移動通信基站防雷與接地技術的研究

朱 明，曾明育，于 瀟

（廣西欽州市氣象局，廣西 欽州535000）

近十年，移動通信行業迅速發展，通信網絡覆蓋全國，而移動通信基站的正常運行是移動通信暢通的保障。長期以來，移動通信基站遭受雷擊損壞設備、影響信號發射等情況頻繁發生。特別是在雷暴日數多和雷暴強度較高的地區，雷電災害事故更為嚴重。工業與信息化部郵電設計院（現中訊郵電咨詢設計院）曾對全國十幾個省市通信局（站）遭雷擊情況進行過調查統計，發現雷擊造成通信設備損壞的事故中，有75%左右是因為雷電過電壓侵入移動基站供電系統而引起的。移動通信基站的供電系統和站房內設備的正常運行，是保證信號正常發射和接收的基礎，因此做好移動通信基站的防雷措施特別是天饋系統、電源系統和站房內設備的防雷安全至關重要。

1 雷電形式及對移動通信基站的危害

雷電主要有直擊雷、感應雷、雷電波侵入和雷擊電磁脈沖等四種形式。

（1）直擊雷

直擊雷是指閃電直接擊在建筑物、大地或防雷裝置上，產生電效應、熱效應和機械效應。直擊雷的危害是巨大的，基站一旦遭受直擊雷，而又沒有安裝合格的防直擊雷裝置，則會擊毀基站的鐵塔、房屋、通信設備，以及傷害工作人員。

（2）感應雷

感應雷又稱雷電感應，它是通過雷云之間或雷云對地放電，在附近的線路，管道、構架等類似傳導體上產生感應過電壓，又叫二次雷效應。雷電感應又分為靜電感應和電磁感應。它主要會對移動基站內的設備造成危害，危害程度雖然沒有直擊雷嚴重，但其發生的概率卻比直擊雷高得多。

（3）雷電波侵入

雷電波侵入指由于雷電對架空線路或金屬管道的作用，雷電波可能沿著這些管線侵入屋內。它是由雷擊在通信線路或金屬管道上產生的沖擊電壓沿線纜或管道向兩個方向迅速傳播的過電壓波。當通信設備與傳輸線纜金屬管道有直接連接時，便有可能發生雷電波入侵通信設備。閃電在空間的通道或閃電進入地上建筑物的避雷針系統以后產生的瞬變電磁場，都會在空間一定范圍內產生電磁作用。

（4）雷擊電磁脈沖

雷擊電磁脈沖指閃電直接擊在建筑物防雷裝置和建筑物附近所引起的效應。絕大多數是通過連接導體的干擾，如雷電流或部分雷電流、被雷電擊中的裝置的電位升高以及電磁輻射干擾。后兩種雷害都會對基站內的設備造成損害。

2 移動通信基站的防雷措施

2.1 基站天饋系統的防雷

移動通信基站的天饋系統是移動通信系統的重要組成部分，其性能優劣對整體移動通信質量的影響至關重要。因此無論基站建在什么地方，天線一定要在接閃器的保護范圍內，即在直擊雷保護區內。依據《建筑物防雷設計規范》（GB50057—2010），直擊雷保護系統由接閃器、引下線、接地裝置組成。為了達到更好的通信信號發射和接收效果，移動通信基站的鐵塔一般都裝設得很高，因此鐵塔頂部的避雷針建議采用直徑為16 mm的鍍鋅圓鋼。塔身可以作為防雷引下線使用。在鐵塔底部宜用兩根直徑不小于10 mm鍍鋅圓鋼沿對角分別與接地裝置連接。天饋線應安裝在鐵塔的保護范圍內。

天饋系統除了要作直擊雷防護外，還應包括對感應雷、雷電波侵入和雷擊電磁脈沖的防護。天饋線宜用雙層屏蔽電纜或單層屏蔽電纜套金屬管在鐵塔中央敷設，屏蔽層應在鐵塔上端和下端各接地一次，入戶處再接地一次。鐵塔高度超過60 m時中間再接地一次。處于中雷區以上且饋線較長時，在機房入口處宜安裝天饋線電涌保護器。架空電纜吊線的兩端和架空電纜線路中的金屬管道應接地。信號電纜應采用屏蔽電纜或護套電纜穿金屬管埋地進線，應安裝信號電涌保護器（信號SPD）。電涌保護器、電纜金屬層應接地，空線對應短接并接地。光纖屏蔽層和加強芯應接地。

所選擇安裝的信號電涌保護器，一是要達到能順利有效地釋放天饋線上的雷擊電流，保護通信設備免受雷擊。選擇信號SPD時，必須根據移動通信基站所在地的年雷暴日數設雷電電流大小等具體情況來選擇確定安裝在天饋線上的信號SPD技術參數，并將信號SPD安裝在通信設備的饋線入口附近，將信號SPD的保護地就近連接到機房內等電位連接端子板上。二是要保證整個天饋系統的良好匹配，使信號的傳輸穩定、可靠、準確。如果信號SPD與天饋系統不匹配，就會降低發射機的有效功率，縮小單基站的有效覆蓋面積，使用手機是會出現接收電平低、回聲、上網速度慢等現象。防雷是移動通信基站建設中的一個輔助工程，建站建設最重要的是考慮網絡覆蓋、通信質量因素，不允許因為防雷工程中安裝了SPD而使單站的有效覆蓋面積縮小和使通信質量下降。依據《通信局（站）雷電過電壓保護設計規范》（YD/T5098—2001）中5.4.1規定：“同軸型SPD的插入損耗≤0.2 dB，電壓駐波比≤1.2”。因此，移動通信基站的信號SPD應滿足以上要求，保證信號SPD與天饋線匹配。

2.2 基站電源系統的防雷

根據《移動通信基站防雷與接地設計規范》（YD5068—98）要求，基站交流供電系統應采用標準的TN—S系統。依據《建筑物電子信息系統防雷技術規范》（GB50343—2004）的規定，基站電源系統應分四級浪涌保護。第一級保護是電源SPD，用于從雷電防護區的用戶LPZ0B區到LPZ1區的用戶主配電柜的雷電防護，安裝于電源線進入基站總配電箱處。標稱放電電流應大于80 kA（8/20μs），電壓保護水平Up等于2.0kV，此處的SPD主要是泄放大部分電流，并在一定程度上降低雷電過電壓。第二級保護應裝在進入機房交流屏的入口處（LPZ1區與LPZ2區界面交界處），標稱放電電流應大于40 kA（8/20μs），電壓保護水平Up等于1.8 kV，此級的作用是進一步降低電壓幅度。第三級應裝在被保護電子設備的電源線入口端，標稱放電電流應大于20 kA（8/20μs），電壓保護水平Up等于0.8 kV，使電壓箝位在被保護電子設備的耐受電壓范圍內。第四級保護，對于直流電源線路應裝在直流電源供電前端，對被保護電子設備能作精細保護。

2.3 建筑物（站房）的防直擊雷措施

移動通信基站房一般不是很大，高度一般是3 m左右，可以參考第三類防雷建筑物要求設置防直擊雷裝置。不過為了更好地起到防雷效果，建議在建筑物四角各設置一根引下線與接地裝置連接。引下線明敷時可以選用直徑不小于8 mm的鍍鋅圓鋼，利用建筑物本身的柱筋或暗敷引下線時則應選用直徑不小于10 mm的鍍鋅圓鋼。建筑物屋頂上宜沿屋檐設置一圈避雷帶，避雷帶材型宜選用直徑不小于8 mm的鍍鋅圓鋼，另在檐角位置設置避雷針，用材為直徑不小于12 mm的鍍鋅圓鋼。避雷針、引下線、接地裝置宜采用焊接連接，焊接部位應做刷漆或鍍鋅等防腐處理。其搭接長度應滿足下列規定：雙面焊接，圓鋼與圓鋼搭接為圓鋼直徑的6倍；單面焊接，圓鋼與圓鋼搭接為圓鋼直徑的12倍。

2.4 建筑物（站房）和線路的屏蔽

在發生雷擊時，由雷電暫態電流產生的暫態電磁脈沖變化是很快的，能使在其附近一定范圍內的未屏蔽電子設備受到干擾和損壞。由國外進行的摸擬實驗表明：在不加屏蔽的條件下，使電子設備（計算機）失效的脈沖磁感應強度Bt＝0.007×10－4T，使電子設備元器件損壞的脈沖磁感應強度Bd＝2.4×10－4T。參考這些數據，可以進一步估計雷電脈沖磁場對電子設備引起的工作失效率和元件器損壞率。

屏蔽是一種直接而有效地控制電磁干擾的方法。屏蔽是指用良導體將干擾源或敏感體（受干擾的設備或部件）包圍起來，以隔離被包圍部分與外界電的、磁的或電磁的互相干擾。屏蔽措施不是孤立的，必須和其它防雷措施結合起來，良好的接地是屏蔽措施的關鍵。對于移動通信基站應分為站房屏蔽接地與線路屏蔽接地兩部分。

2.4.1 建筑物（站房）的屏蔽

建筑物的屏蔽，它指的是利用鋼筋混凝土結構內的鋼筋（建筑物內地板、天花板、墻面及梁、柱內的鋼筋等），在相交處電氣連接，并與金屬門框焊接，在門窗上分別加裝金屬網并與門窗實施有效的電氣連接，使其構成一個六面體的網籠（籠式避雷網），從而實現屏蔽。該屏蔽籠在導體結構上雖然是稀疏的，但它可以構成對電磁脈沖輻射的初級屏蔽。金屬導體、電纜屏蔽層及金屬槽（架）等進入站房時，應做等電位連接。

2.4.2線路的屏蔽

變壓器低壓側電力線應采用帶金屬絕緣層的埋地電纜并穿入金屬管內埋地敷設。需要保護的信號線纜，宜采用屏蔽電纜，且應在屏蔽層兩端及雷電防護區交界處做等電位連接并接地。為了防止由多點接地所產生的低頻干擾，可將電纜穿人金屬管內或采用雙屏蔽電纜，將金屬管或雙屏蔽電纜的外屏蔽層的兩端與兩電子設備外殼分別連接并就近接地，金屬管內的電纜單屏蔽層或雙屏蔽電纜的內屏蔽層可以采用一端接地，這樣既可以保證安全，又有利于抑制低頻干擾。

2.5 等電位連接

等電位連接是感應雷防護的一個重要措施，花費少，防雷效果卻很明顯，其目的是減少電磁輻射感應出來的雷電流所引起的電位差。等電位連接的方法是在站房內，圍繞站房四周，在地上設置接地母線，此母線在四角與站房處的接地線連接，連接點間距不大于18 m。房內各種電纜的金屬外皮、金屬外殼、各種金屬管道、金屬門柜、金屬進風管、走線架、設備防靜電接地、安全保護接地、浪涌保護器（SPD）接地端等均應以最短距離與環行的接地母線連接，這樣，電子設備和導線即處在一個“法拉第籠”內。

3 接地系統的做法

移動通信基站和站房的地網應圍繞鐵塔和建筑物做成環形閉合網格狀地網，鐵塔地網的網格尺寸不大于3 m×3 m，鐵塔地網、建筑物防雷地網、變壓器地網應3 m～5 m連接一次，且連接點不少于兩處。防雷地、工作地、防靜電地、安全保護地、防感應雷地必須共用同一接地裝置。接地體距地面不小于0.7 m，在人行道附近不小于1.0m。垂直接地體長度為1.5 m～2.5 m，間距為1.5～2.5倍。

站房接地引入線應使用截面積不小于95 mm2的多股銅絞線或≥40 mm×4 mm的扁鋼，長度不宜超過30 m。接地引入線從地網中心部位就近引出，引出點避開防雷引下線和鐵塔塔腳。當基站建在辦公樓或大型公用建筑上時，接地引入線可從機房柱筋或鄰近預留接地端子引出。站房內環行接地匯集線應使用截面積不小于90 mm2的銅材或160 mm2扁鋼，并應就近與建筑鋼筋多點連通。采用星形連接方式的站房，總匯流排應為不小于400 mm×100 mm×5 mm的銅排。如采用二級接地匯流排的，兩級匯流排之間的連接線應采用不小于70 mm2的多股銅線。

4 結 語

移動通信基站的防雷系統是保證信號正常發射和接收的基本措施。在基站設計施工時，防雷系統應遵循層層設防、多級分流保護原則，采取多層與多類防護措施相結合的綜合防護措施，這樣才能較好地減少雷電給移動通信造成的影響。

［1］ 建筑物防雷設計規范（GB50057－2010）［S］.北京：中國計劃出版社，2011.

［2］ 建筑物電子信息系統防雷技術規范（GB50343－2004）［S］.北京：中國建筑工業出版社，2004.

［3］ 通信局（站）雷電過電壓保護工程設計規范（YD/T5098－2001）［S］.北京：中國信息工業出版社，2001.

［4］ 移動通信基站防雷與接地設計規范（YD/T5068－98）［S］.北京：中國信息工業出版社，1998.

［5］ 李姜宏，黃樹燕，林鉑岷.移動通信基站防雷設計與接地技術［J］.氣象研究與應用，2009，30（3）：81－83，90.

［6］ 劉 庭.移動通信基站防雷優化設計［J］.無線通信技術，2009，（1）：25－27.