移动基站防雷接地课件

移动基站防雷接地

二00三年六月1一、雷电的形成二、雷电的危害三、移动基站雷害引入途径四、移动基站防雷措施五、电源浪涌抑制器的配置2浙江万利实业有限公司一、雷电的形成

1、

概述由于大气电场的变化使空气中的云团形成带电的雷云。雷云中不同部分之间聚集着不同极性的电荷，形成100万伏到100000万伏的高电位，当电位达到一定程度时，就会在云团的不同部分之间、不同云团之间以及云团与地面之间产生很强的电场。当空中的电场强度达到一定程度时，将引起空气分子电离，导致空气绝缘被击穿，从而在云与云之间，或云与大地之间产生瞬时强火花放电，形成闪电。闪电可分为云内闪电、云际闪电和云地闪电等，与人类关系最密切。3浙江万利实业有限公司当地面含水蒸汽的空气形成上升气流，气流上升时温度逐渐下降形成雨滴、冰雹（称为水成物），这些水成物在地球静电场的作用下被极化（如左图），负电荷在上，正电荷在下，它们在重力作用下落下的速度比云滴和冰晶（这二者称为云粒子）要大，因此极化水成物在下落过程中要与云粒子发生碰撞。碰撞的结果是其中一部分云粒子被水成物所捕获，增大了水成物的体积，另一部分未被捕获的被反弹回去。而反弹回去的云粒子带走水成物前端的部分正电荷，使水成物带上负电荷。由于水成物下降的速度快。而云粒子下降的速度慢，因此带正、负两种电荷的微粒逐渐5浙江万利实业有限公司分离（这叫重力分离作用），如果遇到上升气流，云粒子不断上升，分离的作用更加明显。最后形成带正电的云粒子在云的上部，而负电的水成物在云的下部，或者带负电的水成物以雨或雹的形式下降到地面。当上面所讲的带电云层一经形成，就形成雷云空间电场，空间电场的方向和地面与电离层之间的电场方向足一致的，都是上正下负，因而加强了大气的电场强度，使大气中水成物的极化更厉害、在上升气流存在的情况下更加剧力分离作用，使雷云发展得更快。具体见图1雷云形成图。

6浙江万利实业有限公司图1雷云形成图

7浙江万利实业有限公司发生在观察现场15公里以内，便定义为一个雷暴日。根据年平均雷暴日的多少，雷电活动区分为少雷区，中雷区、多雷区和强雷区：少雷区为年平均雷暴日数不超过25天的地区；中雷区为年平均雷暴日数在25~40天以内的地区；多雷区为年平均雷暴日数在40~90天以内的地区；强雷区为年平均雷暴日数在90天的地区。

9浙江万利实业有限公司图2全国年平均雷暴日数区划图

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浙江南部年平均雷暴日数在50~70天以内的地区，浙江北部年平均雷暴日数在30~50天以内的地区；山东大部份年平均雷暴日数在10~30天以内的地区，小部份年平均雷暴日数在30~50天以内的地区；河北绝大部份年平均雷暴日数在30~50天以内的地区；广西南部年平均雷暴日数在90~120天以内的地区，广西北部年平均雷暴日数在70~90天以内的地区。

11浙江万利实业有限公司图3基站直击雷途径图

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直击雷具有强大的破坏力。闪电击中管道或导线时，雷电流可以沿线传送到很远的地方，其巨大的电热效应不仅对台站设备的机械结构和电气结构产生破坏作用，并可危及有关操作人员的安全。第二是感应雷。它可以分为静电感应、电磁感应和感应过电压。1）、静电感应：当雷云来临时，在其所覆盖的地表面和各种物体上尤其是导体上，将感生出大量与雷云底部电荷符号相反的电荷，形成静电场。当这种静电场强度不足以14浙江万利实业有限公司

击穿空气产生中和效应，而雷云对另一雷云或带电体放电后，云中电荷消失。此时地面物体尤其是导体上聚集的电荷却产生了很高的电势，它必然通过一定的途径放电。这种放电电流也是一个很大的脉冲电流（雷电波的形式），其电击效果虽比直击雷小，但是若串入用电设施同样会造成对电子器件的损坏。图4静电感应示意图15浙江万利实业有限公司

据统计，在电子设备遭受的雷击事故中，雷电过电压沿电源线侵入设备而造成雷击故障的比例大约要占80％。

第三是电磁脉冲辐射。闪电放电时，电流随时间做非均匀变化。一次闪电包含上万个脉冲放电过程。闪电通道大约有几百米至几公里长，在放电过程中，它向外辐射高频和甚高频电磁能量，这就是电磁脉冲辐射。闪电的电磁脉冲辐射虽然也随着距离的增大而减小，但却比较缓慢，它通过空间传导、辐射等形式耦合到电子设备内部，使对瞬态电磁脉冲极其敏感的电子器件遭受破坏。17浙江万利实业有限公司图5地电位提高示意图

第四是地电位提高。当10KA的雷电流通过下导体入地时，我们假设接地电阻为10欧姆,根据欧姆定律,我们可知在入地点A处电压为100KV。因A点与B、C、D点相连，所以这几点电压都为100KV。而E点接地，其电压值为0，设备的D点与E点间有100KV的电压差，足以将设备损坏。18浙江万利实业有限公司

2、易受损害通信设备情况据统计资料显示，基站遭受雷击时，通信设备损害的情况如下：(1)击坏脉码调制（PCM）的通路盘、信令盘等设备；(2)击坏移动交换机（EMX）部位的TTY、MTI板、ASI板等；(3)击坏基站部位的VOC板、BSC板，包括VCC、SCC、CSC板等；(4)击坏电源部件等；(5)击坏与天馈线相连接的高频机架。19浙江万利实业有限公司其内导体上感应出较强的感应电流，这样A-B段内导体上感应电流为iA-B,B-C段内导体感应电流为iB-C，iA-C=iA-B+iB-C，即为整个同轴电缆的感应电流。如果有n条同轴电流从铁塔天线进入基站机房，则进入信道架的总感应电流i≈niA-C，这个感应电流最终经同轴电缆内导体进入信道架，烧坏移动通信设备。图6移动通信基站天馈线示意图以高度为55m铁塔为例，进行分析。

21浙江万利实业有限公司图6移动通信基站天馈线示意图

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2、架空电力线和其他架空线引入雷害

移动通信系统的基站如果有架空电力线或其他架空线，其架空电力线或其他架空线也是引入雷害的重要途径。出入缆线引入雷害的原因有两个：一是直击雷，雷电直击金属缆线后，高压雷电以波的形式沿着导线两边传播，最后侵入室内设备；二是感应雷，当雷云放电时，其空间形成强大电场。根据分析，在架空电力线路靠近终端时，主要成分是水平电场，出现在电场中的突出物体最易出现感应电荷的集中，使其周围电场强度显著增加，架空电力线路很容易发生尖

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其他架空线时，也可能在架空线上出现类似雷电过电压，这类雷害事故主要表现为基站交、直流电源盘的损坏，从而导致基站机房其它设备的损坏。一般来说感应雷的危害没有直击雷严重，但它发生的几率比直击雷高得多。25浙江万利实业有限公司3、基站机房引入雷害某些基站机房可能建在山顶上，如果机房位置的海拔高度很高，有时直击雷可能从横向及斜面击来，出现所谓“绕过避雷针，再击至被保护物”的绕击现象。在这种情况下，孤立的避雷针，往往已不能防御雷电对机房的直击，因此，基站机房必须采取必要的防雷措施。而且，雷击建筑物在一定的条件下能产生“侧闪”。必须采取预防措施，避免已经采取保护措施的建筑物受到雷击时出现侧闪事故，并伤害建筑物内的人员。图7就是导致侧闪危险的条件的一个例子。

26浙江万利实业有限公司图7避雷针和屋内设备的闪击

27浙江万利实业有限公司地面10米，当相位差忽略不计时，则避雷针顶端相对于大地的电位升为1.8兆伏。但在房屋遭受闪击时，设备仍在地电位上，因此1.8兆伏的电位差就突然加在避雷系统与设备之间。如果间隙D的介质强度低于1.8兆伏的电位差，两者之间就发生电击穿，造成了所谓“侧闪”。对于削顶脉冲来说，空气的击穿强度为900千伏/米，则闪击距离是2米。如果有人站在避雷针的引下线与室内的接地设备之间时，也会出现同样的情况。

29浙江万利实业有限公司四、移动基站防雷措施

1、天线铁塔的防雷与接地

认为避雷针可以使雷云放电从而防止雷击，是一种普遍的误解。实际上，避雷针仅仅是当雷云到达闪击距离时，作为导引雷击电流安全入地的手段。移动通信天线应有防直击雷的保护措施。天线铁塔应设避雷针并与铁塔焊接。天线安装位置应在避雷针的防雷保护范围内。避雷针保护范围的计算方法，我国防雷规范已与国际接轨，即采用IEC推荐的滚球法。滚球法即几何模拟法，它以放电路径几何距离的长短作为避雷针保护范围的判断依据。假设雷电先导是一个从30浙江万利实业有限公司

云出发，不受地面任何特征影响的自由发展的放电。只有当该雷电先导到达大地附近一定高度H时，先导才开始向地面突出物偏转。此时，从某一雷击偏转点A、B到避雷针和大地画弧。圆弧下的面积为避雷针对保护范围（如图8所示）。

H的取值：一类建筑物30米；二类建筑物45米；三类建筑物60米。当避雷针的高度h≤H时a）距地面H处作一条平行于地面的平行线。b）以针尖为圆心，H为半径，作为弧线交于平行线A、B。c）以A、B为圆心，H为半径，作弧线。该弧线与针尖相交31浙江万利实业有限公司图8避雷针保护范围计算示意图

32浙江万利实业有限公司并与地面相切。从该弧线起到地面止就是避雷针对保护范围。该范围是一个对称的锥体。d）避雷针在hx高度的水平面上的保护半径为：rx=√h(2Hr-h)-√hx（2Hr－hx），rx为避雷针在hx高度的水平面上的保护半径（m），hx为被保护物的高度（m），H为滚球半径，当避雷针对高度h>H时，在避雷针上取高度为H的一点代替单根避雷针针尖作圆心其它算法同上。基站铁塔避雷针的保护区如图9所示。其中，保护角θ一般取30°～45°，多数保护设计取30°。避雷针与铁塔焊接的目的就是确保避雷针有良好的接地线，且引下线应避免直角弯曲，以保证雷电流33浙江万利实业有限公司及时流入大地。(2)移动通信基站铁塔应有完善的防直击雷及二次感应雷的防雷装置。当铁塔比较高时（如超过60m），天馈线（包括塔灯电源线、金属护套）、引下线都要多点接地，以增加雷电流的入地途径和使馈线上的过电压分割为多段，加强分流和均压效果，并将馈线在机房外就近接入地网，使由馈线上引入到机架上的过电压减至最小程度。(3)移动通信基站铁塔宜采用太阳能塔灯。对于使用交流电馈电的航空标志灯，其电源线应采用具有金属外护层的电缆，电缆的金属外护层应在塔顶及进34浙江万利实业有限公司机房入口处的外侧就近接地。塔灯控制线及电源线的每根相线均应在机房入口处分别对地加装氧化锌无间隙避雷器，零线应直接接地。2、缆线的防雷与接地出入缆线防雷的总体原则是通过采用屏蔽、接地、分流等措施，把雷电过电压、过电流在进入机房之前阻截、消散，使之小于终端设备的耐压限值。下面分别介绍天馈线、电力线、中继线的保护措施。(1)天馈线的防雷与接地基站天馈线大都沿铁塔布放至塔底，再由过桥经35浙江万利实业有限公司馈线窗引入机房。采取的保护措施如下：所有天馈线在进入机房前其金属外护层至少应有3点接地。第1点位于塔顶天线细馈线与粗馈线转接处；第2点位于爬梯与铁塔过桥搭接处上方0.5m～1m处，采用接地卡子与爬梯附近的铁塔避雷引下线紧密连接；第3点位于馈线窗外，采用接地卡子与室外接地铜排紧密连接。当天线的架设高度大于或等于60m时，同轴电缆天馈线金属外护层还应在其中部增加一处接地，处理方法同第1点和第2点。室外走线架始末两端均应作接地连接。位于馈线窗附近的室外接地铜排接地引下线可采36浙江万利实业有限公司用截面积不小于95mm2的绝缘多股铜导线或截面积不小于40mmX4mm的热镀锌扁钢，长度不宜超过30m，沿机房外墙以最短途径与机房的联合地网相焊接。若机房接地端子难以发掘，应妥善与邻近雷电流引下线的根部连通。同轴电缆天馈线在进入机房前，应以要求的最小曲率半径绕一圈或数圈，以增加对雷电流的高频阻抗。为防止感应电流进入同轴电缆天馈线的内导体，在其进入机房后的1m范围内，应装设天馈线避雷器，避雷器的接地端子应就近引接到馈线窗附近的室外37浙江万利实业有限公司接地铜排上，引接线采用不小于35mm2的绝缘多股铜导线，严禁与室内金属设施电气连通。建议安装天馈线避雷器。据调查，安装天馈线避雷器的系统还没有发生收发信机被雷击损坏的事故，其它系统由于未安装天馈线避雷器都曾遭受雷击。选择天馈线避雷器时应确保其传输能力(最大功率)、阻抗、插入损耗、工作频段等指标与通信设备相适应。天馈线避雷器的安装要确保接头处可靠连接，以免影响防雷效果，造成系统日常工作时的一些无38浙江万利实业有限公司名干扰。因避雷器存在0.5dB左右的插入损耗，故在系统设计时，要采用高增益天线和低损耗电缆来补偿。(2)电力线的防雷与接地基站的交流供电系统包括高压线路、变压器、低压线路以及交直流配电设备。由于架空高压或低压线路距离较长，往往易遭受雷击，无论是感应雷或直击雷，都会在其上造成极高的纵向电压。由此带来的雷害轻则烧断电源熔丝，引起开关跳闸，中断电源；重则损坏电力变压器、交流配电屏、稳压器、整流器，甚至移动通信各系统的电源板。据调查，有40%的雷害事故是由电力线引入的，有些资料统计高达80%，39浙江万利实业有限公司这足以说明电力线是一条重要的引雷途径。虽然有些城区基站的供电线路会有一段改为电力电缆从地下入局，但雷电仍可以从几公里以外的架空线路上引入基站而诱发雷害事故。所以对供电系统（包括高压线路、变压器、低压线路以及交直流配电设备等）要采取多级保护、层层设防的严格措施。基站交流电力变压器高压侧的三根相线应分别就近对地加装氧化锌避雷器。电力变压器低压侧的三根相线应分别就近对地加装无间隙氧化锌避雷器。变压器的机壳、低压侧的交流零线以及与变压器相连的电力电缆的金属外护层应就近接地。出入基站的所有电40浙江万利实业有限公司力线均应在出口处加装避雷器。进入基站的低压电力电缆宜采用有金属护套或绝缘护套的电缆，并经钢管由地下引入基站，其长度不应小于50米。电缆金属护套或钢管两端（变压器处和大楼入口处）应就近可靠接地。电力电缆在进入基站配电房后，在交流配电屏输入端应加装电源浪涌抑制器。电源浪涌抑制器的接地引线要尽量短，采用不小于35mm2的绝缘多股铜导线。(3)中继线的防雷与接地基站与移动通信交换局之间的中继一般采用微41浙江万利实业有限公司波、光缆、电缆三种传播方式。采用光缆和电缆作为中继线的基站，其雷击感应的过电压机理与电源线相同，也容易由此引入雷害。由于与中继线相连的终端设备的耐过压水平大大低于电源设备，造成中继接口设备、PCM设备、光传输设备、交换设备等损坏的雷害事故屡见不鲜。有条件时，出入基站机房的中继线最好采用有金属屏蔽层的光（电）缆全线直埋或没有金属屏蔽层的光（电）缆穿金属管直埋进基站。如果没有条件采用全线直埋，光（电）缆在进入基站前应有一段直埋。直埋的实际长度应不小于50米，42浙江万利实业有限公司其深度为70cm。埋地光（电）缆的金属屏蔽层或金属管至少在两端（机房入口处和光（电）缆入地处）接地，且要作防锈处理。光缆金属加强芯也一并接地。其余架空的中继线也应采取保护措施，架空用的金属吊挂线和光（电）缆的金属护套及其金属加强芯在每个杆塔处同时接地。现在一般地，在山区的基站，雷害严重，考虑光（电）缆有一段直埋。在城区，开挖直埋不太现实。电缆内芯线在设备连接之前，应加装相应的信号避雷器，避雷器和电缆内的空闲线对对地应作保护接地。在雷害严重的地区也可采取防雷型光(电)缆或无43浙江万利实业有限公司金属光缆。

3、机房的防雷与接地机房应有防直击雷的保护措施。机房屋顶应设避雷网，其网格尺寸不大于3m×3m，并与屋顶避雷带按3m间距一一焊接连通。机房房顶四角应设雷电流引下线，该引下线可用40mm×4mm镀锌扁钢，其上端与避雷带、下端与地网焊接连通。机房屋顶上其他金属设施分别就近与避雷带焊接连通。机房内走线架、吊顶铁架、机架或机壳、金属通风管道、金属门窗等均应作保护接地。保护接地引线一般宜采用截面积不小于35mm2的多股铜导线。44浙江万利实业有限公司事实上，正确地进行接地并与土壤保持充分的接触，对于雷电保护系统能够有效地发挥作用是很重要的。接地电阻并不需要很低，更重要的是地下金属接地体的分布必须能够容许雷电放电电流扩散而不引起损坏。妥善的雷电保护接地，有以下的一些特点：a)接地线与接地体的连接点应在地平面80cm以下，离墙基不小于4m左右，可根据实际情况作适当调整。b)雷击避雷系统时，从受雷尖端到建筑物周围的土壤之间有大量电流通过。因此，从传导电流最有利的方式考虑，接地体应该设置在建筑物的外墙或墙角附近，以避免雷击电流流入建筑物下面。但有时也可45浙江万利实业有限公司能需要将避雷引下线和接地体设置在建筑结构下面。

4、接地装置（1）接地体的配置要求设备接地的基本原则，是要对人为环境中能成为危险状态的情况采取安全措施。而现代的接地和搭接系统应设计成为低阻抗的，以抑制通信和电子系统的噪声，并对瞬态电压提供保护。接地体宜采用热镀锌钢材，其规格要求如下：钢管 Ø50mm,壁厚不应小于3.5mm。

角钢 不应小于50mmx50mmx5mm。46浙江万利实业有限公司扁钢 不应小于40mmx4mm。垂直接地体长度宜为1.5~2.5m，垂直接地体间距为其自身长度的1.5~2倍。若遇到土壤电阻率不均匀的地方，下层的土壤电阻率低，可以适当加长。当垂直接地体埋设有困难时，可设多根环形水平接地体，彼此间隔为1~1.5m，且应每隔3~5m相互焊接连通一次。（2）地网通常，移动通信系统的基站接地系统均应按照均压等电位的理论改造或设计，将机房地、铁塔地、交流变压器地共同组成一个联合接地的大地网，见图9。47浙江万利实业有限公司

联合接地是使基站的所有构件在一个统一的电位上，避免由不同接地系统引入的电位差，从而可以确保通信设备和人身的安全。基站地网应充分利用机房建筑物的基础（含地桩）、铁塔基础内的主钢筋和地下其他金属设施作为接地体的一部分。当铁塔设在机房房顶，电力变压器设在机房楼内时，其地网可合用机房地网。

机房地网：机房地网沿机房建筑物散水点以外设环形接地装置，同时还应利用机房建筑物基础横竖梁内两根以上主钢筋共同组成机房地网。当机房建筑物基础有地桩时，应将地桩内两根以上主钢筋与机房地48浙江万利实业有限公司网焊接连通。当机房设有防静电地板时，应在地板下围绕机房敷设闭合的环形接地线，其材料为铜导线，截面积应不小于50mm2,并从接地汇集线上引出不少于二根截面积为50~75mm2的铜质接地线与引线排的南、北或东、西侧连通。铁塔地网：当通信铁塔位于机房旁边时，铁塔地网应延伸到塔基四脚外1.5m远的范围，网格尺寸不应大于3mx3m，其周边为封闭式，同时还要利用塔基地桩内两根以上主钢筋作为铁塔地网的垂直接地体，铁塔地网与机房地网之间应每隔3~5m相互连通一次，连接点不应少于两点。当通信铁塔位于机房屋顶时，铁塔49浙江万利实业有限公司

四脚应与楼顶避雷带就近不少于两处焊接连通，同时宜在机房地网四脚设置辐射式接地体，以利雷电流散流。变压器地网：当电力变压器设置在机房内时，其地网可合用机房及铁塔地网组成的联合地网；当电力变压器设置在机房外，且距机房地网边缘30m以内时，变压器地网与机房地网或铁塔地网之间，应每隔3~5m相互焊接连通一次（至少有两处连通），以相互组成一个周边封闭的地网。

联合接地主要解决雷击对通信设备和工作人员的安全问题；有效的防止反击、侧闪等现象的发生，使50浙江万利实业有限公司采用联合接地。由接地线及地网设置不当引起的雷害事故得到了改善，下面就天线铁塔、架空线和机房防雷与接地的措施作些说明。

图9联合接地的大地网

（一）51浙江万利实业有限公司图10联合接地的大地网

（二）52浙江万利实业有限公司五、电源浪涌抑制器的选用

1、

电源浪涌基本数据

（1）、雷电流波形：是非周期的微秒级瞬态电流，通常用“波头时间/波长时间”时间。波头时间：雷电流从始点到峰值时间。波长时间：雷电流从始点经峰值下降到半峰值时间。

模拟雷电冲击电流有8/20us，10/350us二种模拟雷电流冲击波。8/20us模拟感应雷电流冲击波，10/350us模拟直击雷电流冲击波。

53浙江万利实业有限公司图118/20us，10/350us二种模拟雷电流冲击波

54浙江万利实业有限公司

（2）、雷电流上升陡度（di/dt）max（3）、雷电流峰值2、电源浪涌保护器的选择原则

应具有高通流容量，残压低，响应速度快，带浪涌识别，便于维护等优点。（1）、在配电变压器、配电室、电力室界面选用电源SPD的工程要求：a)．建在城市，地处中雷区（或虽然处于少雷区，但根据历年雷击统计，若时有雷击事故发生）的通信55浙江万利实业有限公司基站配电变压器低压侧或低压电缆引入配电室或配电屏终端入口处，应具有标称放电电流不小于20kA的限压型SPD；低压电缆引入电力室后，在配电屏终端入口处，应具有标称放电电流为15kA的限压型SPD。b)．建在城市，地处多雷区、强雷区，通信基站为孤立、高大建筑物的机楼，配电变压器低压侧或低压电缆引入配电室或配电屏终端入口处，应具有标称放电电流不小于40kA的限压型SPD；低压电缆引入电力室配电屏终端入口处，应具有标称放电电流为15kA的限压型SPD。

c)．建在郊区或山区，地处中雷区以上的通信基56浙江万利实业有限公司

站，配电变压器低压侧或低压电缆引入配电室或配电屏终端入口处，应安装冲击通流容量大于60kA的限压型SPD或具有标称放电电流不小于15kA的开关型SPD；低压电缆引入电力室配电屏终端入口处应具有标称放电电流为限压型15kA的SPD；其中SPD的工作电压应按当地的电力供电电压最大值选择。

d)．建在高山，地处多雷区以上的微波站、移动通信基站，配电变压器低压侧或低压电缆引入配电室或配电屏终端入口处，应安装冲击通流容量大于100kA的限压型SPD或具有标称放电电流不小于25kA的开关型SPD；低压电缆引入电力室配电屏终端入口57浙江万利实业有限公司处应具有标称放电电流为15kA的SPD，其中SPD的工作电压应按当地的电力供电电压最大值选择。（2）、无专用变压器配电屏选用电源SPD的工程要求：a)．无专用配电变压器供电的移动通信基站低压电缆应从公共的配电变压器全程埋地引入机房，且在配电屏终端入口处，相线应分别对中性线、中性线对地加装限压型SPD或者相线应分别对中性线加装限压型SPD、中性线对地间应采用间隙型组成的SPD。地处中雷区的基站应安装标称放电电流不小于20kA的限压型SPD；地处多雷区、强雷区的基站应安装标称放58浙江万利实业有限公司电电流不小于40kA的限压型SPD。若采用架空电源线引入时，地处中雷区以上的基站，在配电屏终端入口处，应安装冲击通流容量大于100kA的限压型SPD。b)．无专用配电变压器供电的交换局、模块局及安装接入网设备的局（站），低压电缆必须从公共的配电变压器全程埋地引入配电室，且在配电屏终端入口处，相线应分别对中性线、中性线对地加装限压型SPD或者相线应分别对中性线加装限压型SPD、中性线对地间应采用间隙型组成的SPD。地处中雷区的市话交换局应安