移動通信基站防雷目標(biāo)及防護(hù)措施

摘要:分析了移動通信基站雷擊途徑，防雷系統(tǒng)應(yīng)以防止地電壓反擊和雷電波侵入為主要目標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了移動通信基站鐵塔和通信機(jī)房防雷、架空管線防雷、天饋線防雷、等電位連接以及降低接地電阻值等雷電防護(hù)措施，使防雷方案的制定做到技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

關(guān)鍵詞：通信基站;防雷系統(tǒng);引入途徑;防護(hù)措施

移動基站防雷是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，由于移動通信基站分布范圍廣，位置處于制高點(diǎn)，容易遭受雷擊災(zāi)害。雷電具有很強(qiáng)的破壞性，一旦通信基站遭受雷擊，容易造成通信設(shè)備損壞，通信信號中斷，給社會帶來較大的經(jīng)濟(jì)影響，因此做好移動通信基站的防雷是一項重要的工作。

一、雷擊移動通信站的主要途徑

1.1雷電通過基站鐵塔和天饋線侵入

一般的基站鐵塔高度為40~60m，有些高達(dá)70~90m。當(dāng)鐵塔的避雷針受到直接雷擊時，雷電流通過鐵塔，經(jīng)其接地裝置散流入地，使地網(wǎng)地電位升高，導(dǎo)致基站地網(wǎng)與設(shè)備之間產(chǎn)生很高的電位差而形成地電位反擊，對通信設(shè)備造成損壞。如果天饋線為同軸電纜，在導(dǎo)體上感應(yīng)出較強(qiáng)的感應(yīng)電流，即為同軸電纜的感應(yīng)電流。感應(yīng)電流經(jīng)同軸電纜從鐵塔天線進(jìn)入基站機(jī)房，進(jìn)入收發(fā)信機(jī)，燒壞移動通信設(shè)備。

1.2雷電通過架空管線侵入

移動通信系統(tǒng)基站的架空管線是引入雷害的重要途徑。當(dāng)雷云放電時，其空間形成強(qiáng)大的電場，在架空管線靠近終端時，主要成分是水平電場，出現(xiàn)在電場中的突出物體最易出現(xiàn)感應(yīng)電荷的集中，使其周圍電場強(qiáng)度顯著增加，架空管線很容易發(fā)生尖端放電而被雷電擊中。當(dāng)架空管線遇雷電侵襲時，將過電壓引入基站機(jī)房，很可能燒壞基站的通信設(shè)備。雷云對地放電也會在架空管線上感應(yīng)過電壓，該過電壓也會對電源設(shè)備造成威脅。

1.3雷電電磁感應(yīng)影響

接閃器在接閃過程中，雷電流強(qiáng)度大，放電時間短，在接閃器和引下線周圍將產(chǎn)生較大的瞬時電磁場。在強(qiáng)磁場作用下，處于磁場中的導(dǎo)體將產(chǎn)生高達(dá)幾千至幾萬伏的感應(yīng)電壓，如此之高的感應(yīng)電壓勢會造成通信設(shè)備的損壞。移動通信設(shè)備是集成化較高的設(shè)備，耐沖擊力相對較差，因此受雷電感應(yīng)的影響較大。

1.4基站機(jī)房引入雷電

當(dāng)移動基站機(jī)房建在山頂上，機(jī)房位置的海拔高度很高時，直擊雷可能繞過避雷針從橫向及斜面擊中被保護(hù)物，這種現(xiàn)象叫雷電繞擊。在這種情況下，孤立的避雷針往往已不能防御雷電對機(jī)房的直擊。因此，基站機(jī)房必須采取必要的防雷措施。

二、防雷系統(tǒng)目標(biāo)

為了提高基站防雷系統(tǒng)的泄流能力，我們通常選用了80kA甚至100kA的大型防雷器，但是防雷效果卻不令人滿意，而且防雷器都是檢測合格的入網(wǎng)產(chǎn)品。通過調(diào)查統(tǒng)計某市近兩年來的雷擊事故，得出一條重要數(shù)據(jù)：基站內(nèi)設(shè)備被直擊雷和雷電感應(yīng)破壞的概率為零。這是因為基站設(shè)備（包括基站室外電力變壓器）的位置普遍較低，完全處于建筑防雷設(shè)施、鐵塔以及架空線路避雷系統(tǒng)的保護(hù)之下，雷電流只能沿鐵塔避雷系統(tǒng)、架空線路避雷系統(tǒng)和建筑防雷等外圍的避雷系統(tǒng)泄放，所以基站設(shè)備很難遭到直擊雷損害。另外基站內(nèi)的設(shè)備外殼、天饋線、走線架等金屬物全部安裝了接地保護(hù)，再加上與室外的雷擊點(diǎn)和避雷器接地引線有足夠的距離，所以雷電感應(yīng)也很難發(fā)揮作用。幾年來雷擊事故的主要現(xiàn)象為：基站B級防雷器保護(hù)空開動作，部分單相交流設(shè)備和直流設(shè)備損壞。從中不難看出地電壓反擊和雷電波侵入是造成基站設(shè)備損壞的主要原因，所以基站防雷系統(tǒng)應(yīng)以防止地電壓反擊和雷電波侵入為主要目標(biāo)。

2．1防止地電壓反擊

地電壓反擊是當(dāng)雷電流沿基站附近的避雷器對地泄放時，由于接地電阻的存在引起基站的地電位升高，基站直流負(fù)荷如BTS電源、開關(guān)電源的監(jiān)控單元、基站的動力環(huán)境監(jiān)控器等設(shè)備相對遠(yuǎn)端地一般都存在寄生電容，這些設(shè)備一端與工作接地相連，無流的遠(yuǎn)端地與基站的工作接地間存在電位差，因而產(chǎn)生差模脈沖電壓，當(dāng)超過設(shè)備的容許限度時必然造成設(shè)備的損壞。基站的單相交流負(fù)荷如基站空調(diào)、照明等設(shè)備的零線接在變壓器的交流地上，當(dāng)雷電流沿基站附近的避雷器對地泄放時，變壓器的交流地和交流重復(fù)接地的電位也會升高，因此基站的單相交流設(shè)備也同樣存在地電壓反擊的問題。

如何避免地電壓反擊造成的損失？一般很自然會想到使用交流過壓保護(hù)器和直流浪涌抑制器，即在交流變壓器的低壓側(cè)、基站交流配電箱的地零間加裝交流過壓保護(hù)器；在直流負(fù)載的電源輸入端加裝浪涌抑制器。所有交流過壓保護(hù)器和直流浪涌抑制器必須靠近被保護(hù)的設(shè)備安裝，避免被保護(hù)設(shè)備由于接地或電源引線過長引起脈沖反射。另外一個非常重要的問題就是將基站的工作接地與室外避雷器接地在基站地網(wǎng)上的引接點(diǎn)分開焊接，這樣可以大大降低基站工作接地母排的電壓浪涌幅值。通常雷電電流沿地網(wǎng)泄放時，在避雷器引下線與地網(wǎng)連接點(diǎn)附近土壤內(nèi)形成一個強(qiáng)電位場，距離越近電壓越高，將基站工作接地與室外避雷器接地分開，可以大大降低基站的反擊電壓。所以YD5068-98《移動通信基站防雷與設(shè)計規(guī)范》明確指出：基站工作地與防雷地在基站聯(lián)合接地網(wǎng)上的引接點(diǎn)距離不應(yīng)小于5m，條件允許時宜間距10m～15m。實際上除電力線路外，基站的鐵塔遭雷擊次數(shù)最多，與鐵塔共用接地網(wǎng)的基站經(jīng)常受到地電壓反擊的損害，如果鐵塔地網(wǎng)邊緣距離基站大于5m，應(yīng)在基站附近另建環(huán)形工作接地網(wǎng)；條件差的基站可以沿鐵塔地網(wǎng)與基站工作接地的引接線，補(bǔ)設(shè)接地樁；只能利用鐵塔地網(wǎng)的基站也應(yīng)把鐵塔避雷接地的引接點(diǎn)與工作接地的引接點(diǎn)分別安裝在對角塔基上。對于山頂基站尤其應(yīng)注意將基站的工作接地與鐵塔避雷接地及基站室外接地分開，因為山頂基站的接地電阻較大，接地引線較長，雷電流泄放相對緩慢，所以地電壓反擊比較嚴(yán)重。

降低接地電阻也有利于防止反擊事故。接地電阻較大的山上基站，可利用塔基鋼筋、蓄水池、無爆炸電擊危險的金屬管路等自然接地體降低接地電阻，埋設(shè)地樁有困難的山上基站也可從塔基沿山體的自然溝壑（最好選擇陰暗潮濕的地方），制作橫向輻射接地網(wǎng)，輻射接地網(wǎng)長度應(yīng)小于30m，塔基四周輻射的橫向接地網(wǎng)越多越有利于雷電散流。

2.2、適當(dāng)選用電源線路保護(hù)空開防止雷電波侵入

避雷器的響應(yīng)特性有軟硬之分：氣體放電管和火花間隙防雷器是基于斬弧技術(shù)的角形火花隙和同軸放電火花隙，當(dāng)線路電壓超過防雷器的擊穿電壓后，防雷器的絕緣電阻立刻急劇下降，放電能力較強(qiáng)，殘壓相對較高，恢復(fù)電壓低于原來的擊穿電壓，屬于硬響應(yīng)特性；屬于軟響應(yīng)特性的是壓敏電阻和浪涌抑制二極管，其特點(diǎn)是響應(yīng)時間短，放電電流小，殘壓低而且恢復(fù)電壓基本不變。避雷器的直流1mA參考電壓是我們選擇避雷器的絕緣要求，硬響應(yīng)的防雷器的工頻后續(xù)電流和防雷器絕緣劣化可能造成線路短路，所以防雷器前面應(yīng)該配置過流保護(hù)空氣開關(guān)或熔絲，其額定電流應(yīng)小于防雷器的最大短路允許強(qiáng)度。如果主電路保護(hù)空開大于防雷器的最大保險絲強(qiáng)度，應(yīng)設(shè)避雷器分路保護(hù)空開。

雷電波的脈沖寬度為納秒級，所以一般防雷器均以響應(yīng)時間達(dá)到納秒為標(biāo)準(zhǔn)，有人就把基站的防雷系統(tǒng)按照納秒級防雷時間進(jìn)行設(shè)計，比如在C級防雷器上加裝了很小的保護(hù)空開如20A或32A，認(rèn)為這樣既防雷又安全。實際上，在所有基站設(shè)備發(fā)生過壓損壞的雷擊事故中，由于防雷器保護(hù)空開的斷路作用，防雷器并沒有完全起到泄放雷電、限制電壓的作用。這種事例從反面證實了應(yīng)該選用較小設(shè)備的保護(hù)空開，并且使防雷器緊靠被保護(hù)設(shè)備安裝，使被保護(hù)設(shè)備與防雷器具有相同的安全級別。

納秒級的雷電波在對地泄放中產(chǎn)生的地電壓反擊和雷電波侵入作用時間可能被延長至毫秒級甚至更長，我們在選用防雷器和設(shè)備的保護(hù)空開時，應(yīng)根據(jù)防雷器的最大允許熔絲電流和線路的進(jìn)線容許短路電流以及設(shè)備的負(fù)荷電流綜合考慮，一般應(yīng)按如下標(biāo)準(zhǔn)選擇：

設(shè)備的總保護(hù)空開額定電流>設(shè)備的負(fù)荷電流；

設(shè)備的總保護(hù)空開額定電流≤防雷器的最大允許熔絲電流；

設(shè)備的總保護(hù)空開額定電流<<電路進(jìn)線的容許短路電流。

三、通信基站的綜合防雷措施

3.1鐵塔的防雷

鐵塔頂部天線平臺處，塔身中部及塔基處應(yīng)預(yù)留接地孔，或?qū)⒏浇砭o固螺栓改用加長緊固螺栓作接地點(diǎn)。因鐵塔較高，上述相鄰2個接地點(diǎn)之間距離超過60m時，需在該網(wǎng)點(diǎn)之間增加1個接地點(diǎn)。一定要保證連接點(diǎn)的數(shù)量和分散性，以利于分散雷電流。鐵塔為落地塔時，其鐵塔地網(wǎng)與機(jī)房地網(wǎng)之間應(yīng)每間隔3~5m相互焊接連通1次，且至少有2處相互連通。鐵塔四腳與其他地網(wǎng)就近焊接連通。移動通信天線應(yīng)有防直擊雷的保護(hù)措施。天線鐵塔設(shè)避雷針并與鐵塔焊接。天線安裝位置應(yīng)在避雷針的防雷保護(hù)區(qū)內(nèi)。避雷針與鐵塔焊接的目的就是確保避雷針有良好的接地線，以保證雷電流及時流入大地。

3.2架空管線的防雷

連至機(jī)房的電力線、光纜等架空管線不能直接進(jìn)入，應(yīng)分類穿入金屬管埋地后進(jìn)入機(jī)房。若路程較長，則電力線、光纜兩端均應(yīng)加裝保護(hù)裝置。金屬管兩端分別與地線焊接，焊點(diǎn)要作防腐處理，電力線與信號線不能混合走線。各系統(tǒng)的接地應(yīng)按照安裝要求，分別接至各自的接地匯流排，再統(tǒng)一接至室內(nèi)接地排。機(jī)房內(nèi)直流電源接地線從室內(nèi)地線排上引入，與保護(hù)地各自獨(dú)立，再接入接地匯流排上，且不共用引線。

3.3天饋線的防雷

饋線屏蔽層應(yīng)在塔頂、饋線離開塔身至機(jī)房轉(zhuǎn)彎處上方0.5~1.0m處、進(jìn)入機(jī)房入口后的內(nèi)側(cè)3點(diǎn)妥善接地。當(dāng)長度超出60m時，應(yīng)在其中間增加接地點(diǎn)，使相鄰2個接地點(diǎn)間距離不超過60m，室內(nèi)走線架應(yīng)每隔5~10m接地1次。某些廠家要求饋線進(jìn)入室內(nèi)后加裝避雷器，避雷器的安裝位置應(yīng)盡可能緊靠饋線進(jìn)建筑物的入口處。

3.4通信機(jī)房的防雷

對于通信機(jī)房的防雷問題應(yīng)包括機(jī)房的建筑物防雷接地、機(jī)房設(shè)備和供電系統(tǒng)的防雷接地。一是建筑物的防雷和接地。通信機(jī)房天面應(yīng)按規(guī)范要求設(shè)置避雷網(wǎng)，機(jī)房四角應(yīng)設(shè)引下線，機(jī)房屋頂上金屬設(shè)施應(yīng)分別就近與避雷帶焊接連通。當(dāng)通信站點(diǎn)天線鐵塔位于機(jī)房旁邊時，鐵塔地網(wǎng)與機(jī)房地網(wǎng)之間，應(yīng)每間隔3～5m相互焊接連通1次，且至少有2處相互連通。當(dāng)通信站點(diǎn)天線鐵塔位于機(jī)房屋頂時，其四腳應(yīng)在屋頂與雷電流引下線分別就近連通。建筑物金屬窗框、電纜屏蔽層、設(shè)備外殼等也應(yīng)與主鋼筋作可靠連接，形成等電位體[4-5]。二是供電系統(tǒng)的防雷和接地。通信機(jī)房內(nèi)等電位接地端子板之間應(yīng)采用螺栓連接，其連接導(dǎo)線截面積應(yīng)采用不小于16mm2的多股銅芯導(dǎo)線，穿鋼管敷設(shè)。出入機(jī)房的電纜金屬護(hù)套在入站處應(yīng)作保護(hù)接地，電纜內(nèi)芯線在進(jìn)站處應(yīng)加裝避雷器，電纜內(nèi)的空線對亦應(yīng)作保護(hù)接地。機(jī)房內(nèi)的走線架應(yīng)每隔5m接地1次，走線架、吊掛鐵件、機(jī)架(或機(jī)殼)、金屬通風(fēng)管道、金屬門窗以及其他金屬管線均應(yīng)良好接地并相互連通。通信機(jī)房的供電電力變壓器不宜與通信機(jī)房在同一建筑物內(nèi)，若其安裝在通信機(jī)房內(nèi)時，高壓電力電纜長度應(yīng)不小于200m，在與架空電力線的接頭處，電纜金屬外護(hù)層應(yīng)就近接地，電纜內(nèi)3根相線應(yīng)分別對地加裝氧化鋅無間隙避雷器。

3.5等電位連接

移動通信基站地網(wǎng)應(yīng)按均壓、等電位的原理，將工作地、保護(hù)地和防雷地組成一個聯(lián)合接地網(wǎng)，基站內(nèi)各類接地線應(yīng)從接地匯集線或接地網(wǎng)上分別引入。對于高土壤電阻率地區(qū)的高山基站地網(wǎng)，除了要降低其地阻值外，最重要的是進(jìn)行等電位連接、屏蔽以及均壓處理，以達(dá)到各部分之間的電位分布均勻，使電位差為“零”，從而確保雷電流不會對各部分造成高壓反擊及減小電磁干擾。

3.6實現(xiàn)分級防雷

防雷器的殘壓是保護(hù)基站設(shè)備的重要參數(shù)，一般來講，泄流能力強(qiáng)的防雷器，響應(yīng)時間長，殘壓高。世界上沒有任何一種防雷器能滿足所有混合雷電沖擊波、殘壓以及響應(yīng)時間指標(biāo)的要求，所以應(yīng)根據(jù)基站電源設(shè)備的絕緣等級劃分防雷層次，實現(xiàn)多級防護(hù)，對雷電能量逐級減弱，使各級防雷器殘壓相互配合，最終使過電壓值限制在設(shè)備絕緣強(qiáng)度之內(nèi)。我們認(rèn)為應(yīng)該結(jié)合YD5078-98《通信工程電源系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)定》和基站的實際情況，從交流電力網(wǎng)高壓線路開始，根據(jù)基站主要電源配套設(shè)備的耐雷電沖擊指標(biāo)和防雷器殘壓要求，采取分級協(xié)調(diào)的防護(hù)措施，進(jìn)行基站的防雷系統(tǒng)設(shè)計。

實現(xiàn)各級防雷器的能量分配與電壓配合的要點(diǎn)在于利用兩級防雷器之間線纜本身的感抗。電纜本身的感抗有一定的阻礙電流及分壓的作用，使雷電流更多地被分配到前級泄放。當(dāng)保護(hù)地線與其它線纜緊貼敷設(shè)或處于同一條電纜之內(nèi)時，要求兩級防雷器之間線纜長度在15m左右，當(dāng)防雷器接地線與被保護(hù)電纜有一定距離（>1m）時，要求線纜長度大于5m即可。在一些不適合采用線纜本身作退耦措施的，如兩級防雷器靠近或線纜長度較短時，可利用專門的退耦器件，此處沒有距離方面的要求。

當(dāng)電力變壓器設(shè)在站內(nèi)時，在變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)的三相線應(yīng)分別對地加裝無間隙氧化鋅避雷器，作為供電線路的A級和B級過電壓保護(hù)；當(dāng)220V/380V低壓供電線路直接進(jìn)入基站時，應(yīng)首先進(jìn)入一樓進(jìn)行B級過電壓保護(hù)，在一樓設(shè)置B級過電壓保護(hù)有困難時，應(yīng)在機(jī)房所在樓層配電箱處設(shè)置B級過電壓保護(hù)，此時須保證B級與C級電源避雷器之間的供電線路有15m以上的距離，以確保B級避雷器的正常響應(yīng)。如果距離太近，勢必造成C級防雷器響應(yīng)超前于B級防雷器，B級防雷器沒動作，C級防雷器可能被燒毀。基站的交流穩(wěn)壓器應(yīng)該安裝在B級防雷器的后面，C級防雷器的前面。

市電進(jìn)入基站機(jī)房后，應(yīng)在機(jī)房內(nèi)配電箱的輸出端加裝相應(yīng)的C級電源避雷器，C級電源避雷器技術(shù)參數(shù)如下：

雷電通流量≥2kA；響應(yīng)時間≤25ns；殘壓峰值≤1.3kV（標(biāo)稱放電電流為1.5kA等級）。

為了進(jìn)一步防止雷電過電壓的危害及當(dāng)供電線路發(fā)生故障時造成的危害過電壓，需在開關(guān)電源等交流負(fù)荷電源進(jìn)線端的空開后加裝D級防雷器，在直流配電屏的輸出端上安裝浪涌吸收裝置（直流避雷器），作為電源線路的E級過電壓保護(hù)，并在直流負(fù)荷設(shè)備的電源入口處安裝浪涌吸收裝置。對于雷害嚴(yán)重的地區(qū)或有雷害史的移動通信基站可考慮多加裝一級交流電源避雷器，確保供電線路的防雷安全。交流配電箱、開關(guān)電源等所有負(fù)荷設(shè)備的內(nèi)部防雷器接地端子應(yīng)與機(jī)殼就近連接。如果負(fù)荷設(shè)備的內(nèi)部防雷器與上一級避雷器之間的距離太近，無法達(dá)到15m，則負(fù)荷設(shè)備的內(nèi)部防雷器則可采用串聯(lián)型避雷器，即去耦合電感。

四、總結(jié)

基站防雷系統(tǒng)是個整體防御性工作，需要各個環(huán)節(jié)緊密配合，保證通信網(wǎng)絡(luò)暢通、人員和設(shè)備安全，涉及基站鐵塔、天饋線、土建、供電、設(shè)備安裝以及周圍建筑等許多方面，需要我們樹立長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略目標(biāo)，不斷總結(jié)經(jīng)驗，從實際情況入手，不斷提高防雷技術(shù)水平和基站的防雷能力。

參考文獻(xiàn)

[1]YD5098-2005通信局(站)防雷與接地工程設(shè)計規(guī)范[S].北京:北京郵電大學(xué)出版社，2006.