“隔離+浮地”防雷新技術在小型通信設施的應用

陳 強，唐余兵，劉吉克，牛年增，祁 征（.中訊郵電咨詢設計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；.中興通訊股份有限公司，廣東深圳 58000）

0 前言

中訊郵電咨詢設計院有限公司為了解決中國聯通寬帶接入網點大量遭受雷擊損壞的問題，從2013年開始先后組織了《寬帶接入網點的防雷與接地研究》、《隔離+浮地防雷新技術在寬帶接入網點的應用》等多個研究項目，針對寬帶接入網設備功率小、體積小、遭受直擊雷風險低等特點，創新性提出了無需設置地網和接地的“隔離+浮地”防雷新技術，研制了高性能電源防雷隔離變壓器，解決了接地實施困難站點的防雷和電氣安全問題，并進行了大范圍試點應用，取得了很好的防雷效果和經濟效益。鑒于該項新技術在小型通信設施，特別是在即將建設的5G 基站有很大應用空間，中訊郵電咨詢設計院有限公司聯合中國聯通牽頭立項并編制了一批國內外標準，推動相關技術發展并應用于小型化基站領域。

1 小型通信設施應用傳統防雷方式存在的問題

1.1 應用傳統防雷方式存在的問題

傳統的防雷方式，即采用壓敏電阻、放電管、瞬態抑制二極管等防雷保護器件將雷電能量泄放入地，并將差模、共模以及端口之間的過電壓降低到設備可以承受的水平。以寬帶接入網點為例，其典型線纜連接及防雷器配置如圖1所示。

圖1 傳統防雷方式典型線纜連接及防雷器配置

這種傳統的防雷方式應用比較成熟，由于需要可靠的地網作為泄放通道（一些設備制造商要求地阻不大于10 Ω），但在老舊用戶樓宇內或者公共設施（路燈桿、電線桿等）等非典型電信設施環境中，其在地網施工、維護等很多方面都存在很大的困難，下面諸多問題在實際工程建設和維護工作中經常發生。

a）運營商要求快速隱蔽建設基站（例如周圍用戶擔憂輻射問題）。

b）用戶不允許敲樓柱鋼筋作為接地引接點。

c）站點周圍沒有空地來做地網。

d）由于地方非常有限所做地網面積很小或接地電阻較大，不能滿足要求。

e）地網與接入網點距離過遠導致接地引接線過長。

f）接地引接線經常被盜。

g）由于生活污水、垃圾等原因地網腐蝕過快。

上述問題實際上大面積存在，導致小型站點的地網施工成為最為困難的工程環節。而從調研的情況來看，這些站點的地網絕大部分不合格甚至站點不接地。而且，地網建設以及運行維護管理也是一筆不小的成本支出，還會嚴重影響站點建設開通速度。

另外，還有很多站點簡單地連接到上一級配電箱的地排上，而民用三芯電源線中PE線實際工程施工中基本未接地處理。帶PE地線的三芯電源屏蔽線，其中PE 線能否接地也與居民建筑配電箱接地情況和工程施工情況有關。有的建筑物內配電箱沒有接地，導致RRU 供電端PE 線也無法接地；供電線經過兩極空開后，PE 線也未接地；供電直接從低壓架空線接入，無法接PE線等。這些都導致了電源線中的PE線實際無法保障可靠接地。

1.2 未來5G基站建設面臨的問題

由于未來5G 網絡移動數據流量的爆炸式增長，增加低功率節點數量，是保證未來5G 網絡支持1 000倍流量增長的核心技術之一。因此，超密集異構網絡成為未來5G 網絡提高數據流量的關鍵技術。未來無線網絡將部署超過現有站點10 倍以上的各種無線節點，其中大部分以小基站為主，而且布署在各種復雜的應用場景。承擔無線接入功能的各類基站預計占到總投資的60%～70%。因此，對于運營商來說，如何高效、快速、經濟地布點是未來5G基站建設面臨的一個非常重要的問題。而傳統防雷方式在很多應用場景顯然無法滿足上述需求。

通信設備安全風險與設備供配電制式、設備類型、系統接地電阻等強有關。根據外場工程調研情況，通信設備供電基本為TT 或TN 系統，II 類或III 類通信設備不存在安全風險，但I 類設備在TT 系統應用存在較大安全風險。在TT 系統供電下，接地電阻小于1.18 Ω才能保證人身安全，1 Ω 左右的接地電阻，施工難度大，成本高。此外，基于外場配電實際情況，TN系統常常因為不接三芯地線而成為TT 系統。同時，TN 系統內的用電設備需要保證等電位聯結，以防止“接地故障電壓沿PE 線傳導”的問題，但通信設備往往無法在同一TN 供電系統內達到這個條件。因此，I 類通信設備在TT系統（或不接地線的TN 系統）供電下需要考慮電擊風險。

因此，對于未來5G網絡小型站點基礎設施建設領域所面對的接地問題，一方面是超大規模和快速布點的建設需求，另一方面是由此帶來的防雷和電氣安全風險隱患，如何兼顧二者是一個迫切需要考慮的問題。

2 “隔離+浮地”防雷新技術簡介

2.1 雷電引入渠道

小型通信設施一般安裝在普通用戶樓宇內或者城市公共設施（路燈桿、電線桿等）上，其外部引入線包括電源線、信號線（光纜或者5類線等），這些線纜的架設高度較低，一般不易遭受直擊雷，其主要的雷擊風險源為附近的雷擊在電源線和信號線上產生的雷電電磁脈沖感應，雖然影響范圍廣，但是產生的雷電過電壓和過電流幅值有限。

這些感應的雷電過電壓沿著線纜傳遞到設備端口形成共模過電壓（電源、信號線對地之間過電壓）和外部端口間過電壓（電源與信號線之間過電壓），當過電壓幅值超過設備耐受水平時，將造成設備損壞。

2.2 基本原理

“隔離+浮地“保護方式是針對寬帶接入網設備功率小、體積小、遭受直擊雷風險低等特點而制定的，其通過采用高強度電源防雷隔離變壓器、絕緣措施（浮地）等方式提升電源端口、信號端口和接地端口之間的絕緣強度，對于設備而言，只要隔離變壓器和絕緣措施不被擊穿，設備就不會發生絕緣閃絡損壞（見圖2）。根據相關研究及統計，30 kV 以上的沖擊絕緣強度保證設備在絕大多數感應雷電過電壓的情況下不會發生擊穿損壞。同時，防雷隔離變壓器輸出側中性點不接地，機箱內設備做好等電位連接，在設備發生單相接地短路故障時，機箱和設備外殼不會帶上危險電壓，因此保證了設備沒有接地線時的電氣安全，該電氣保護方式也是IEC 60364（GB 16895）中推薦的一種電氣安全保護措施。

圖2 隔離+浮地保護方式示意圖

該保護方式的最大優點在于不用專設地網和接地，因此避免了在居民樓宇等環境下尋找可靠接地而導致的施工困難、投資大等問題，整體工程成本很低，施工和維護也比較簡單，因此特別適合于在用戶樓宇等不便于接地的場所使用。

另外，采用隔離方式能夠避免雷電感應較強的電源端口對信號端口的影響。一般而言，沿電源線感應的雷電能量遠高于信號端口。當采用傳統防雷方式時，如果設備接地條件較差（地網接地電阻高或者接地線過長，大于10 m），就會有較大雷電流從信號端口沿信號線分流到遠端地網（見圖3）。由于信號端口普遍防護能力弱，因此容易造成信號端口損壞。當采用隔離浮地方式時，防雷隔離變壓器阻隔了主要雷電流通道并且不受接地條件影響，因此消除了對信號端口的干擾影響（見圖4）。

圖3 傳統方式下市電側引入浪涌由于接地不良對信號側產生干擾影響

圖4 隔離浮地方式下市電側引入浪涌由于隔離避免對信號側產生干擾影響

對于較大的系統（例如基站、交換局），由于引入線纜較多，而且系統整體保證絕緣非常困難；對于直擊雷風險較高的系統（例如基站），需要大幅度提高絕緣耐壓水平，會導致成本大幅度提升；對于功率較大的系統，需要較大容量的隔離變壓器，也會提高成本和占用機房面積。因此，這種方式最適用于功率小、體積小、遭受直擊雷風險低的站點。

用隔離變壓器作為電氣隔離對電擊接觸風險是一種有效的措施，圖5 給出了典型原理。由于隔離變壓器輸出次級是浮地的，當發生單相接地故障的時候，由于沒有低阻抗故障回路，通過人體的故障電壓非常低從而避免電擊。當L/N 同時發生接地故障的時候，故障回路的大電流將會觸發短路或過載保護，避免持續短路引起的起火風險等。

圖5 隔離變壓器典型應用拓撲

2.3 防雷隔離變壓器的關鍵防雷技術指標

電源防雷隔離變壓器是“隔離+浮地”保護方式的關鍵保護器件，其除了普通隔離變壓器的相關電性能指標外，其防雷相關指標對于整個防雷性能至關重要。表1 列舉了電源防雷隔離變壓器的關鍵技術指標，其他相關要求限于篇幅暫不作介紹。

3 新技術應用及標準化情況

3.1 在寬帶接入網點的應用

3.1.1 應用概況

寬帶交換機、EPON 等寬帶接入網點是雷電災害的重災區，很多省份年雷擊損失率達15%以上，經常由于一個雷擊造成一大片網點故障，造成大量用戶投訴，嚴重影響寬帶業務的安全性。

中訊郵電咨詢設計院有限公司于2013年開始在6個雷擊嚴重省份選擇了6 650個典型站點進行試點，運行2 年僅有6 個站點防雷隔離變壓器被雷擊損壞。截至目前，已在8 個省份近4 萬個站點應用了該技術，均反映大幅降低了雷擊損壞率。以湖北黃石為例，其27個鄉鎮中14 個鄉鎮屬雷電頻發區，一到雷雨天氣，寬帶接入網點經常大面積損壞，由于雷擊造成的用戶投訴占比都在55%上。在采用該技術后，消除了雷雨天氣大面積損壞現象，網絡質量大幅提升。另外，在福建省水利廳水庫監控項目進行了4個試點，這4個試點在2013年上半年發生雷擊損壞共31次，其中一個站點上半年損壞15 次，應用該技術2 個多月未發生雷擊損壞事故，目前已有100多個監控站點采用該技術。

3.1.2 應用中發現的一些問題

在寬帶接入網點的應用中，也發現了一些問題，下面列舉幾例典型情況，在后期應用中予以注意。

a）經統計，個別站點隔離變壓器被雷擊損壞，經調查，主要是在農村環境近距離直擊雷引起的過強感應過電壓所致。

b）在電壓不穩定地區，隔離變壓器帶載過輕使得輸出電壓過高，通信設備無法正常工作。經試驗與分析，可從工程選型和電壓調整率指標2 個方面來考慮解決問題。

c）在某個地區改造安裝過程中導致通信設備電源板燒壞，經試驗與調查后發現，原因在于電源板電容器劣化，在加入隔離變壓器后引發諧振過載所致，因此應對隔離變壓器的短路和過載保護進行優化。

表1 電源防雷隔離變壓器的關鍵技術指標（推薦值）

隨著防雷隔離變壓器在其他站型的拓展應用，還會有更多的細節性問題出現，因此還需要更好地優化和提升。

3.2 新技術在國內外標準中的應用

一直以來，ITU/IEC 等國際標準關于網絡終端設備的安全防護要求是建立在用戶樓宇或者公共設施有完善的防雷接地以及電氣安全措施的基礎之上的。由于我國及其他發展中國家的用戶樓宇和公共設施本身建設就很不規范，相比較西方發達國家，小型通信設施面臨的接地問題就更為突出。

目前，ITU、CCSA 等國內外標準組織在通信防護領域研究的一個重點方向就是小型網絡終端設備的安全防護問題。

在國際上，中訊郵電咨詢設計院有限公司代表中國聯通在ITU-T SG5 牽頭編制了《不良接地條件下小型通信設施的保護》（K.134），研究小型網絡終端設備在不良接地條件下的安全防護問題，其中“隔離+浮地”防雷新技術被引用為重要的技術解決方案。

在國內，《小型無線系統的防雷與接地技術要求》（YD/T 3007-2016）和《基于公用電信網的寬帶客戶網絡防雷技術要求及保護方法》（YD/T 3027-2016）都明確提出了“隔離+浮地”新技術的應用場景和方式。新修訂的《通信局站防雷與接地工程設計規范》（GB 50689-2011）也明確將“隔離+浮地”新技術寫入了小型通信站的防雷接地要求中。另外，中訊郵電咨詢設計院有限公司也主導了相關通信行業標準《通信用防雷隔離變壓器技術要求和測試方法》（已報批）和《不良接地條件下小型通信設施的保護》（在編）的編制。

4 技術經濟分析

相比較于傳統防雷方式，“隔離+浮地”新技術具有工程投資小、施工和維護簡單、無需設置地網等優點，能夠有效解決目前大量存在的電氣安全隱患，特別適用于不良接地條件下小型通信設施的保護。表2列舉了傳統有效接地方式和隔離浮地方式在工程建設過程中的技術經濟比較分析，比較兩者方案，隔離+浮地方式雖然增加了部分設備成本，但是后期施工和維護成本大幅度減少，并且安全裕度較高。因此，如何更加經濟有效地應用該新技術還需要在運營商和設備商之間取得共識。

表2 傳統有效接地方式和隔離浮地方式的技術經濟比較

5 結束語

“隔離+浮地“保護方式是針對不良接地條件下的小型通信設施，并結合其功率小、體積小、遭受直擊雷風險低等特點而專項研發的一種防雷新技術，從試驗及大量應用情況來看，該新技術是一個經濟有效的防雷和電氣安全解決方案，并在各項國內外標準中得到了應用。筆者也期望該項新技術能夠在研究、標準化和產業化方面進一步向前推進，在5G基站建設中得到更為廣泛的應用。