摘 要

随着通信设备的电子化、高度集成化、微型计算机控制，特别是由于程控交换机的发展而产生设备对雷电承受能力的不断下降，使得综合通信大楼防雷接地必须为适应这一变化而不断地改进。本文着重论述了通信设备本身的接地要求及雷击通信大楼时的雷电流分布。

高层综合通信大楼受到雷电冲击时，通信大楼内的冲击电位分布和空间瞬时电磁场将关系到建筑物内人身和设备的安全。由于受冲击时地电位升高，将影响到安装在通信楼内而与楼外有电气联系的通信设备，而设备的反击电压高低，是根据设备的冲击阻抗及反击地电位的大小而定，通常可达数十乃至数千伏以上。另外作为现代数字化通信设备的控制计算机，对雷电极为敏感。即使几公里以外的高空雷闪或对地雷闪都有可能导致这些通信设备的薄弱环节如计算机 CP 控制中心误动或损坏。根据国外资料介绍， 0.03 高斯的磁场强度可造成计算机误动， 2.4 高斯即可使元件击穿。而且雷击通信大楼时雷电流在建筑物的分布直接影响到通信设备，特别是对雷击敏感的计算机控制单元及数字终端设备在通信大楼的布局，在通信机房安装设备合理的布局可有效的减少雷害，而且需对通信采取综合防护措施，即分流、屏蔽、搭接、接地、保护系统（ DBSGP 系统）。

一、通信大楼联合接地是程控交换机防雷的需要

当高层建筑的防雷设计采用建筑物内的钢筋作防雷系统时，如楼内通信设备的接地装置在地下和地上相互不连通、工作地、保护地、屏蔽地相互独立，则势必在大楼遭受雷击时，相互之间形成很高的瞬时冲击电位差，对人身和通信设备的安全造成危害。日本 NTT 公司曾经对程控交换机按照分开和一点接地的方法，模拟了雷电对交换机的损坏实验。

外加到内线和外线的模拟雷电所用的实验电路如图 1 所示。把模拟雷电 200 Ω共轭阻抗插入到内外和外线中，同时在外线上外加 48V 的供电回路。

图 1 试验回路（由内线和外线外加雷电）

外加到电源的线上的模拟雷电所用的实验如图 2 所示，在雷电发生器与电源线之间，串入可变电阻器。

图 2 试验回路（由电源线外加雷电）

另外，在试验时，将终端设备也连在交换机上，使其处于通信状态中，从而做到可以监视通信中断和误动作的发生情况。在实验中整流设备、用户交换机和 MDF 都各自分别接地，这些接地电阻分别是 R 1 =1 Ω、 R 2 =20 Ω， R 3 =30 Ω。

实验结果表明：

①有内线外加雷电试验时 , 外加 10 × 200 μ S 雷电脉冲的雷电电压达到 5kV

以上时 , 或者外加 1 × 40 μ S 雷电脉冲的雷电电压达到 10kV 以上时 , 则内线对应的单元损坏。

②外线外加雷电实验时，外加 10 × 200 μ S 雷电脉冲的雷电电压达到 10kV 以上时，则外线对应的单元损坏。

③电源线外加雷电实验，雷电脉冲 10 × 200 μ S ，当大于 10kV 时，整流设备损坏。

以上表明，当整流设备、用户交换机和 MDF 分别接地时，在遭受雷击时，这些设备间由于接地电阻等的差异，使其产生电位差，其电位使它们的绝缘被破坏。一旦这些部件的绝缘破坏，由 48V 供给的电流的系统就会在电源系统以外也产生电流，直至将各部件烧坏。

当 R 1 ＝ R 2 ＝ R 3 ＝ 0 ，即整流设备、用户交换机以及 MDF 用低阻抗的接地体连到一点时，即使用户交换机上外加最大到 15kV （ 10 × 200 μ S ）模拟雷电压，也未造成设备的损坏。这主要是由于采用了一点接地，各接地点的电位差为零，即等电位的原理，防止雷击损坏交换机事故的发生。当然，在雷电波的作用下，各点间总还会有一定的电位差，而并非等于零。不过一般情况下，回路和设备能够承受这一电位差的能力，从而发挥一点接地的优越性。

由此可见，一点接地是防止雷击损坏通信设备的有效方法，因而，通信大楼采用联合接地的方式对人身和设备的安全保障比分设接地方式更为有利。而且通信大楼采用联合接地，整个大楼避雷装置和基础地网相互焊成一个整体，构成一个大型金属网笼，对于雷电，它可以起到均压和屏蔽两种作用，当大楼遭受雷击时，楼内的电位分布近似等电位状态，而且由于通信大楼利用建筑基础内钢筋体为接地装置，其地网的覆盖面积是相当可观的。所以，在相同的土质条件下，可取得比其它接地方式低得多的接地电阻值，而且由于整个建筑物柱桩内主筋和副筋相连，分流效果十分显著。

二、雷电通信大楼时，雷电流的分布

综合通信大楼受到雷击时，建筑物内冲击电位分布和空间电磁场将关系到建筑物内人身的安全和通信设备的正常运转，由于受雷电冲击时地电位升高，将影响到装设在通信大楼内，而与楼外有电气联系的设备。由于综合通信大楼的防雷接地系统，一般都采用建筑物的梁柱内的钢筋作为雷电引下线，基础接地体作为通信大楼的接地系统，由此，在雷击时，雷电流沿着建筑物的钢筋分流，并引至建筑物的基础入地，由于柱内雷电流的通过，将在建筑内不同的地方产生电磁场，电磁场的分布，与柱内雷电流的大小直接相关。在通信机房设备布置时，应考虑将对雷电敏感的计算机控制单元，放在磁场影响较小的地方。因此，对于每个通信大楼内通信系统设计的规划者来讲，应对通信大楼建筑物的雷电流分布规律有一个清楚的认识。

雷电流在通信大楼的分布情况，国内外作了很多模拟雷击实验，早在 1974 年，水电部在花木桥水电站即进行了雷电流高达 4.3 千安的反击试验， 1976 年由邮电部设计院组织的电力及邮电部内许多单位参加的长沙通信大楼的实验，对通信大楼的雷电分布已有了一个初步的认识（主要因为模拟装置的电流较小，只有 5 千安）。国内高层建筑物模拟雷电冲击试验为研究雷电冲击电位分布和空间电磁场的特征实验规模较大的是 1992 年 10 月由武汉高压研究所和广西电力试验所合作，在广西苹果变电站主控楼进行的模拟雷电冲击试验。变电站主控楼为三层，高 13.8 米 , 楼内有控制室、继电器室、微波室、载波室、计算机房。楼顶为一高 110m 的钢结构微波塔，微波塔通过主控楼结构钢筋接地，与一般建筑相类似。

模拟雷电冲击试验是由现场组装的 600kv 冲击发生器直接将冲击电流引至微波塔顶，试验最大冲击电流达 8.4kA 。由于主控楼冲击接地电阻较小，仅 0.36 Ω , 当塔顶受冲击时 , 主控楼的跨步电位差，接触电位差一般可以满足人身安全的要求 , 但局部地区的跨步电位差、接触电位差偏高，其中以有微波波导管引入的微波机房为最高，实测得与塔顶天线相连的波导管外皮电流为击于塔顶的电流的 10% ，高于一般认为的 1 ～ 3% 的估算值。该站的波导管在进入机房前已与塔脚的地线相连，进入机房后又与机架相连，但未再作接地处理。

主控楼原设计考虑以小于 600 × 600mm 金属网格做面屏蔽，施工中门窗户按实际尺寸采用铝合金窗。当塔顶受 8.4kA 冲击时 , 楼内测得磁场强度为 0.076 ～ 0.13 高斯，电场强度为 0.35 ～ 2.8V/m 。这种屏蔽措施不能满足敏感的电子设备 , 如电力计算机等类的工作环境要求。

试验还表明，由于冲击过程作用，高层建筑物的不同楼层，存在电位差，因此，在不同楼层分散分布而电气上连成系统的通信设备的接地，要慎重处理。包括采取均衡电位的措施。根据全国通信大楼调查表明，由不同层次分散布置的通信设备有被雷击击坏的事情发生。

主控楼的计算机房采用了网孔为 50 × 50 ～ 100 × 100mm 2 的六面屏蔽网，从而形成了一个“法拉第笼”。采取了特别加强屏蔽措施的计算机房内的电磁场干扰比没有加强屏蔽措施的办公室的电磁场小 7.5dB, 即有加强屏蔽时 , 室内的电场强度比无加强屏蔽时的电场强度小 2.4 倍 , 可见“法拉第笼”对雷电电磁场有一定的屏蔽效应，但当雷电流直接流过机房时，屏蔽层的作用不同于通常所说的对空间电磁场的屏蔽衰减，而是在雷击时，屏蔽层上将有雷电流通过，此时，屏蔽层在这种情况下实际上起到均流作用，由于雷电流较均匀地流过屏蔽层，使机房内的电磁场有相互抵消的作用，从而降低了电磁场的强度。

从楼内测得的磁场强度来看，在微波塔顶受到 8.4kA 的冲击时 , 计算机房为 0.0563 高斯，远大于 0.03 ～ 0.07 高斯的雷电空间磁场强度引起计算机误动的试验结果 ( 美国 ) 。

在日本为解决通信大楼雷电流的分布问题，用模型法，采用等效电路，求出了雷电流入侵时的电流、电压分布，但雷电流分别流入大楼的柱、梁墙壁等处的钢框架、钢筋是一个很复杂的问题，而且大楼的柱、梁因形状复杂，首先作成一个缩小的模型，在试验时是根据物体的形状而推算出实物的电阻的。通信大楼的模型如图 3 所示。

图 3 和苹果变电站主控楼很相似，通信大楼顶上也设有微波铁塔。当雷直接打在铁塔上时，雷电流通过铁塔塔脚侵入通信大楼，建筑物的断面 A-A '的电流分布计算结果如图 4 所示。

图 3 通信大楼的模型

图 4 通信大楼直击雷雷电流的分布

95% 以上的雷电涌电流流经大楼的立柱、墙壁。避雷针引线中的雷电流仅仅是百分之几的比例。而且入侵大楼的雷电流几乎全部集中在外墙，大楼内的柱子中的电流仅占百分之几以下。大楼内的雷电流几乎全是沿纵向柱子入侵，除房顶外，横向电流很少。

表 1 是大楼钢骨架结构式钢筋混凝土结构时有无钢筋的混凝土外墙层间电位差区别情况。

通信大楼内产生的电位差

直击雷电流		波峰值 (kA)	10	50	200
		波头长 ( μ S)	2	6	12
		发生概率 (%)	90	10	1
电 位 差 (kV)	每层之间	钢框架结构Ⅰ	0.08	0.3	0.8
		钢柜架结构Ⅱ	2.0	3.7	8.2
		钢筋结构Ⅰ	0.3	0.6	1.2
	每一层内 每一间隔	钢框架结构Ⅰ	0.01	0.02	0.05
		钢框架结构Ⅱ	0.01	0.02	0.04
		钢筋结构Ⅰ	0.04	0.08	0.17

注：Ⅰ—外墙是钢筋混凝土 ; Ⅱ—外墙不是钢筋混凝土。

直击雷时，层间产生最大电位差的情况都是没有钢筋混凝土外墙的大楼，一般没有钢筋混凝土外墙的大楼，直击雷电涌电流即使达到 200kA ，这样非常严重的雷击情况，层间所产生的电位差也仅为 1kV 左右（峰值）。

对于室内的磁场强度，如图 3 所示的五层通信大楼中直击雷电流达到 50 kA 时，大楼中部的磁场强度如图 5 所示：

图 5 室内的磁场分布情况

在雷电涌电流入侵的柱子附近磁场最强，柱子与柱子间的中间处最弱。但即使是最小场强的室内中央部位，也会产生约达 0.1A /m( 峰值电场约为 38V/m) 的强磁场。

理论计算可知，为了实现有效的屏蔽（ 60dB 以上）需 100 目全封闭双层铜网。另外据文献计算结果，在同一条件下，建筑物的磁场比无建筑物的自由空间的磁场衰减了 9dB 左右，该值与实际实验测试结果相近。

三 . 结论

1. 通信大楼的联合接地 , 避免了由于各系统分散接地因接地电阻的差异 , 在大楼遭受雷击时 , 相互之间形成很高的瞬时冲击电位差 , 对人身和通信设备的安全造成危害 . 由此可见 , 联合接地是防止雷击的有效方法。

通过对建筑物雷电电磁暂态过程的模拟试验、雷电分布模型试验及理论计算，可初步确定雷电流在通信大楼的分布及雷电磁场在有无建筑物，有无屏蔽的情况下在室内的强度。对于具有敏感元器件的计算机及数字电子设备的安装布置和抗雷电电磁场干扰及其防护有着实际意义。通信系统在大楼的安装位置应考虑雷电的影响因素，通信系统防雷薄弱环节应避开雷电涌集中的雷电流分布通道。

2. 对于通信大楼中的计算机控制中心及控制单元的安装位置，在大楼设计规划时应放在建筑物的中部位置，即雷电电磁场最小的室内中央位置，对其计算机及控制室采取有效的屏蔽措施。此外。在计算机控制室的电源引入端加装尖峰抑制器，并避免计算机直接使用通信大楼的外墙体的电源插孔。

由计算机、网络馈线及 CP 控制线接口单元因雷击而造成损坏的情况，最近根据调研结果，表明是多次发生的。为此应在各类接口单元的输入端外线侧加装由压敏电阻组成的线路保安单元。

3. 由于国内引进程控交换机型号众多，而各国家的接地方式也不同，有的要求工作地、屏蔽地、信号地、保护地可以使用一个接地系统，而有的则要求分开接地。而计算机的接地按照现行的行业规定要求分散接地，这就给我们提出了新的课题，怎样解决这个矛盾。在通信大楼设计时，一方面要按照综合通信大楼的规定在引进设备时与外方商谈，要求联合接地；另一方面可采取暂态均压接地的思路，即采用通信大楼与要求单独接地的设备分开接地，而在两地之间采用放电管相连。这样，通常正常运行时为分散接地，而在雷击时又为暂态均压接地，避免了两接地系统因电位差反击而造成设备的击坏。当然，在采用暂态均压接地时，通信大楼内的接地系统还要采用一些相应的措施。

4. 通信大楼的接地引入线，应避免在建筑物外侧柱内作雷电引下线的柱子附近点引入。

5. 出入通信大楼的进出线孔，各类缆线及光缆的金属外护层的接地线引入点也应避免在建筑物外侧柱内作雷电引下线的柱子附近的地方引入。

6. 如果大楼内不设环形汇流排，或者底层采用环形汇流排，而各层采用分汇流排，则所设的分汇流排应考虑合理的布局，避开通信大楼外侧的雷电引下线的柱子。

7. 由上述试验可知，在通信在楼遭受直击雷时，波导管引入的雷电流还有相当的量级。因此，通信大楼楼顶的各类通信电缆、同轴电缆及波导管在入楼前的接地格外重要，而且最好能采用相应的防雷器件。

8. 大楼内的上下缆线竖井及接地引线竖井，包括电源馈线竖井，在通信大楼设计时，最好设计在大楼的中部，以避免雷电电磁场对过长的各类引线的影响。

9. 市话电缆除在入局前，金属护层接地外，其电缆芯线的空线对最好接地。