等电位连接(Equipotential Bonding)是通信局(站)接地系统的重要组成部分。在我国工程建设标准GB 50689《通信局(站)防雷与接地工程设计规范》中,对等电位连接的定义是:将分开的装置、诸导电物体用等电位连接导体或浪涌保护器连接起来以减小雷电流在它们之间产生的电位差。通信局(站)中,依据GB 50689的要求,通信系统应根据通信设备的分布和通信机房的面积、通信设备的抗扰度及设备内部的接地方式选择等电位连接方式。
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一、等电位连接方式
1、我国标准的规定
依据GB 50689等相关标准的规定,通信系统的等电位连接方式一般可采用网状(M型结构)、星形(S型结构)或网状-星形混合型接地结构。M型和S型也称为等电位连接的基本结构,如下图1-1-1所示,其它们的组合方式详见下图1-1-2。
图1-1-1:等电位连接的基本结构(M型和S型)
图1-1-2:等电位连接的组合方式
2、ITU-T建议
在ITU-T建议K. 27《电信大楼内的连接结构和接地》中,也给出了等电位连接的基本结构:M型和S型。还建议了电信设备布置与公共连接网(CBN)的连接,如图1-2所示,也是基于等电位连接的基本结构的。
图1-2:ITU-T建议的电信设备布置与CBN连接
二、三种结构的特点比较:
1、网状接地结构(M型结构)
由图1-1-1可知,网状接地可以减少各类设备因接地点不同引起的电位差,通信系统可从不同的方位就近接地。由于网状接地系统是多点接地,建筑物内的金属构件、电缆支架、槽架无须专门做绝缘处理,因此在通信局(站)内通信设备的施工实施较为容易。网状等电位连接的另一主要优点是在高频时可获得一个低阻抗网络,对外界电磁场有一定的衰减作用。其缺点是异常电流的方向和路径很难确定,个别情况下可能会引入低频干扰。网状结构一般适用于分布范围较大的系统或设备间、设备与外界的连接线较多,而且复杂的情况。
2、星形接地结构(S型结构)
在图1-1-1中,星形接地容易解决通信系统间的低频干扰问题(在高频下易引入干扰)。因为这种接地方式减少了环流电流的干扰,使得干扰电流不能形成回路。由星形接地形式衍生出的树枝型接地结构,要求从地网只引出一根垂直的主干地线到各机房的分汇流排,再由分汇流排引至各列机架。当采用星形结构时,系统的所有金属组件除连接点外,应与公共连接网保持绝缘,S型等电位连接网只允许单点接地。星形接地结构的缺点是:当系统规模较大,设备间连接复杂时,等电位效果较差。
3、网状-星形混合型接地结构
由图1-1-2可知,网状-星形混合型接地采用了两类结构的优点,主体采用网状结构减少了不同设备接地之间的电位差,方便就近接地。而对个别低频干扰较为敏感的设备采用局部星形布置。因此这种等电位连接方法,方便灵活、接线简便、安全性和可靠性较高。
通信系统的等电位连接方式,采用S型还是M型,除考虑通信设备的分布和机房面积大小外,还应根据通信设备的抗扰度及设备内部的接地方式来选择。各楼层室内等电位连接网络应与垂直接地主干线(VR)可靠连接。使用局部汇流排(LEB)的等电位连接网络,应引至本楼层汇流排(FEB)或水平接地汇集线。
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三、基本结构等电位连接的应用分析
在GB 50689和YD/T 2324《无线基站防雷技术要求和测试方法》中,都给出了M型和S型基本结构的等电位连接方式,在移动通信基站中的具体应用,并给出了基站内设备与设施的M型与S型连接的具体连接图。而YD/T 2324还给出了这两种等电位连接方式的下述分析,以分析其应用利弊:
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1、星形接地方式(S型结构)分析
国内无线基站现有的机房设备的接地方式一般采用如下图3-1所示的星形接地方式,其中图3-1(a)为示意图,图3-1(b)为其等效图。虽然这种接地方式在许多基站已广泛使用,但由于设备的接地线过长(5m~10m),当泄放雷电时,会在其接地引线上产生很大的电位差,导致设备损坏。另外由于设备的接地线过长,当由多个设备的地线与传输线构成的环面积过大时,雷击时的空间电磁场产生的电磁感应将成为设备雷击损坏的另一重要因素。
图3-1:无线基站的星型接地方式分析
2、网形接地方式(M型结构)分析
对于无线基站机房,若采用网状连接,消除了机房因采用大星形连接易在设备间产生较大的电位差而损坏设备的隐患。对于网形接地方式示意如下图3-2(a),其等效图如下图3-2(b)所示。此时的电位差可由U=Ldi/dt+IR推算, 如引线长1m,入侵的雷电流为8/20μs、20kA,每米导线上的电压降达3.6kV,如果等电位连接点提高到图3-2中的a点(a至设备B之间为0.5m, a至PE之间为4.5m),则设备A和设备B间的电位差降为1.8kV,仅为原电位差的十分之一。
图3-2:无线基站的网型接地方式分析
由上分析,M型和S型的等电位连接方式,是为了减小电位差对设备间的影响,但在具体应用中,由于其连接结构固有的特点,电位差的影响不可能减小为零,两者相比,也只是减小的程度的差异。因此,在基站的两种基本结构的等电位连接方式,各有其固有的利弊。在选择时,应考虑基站的具体情况,如基站所处地区的年雷暴日、所处的地理位置、地质气候条件、土壤组成等具体环境情况。
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