一件雷击事件的故障分析

雷电是年复一年的严重自然灾害之一。随着我国现代化建设的不断提高，通信设备越来越多，规模越来越大。一方面大型电子计算机网络、程控交换机等系统设备耐过电流、耐雷电压的水平越来越低；另一方面由于信号来源路径增多，系统较以前更容易遭受雷电波的侵入，致使雷电灾害频繁发生。据统计，雷电对通信设备的损害，占通信设备损坏因素的比例高达33%，通信设备防雷已成为一项迫切要求。
对一起通信机房遭雷击事件进行分析，目的是引起各位同行对通信防雷的高度重视，并通过分析提供一些防雷经验。
1 故障现象
2006年3月22日下午4点10分至5点，电闪雷鸣，风雨交加，某市电业局通信机房交换机来回启动，不能恢复，造成通信中断。与此同时，位于相邻大楼的运行管理所，楼内的95598客户呼叫中心，通信也造成中断。
该次雷击共造成50多万元的通信、信息设备损坏。损坏的通信元件大多都是与电源有关的部件，如交换机的2M板、一部分子框接口等。在现场检查了一块损坏的2M板，其插板方向的芯片上方有1 cm宽、4 cm长的深褐色痕迹，用手摸有油滑感，且有黑色粉末，这块板的运行年限已达10年以上。
事后对通信大楼2楼机房接地网，5楼负荷控制中心地网，运行管理所内95598客户呼叫中心接地网进行复测，测得主地网接地电阻为0.33Ω，小于0.5Ω,属于合格范围。排除了主接地网不合格造成通信设备损坏的原因。
2 故障原因分析
1 低压电源引雷入室
通信机房遭雷击的来源有直击雷、感应雷和传导雷三方面。直击雷是雷电直接击在建筑物、构架、树木、动植物上，由于电效应、热效应和机械效应等混合作用，直接摧毁建筑物，构筑物以及引起人员伤亡等。直击雷有可能使机房微电子设备遭受浪涌过电压的危害；感应雷是指雷云之间或雷云对地之间的放电，而在附近的架空线路、地埋线路、金属管线或类似的传导上产生感应电压，该电压通过传导体传送到设备，间接摧毁微电子设备；传导雷是雷电击中电力或信息通信线路，然后沿着传输线路侵入设备。其中地电位反击也是传导雷的一种。
从这次雷击元件损坏情况看，损坏的是与电源有关部件，信道机部分没有损坏，说明与直击雷无关，而与传导雷有关。从该通信机房的进出线可知，该机房的通信线都是光纤，故判断380 V电源进线为雷电侵入途径。
雷电流侵入的路径大致为通信大楼的交流电源，由10 kV架空线路送入，事发当时电力局及附近雷击频繁，由于10 kV架空线路经过的地域广，其遭受直击雷和感应雷的几率相当大。当10 kV线路落雷时，雷电沿线路侵入电力局的配电变压器，配电变压器的高压侧避雷器动作，在配电变压器的接地电阻上产生压降。雷电流以5 kA计（5 kA雷电流出现的概率大于86%），配电变的接地电阻以3 Ω计，则接地电阻上的压降为15 kV。
通信大楼供电的配电变压器，其380 V侧没有安装低压避雷保护，低压屏的各路380 V出线也没有安装低压避雷器。由于配电变压器低压侧无避雷器保护，这一压降作用在配电变压器低压侧中性点上，而低压侧出线此时相当于经导线波阻接地，低压绕组的阻抗远大于波阻抗，故压降的绝大部分都加在低压绕组上。
10 kV架空线遭感应雷击后，变压器380 V侧产生进波过电压，且随交流电源进入机房，因它具有零序的性质，故经通信机房整流变压器一、二次绕组间的电容，耦合到通信电源直流+48 V端。由于 +48 V错误地经7～8 m长引线接机房的地，而不是按建筑防雷规范的要求，以最短的路径接地。这段引线在雷电波作用下，相当于经电感接地。
由于机房内的48 V正极与地母线之间出现了冲击电位差，48 V正极电位的振荡变化，使得通信机上脆弱的集成电路元件损坏。特别是对于运行年久的2 M板，更易损坏。
2 机房地母线与主接地网只有一点连接
通信机房的地母线与主网只有一点相连，五楼负荷控制中心的地母线也一样；运行管理所大楼本身没有接地网，位于该楼内的95598用户呼叫中心机房的地母线的接地，是从大楼地网通过一根扁钢引来的。改造前接地网如图1所示。这样的接地连接不符合DL 548-94《电力系统通信站防雷接地运行管理规程》中“机房地母线与地网，不得少于4点对称布置的连接”要求。
通信机房380 V电源N线接地；48 V压敏电阻接地端没有直接接地，而是接在+48 V端，而+48 V端点与地的连接线长达7～8 m。95598机房的工作接地线没有以最短的距离接地，而是将过长的线缠绕多圈之后再接地。这样，当雷电侵入时，将在这多圈电感上形成压降，导致电位分布不均匀，引起弱电元件闪路。
这次雷击的主要原因是通信机房与主接地网单点连接，同时低压电源无过电压保护装置。通过加装 obo避雷器和重新敷设接地网等改进措施，目前已基本解决了该电业局通信机房防雷的薄弱环节，达到了亡羊补牢的效果。各通信机房维护单位应借鉴该经验，对照各种防雷规程，检查本单位通信接地网的布置是否合理，是否装设了合格的避雷器，避免造成更多的通信设备雷击损坏，确保人民的生命和财产安全。