效果。

　　表3中不同类型保护措施的乘积因子P使损失危险显著减少，比如：P屏蔽×PSPD(采用屏蔽又安装SPD)

　　根据实际经验，在电信局站的入口使用SPD设备能够减少至少90％的雷击损坏。

　　要获得更好的保护效果，必须保证SPD能提供的保护水平与被保护设备抗干扰性的匹配。

　　表2.a和表2.b给出的保护措施有利于减少受雷电袭击时电信建筑物内部或附近的人员受到严重伤害的危险。

　　然而，当建筑物遭到直接雷击时，在导电元件之间仍然有很高的电位差。

　　当介质表面的导电性很弱，并且击穿电压很高时，由跨步电压和接触电压导致伤害的危险将进一步减少。对工作区的布线实施正确的连接，并采用适当的安装方法，这些措施可以限制并阻止对人有害的雷电电流流过人体。

　　为了得到总的伤害概率因子P，表4中的Px要与表2中的Py相乘。

　　国脉大楼基本数据

　　建筑物的尺寸与材料34×34×98M钢筋混凝土

　　天线塔的高度与建筑物距离45M离电信建筑物4M

　　电缆总长及屏蔽：供电电缆600M。地缆

　　电信电缆1000M。架空、地缆混合

　　土地电阻率P=100Ωm

　　雷电密度，上海地区年平均雷暴日为53.9天/年，

　　危险区域面积A的计算

　　Ad=ab＋2(3h×a)＋2(3h×b)＋π(3h)2

　　 =34×34＋2(3×98×34)＋2(3×98×

　　 34)＋π(3×98)2=0.31km2

　　Aa=π[3×(98＋45)]2=0.58km2

　　对电信电缆As=2d1tele×Ltele－Aa/2=2× 1000×1000－290000=1.71km2

　　对电源电缆As=2d1power×Lpower－Aa/2

　　　　　　　　=2×250×600－290000

　　　　　　　　=0.01km2

　　近距离雷击的等效危险区域面积An必须减去电信电缆的覆盖面积Aa和供电地缆的覆盖面积As。

　　对电信电缆An=πD2/2－Aa/2=0.3km2

　　对供电电缆An=πD2/2－Aa/2＋(πD2－

　　　　　　　2d1d/2)=0.5km2

　　其中括号内为d=2d1时圆弧段的面积。

　　上海地区预期毁坏频度F的计算，雷电密度Ng的计算公式为Ng=0.024Td1.3

　　Td取36.2

　　Ng=2.55

　　毁坏频度取决于Ng(Ad)、An、As以及概率因子P，除了建筑物结构的屏蔽作用以及输入天线电缆屏蔽层的搭接措施所起到的附加保护作用，不采取其它防护措施，每年被损坏的次数为：

　　F=Ng〔(An(tele)＋An(power))Pn＋((As(tele)＋As(power))Ps＋Aa·Pa)〕

　　 =2?55(0?3＋0?5)×0?1＋(1?71＋0?01)×1＋0?58×0?01]

　　 =4?59次/年

　　建筑物的钢筋混凝土对Fn的衰减因子为Pn=0?1。天线电缆对Fa也有一个衰减因子Pa= 0?01，因为它的屏蔽层具有较低的传输阻抗，这里假定天线电缆的屏蔽层与钢筋混凝土连接良好。

　　平均每年毁坏次数超过了4次，这无疑是不能够接受的，显然对输入电缆采取附加保护措施将更为有效。

　　对所有的电信电缆和低压电源线加装浪涌保护器，可以降低毁坏次数Fn和Fs，如果采取可靠的安装方法，衰减因子可达P=0?01。

　　采取上述措施后，每年的预期毁坏频度为：

　　F=2.55[0.08×10－2＋1.72×10－2＋0.58×10－2]

　　 =6.0×10－2

　　大致相当于平均16年毁坏一次。

　　危险等级的计算。

　　设备损坏和服务损失的危险性可被比例因子δ削减。不考虑直接雷击的情况(直接雷击时δ= 0?8)假定对设备造成物理损坏的比例因子为　　δ=0?20则硬件损坏的危险性为：

　　R=(Fn＋Fs)δ1＋Faδ2=2?55[(0.08×10－2＋1.72×10－2)×0.2＋0.058×10.2×0.8]

　　 =1.03×10－2

　　服务损失的危险性可以用同样的方法计算：例如，假定服务中断为24小时，则δ=24/8760=2?74×10－3(影响所有线路)

　　R=∑F·δ=4.59×10－2×2.74×10－3

　　=1.25×10－4

　　对建筑物内部及附近人员造成严重的伤害的危险性可以经过接地和隔离措施而得到进一步的降低。按IEC312－1参考标准(P=0?1)设置外部接地网络。并在工作区的表面用柏油，木材或其它有效性能的材料(P=10－5)进行覆盖。

　　假定δ=1则：

　　R=∑F·δ=4.59×10－2×0.1×10－5×1

　　=4.59×10－8

　　若有必要，还可采取附加的措施来进一步降低物理损坏服务损失和人员损伤的危险。

庞华基

我看标题就知道是老蔡的东东。

老蔡是气象系统搞防雷的唯一一个正研级高工（网上说话）。

老蔡将线缆的敷设作为一个重要内容，是以前气象QX（IEC规范）中漏掉的，ITU的规范考虑了，据说将要出的建筑物信息系统防雷规范考虑了。

通天雷神

没错。老蔡可算气象行业唯一一个懂防雷技术的人（不是乱讲）。

这篇里很多东西很好，很有用的。

billy

各位前辈：读了你们的大作才知道山有多高，海有多深！
   有时间我一定经常来！

通天雷神

欢迎常来：）可惜这不是俺们写的。