高山通信基站雷電防護關鍵技術研究與分析

湘西土家族苗族自治州氣象災害防御技術中心 梁忠武 黃耀磊 周國軍 尹 娟

高山通信基站的雷電防護對減少基站雷電危害意義重大，本文重點分析探討了雷電防護技術中的接地技術、機房等電位連接、電源系統浪涌保護技術等。高山通信基站的接地應采用共用聯合接地系統，接地電阻值在很難達到規范值要求時應保證其他雷電防護措施的完整性和有效性；通信機房等電位連接基本結構包含S型和M型，機房內所有設備設施應做好等電位連接處理，大型設備接地連接線不少于2根，并保證良好的接地效果；高山通信基站應安裝多級浪涌保護器，并且第一級浪涌保護器應選用大通流量型號，浪涌保護器的接地線應盡量短而直；對于通信鐵塔，高山站直擊雷引下線宜采用專設引下線，以達到盡快泄流和減少雷電二次危害的目的。

現代通信技術高速發展，移動通信基站也不斷的升級改造，從3G到4G再到新時代的5G，移動通信基站都扮演著重要角色，直接關系到移動通信設備網絡信號的質量。由于信號發射和接收的需要，移動通信基站大多建于高山、屋頂等一些地勢較高處，特別是一些高山站，其所在地土質條件大都比較差，土壤電阻率高，并且通信鐵塔或信號桿等都暴露于高處，這些環境特點使得高山移動通信基站比較容易遭雷電危害，一方面雷電直接擊中信號塔或信號桿帶來的危害，另一方面雷電感應引起的過電壓或過電流給通信機房內部設備和系統帶來的危害，因而高山移動通信基站需做好雷電防護措施，完善的雷電防護技術措施對保證通信基站正常運行起著至關重要的作用。現今的移動通信技術已比較成熟，相應的通信基站的雷電防護技術也比較完善，通信基站雷電防護的國家標準和行業標準應運而生，關于移動通信基站雷電防護的研究也不少，本文將側重探究高山移動通信基站雷電防護技術中的接地、機房等電位和電源系統浪涌保護技術，分析這些技術的關鍵要點和合理性。

1 基站接地系統

移動通信基站的地網由機房地網、鐵塔地網和變壓器地網共同組成，并且它們之間焊接聯通形成一個聯合接地網，如圖1所示。機房的地網一般設置成環形接地裝置，并充分利用機房建筑基礎橫豎梁內的鋼筋焊接形成網格接地裝置；鐵塔地網和變壓器地網應與機房地網多點連接，一般每隔3～5m作一次連接；由于高山移動通信基站所在地環境比較惡劣，土壤電阻率高，使得接地電阻值很難達到規范值要求，為了實現降阻和達到較好的泄流效果，需在聯合地網的外圍增設輻射型的外引水平接地體，外引水平接地體的長度應不大于2√ρ，ρ為土壤電阻率。

移動通信基站的聯合地網是基礎地網，除此之外通信基站的接地還包括工作地、保護地、信息設備的邏輯地、防雷地等等，這些接地應共用基礎地網，形成共用聯合接地網，相對于獨立接地，這種共用接地系統更有利于系統的安全，已被專家學者認可，也廣泛應用于各行各業的接地裝置。

關于通信基站的接地電阻值，在通信行業規范YD5068-98中規定基站接地電阻值不大于5Ω，后來在規范YD5098-2005中放寬到不大于10Ω，除此之外根據防雷技術規范GB50057-2010、GB50343-2012等的要求，采用共用接地系統時接地電阻值應按最小的要求值確定，一般配電系統的接地電阻值為不大于4Ω，重要機房的接地電阻值可能要求不大于1Ω，這對于高山站來說很難達到要求，降到這樣的低電阻值將耗費大量的人力財力物力，非常不經濟，因此高山移動通信基站的接地電阻值需結合當地土壤電阻率、雷暴日等氣象條件和經濟性綜合考慮，特殊條件下可適當放寬接地電阻值的要求，并強調其他雷電防護措施的完整性和有效性。

圖1 通信基站接地裝置簡圖

2 機房等電位

由于高山移動通信基站的接地電阻值一般很難達到規范值要求，此時做好基站的等電位連接措施顯得尤為重要，等電位連接主要起到均衡電位的作用，通信基站機房的等電位是重中之重，因而做好高山移動通信基站機房的等電位連接對減少因電位差引起的雷電危害意義重大。機房基本的等電位連接結構為S型（星型結構）等電位連接結構和M型（網狀結構）等電位連接結構，或者這兩種結構的組合形式。S型結構為單點接地形式，機房內所有設備、設施的等電位連接線最終通過一個基準點連接到接地排上，M型結構可看作多點接地形式，設備設施之間通過等電位連接線相互連接并最終通過多點連接到接地排上。S型接地結構適用于低頻網絡，這種結構導致一些接地線的長度很長，由于當功能性接地的接地線長度l為干擾頻率波長的1/4或其奇數倍時將產生諧振，接地線的阻抗為無窮大，相當于一根天線，不再利于接地，因此對于高頻網絡（如100MHZ），不再適用S型接地結構，應該采用M型接地結構，此結構能使接地線盡量短，如達到不大于0.5m，為了保證設備接地達到良好的效果，通常在設備對角作兩根接地線，并且兩根接地線的長度差控制在20%以內。

基站機房內的設備設施如網絡柜、交換機、通信柜、電源柜、配電箱、UPS電池、走線架等等都應做好接地處理，等電位接地線的規格需符合規范要求，通常匯流排的截面積不小于35mm2，一般設備接地連接線的截面積不小于16mm2，小型設備接地連接線的截面積不小于4mm2。除此之外進入機房的各種線纜（如電纜、光纜、信號線、天饋線）的金屬外層或加強芯都應在入戶處就近做好等電位連接處理；機房天面上的金屬設備也應就近做好接地或等電位連接處理。

3 浪涌保護技術

雷電對基站的危害一方面來自直擊雷害，直擊雷害主要通過安裝接閃器、引下線和接地裝置進行防護，另一方面的危害來自感應雷危害，雷電波、雷電電磁感應引起的過電壓過電流通過線路引入到機房內部對設備造成破壞，而且由于基站機房內電子設備較多，感應雷危害占實際雷電危害的絕大部分，防護感應雷除了等電位連接措施，安裝浪涌保護器也是一重要方面。

浪涌保護器主要通過限制瞬態過電壓和分走雷電流對設備進行保護。由于進入通信機房內的線路較多，包括電源線、信號線、天饋線等，因此需安裝不同類型的浪涌保護器，本文主要分析電源系統浪涌保護器的安裝。通信基站電源系統雷電過電壓保護應使用分級保護，按照防雷分區的原則安裝多級浪涌保護器，并且各級之間應保持必要的退耦距離或增設退耦器件。通常第一級浪涌保護器安裝在低壓配電輸入端，如變壓器低壓側或低壓配電室電源入口處，對于高山通信基站，考慮到雷電環境惡劣，第一級浪涌保護器應選用大通流量的浪涌保護器來就行分流，如最大通流量不小于120KA；第二級浪涌保護器安裝在后級配電處，如電源配電柜或開關箱等處，主要對雷電過電壓進行限壓；第三級浪涌保護器作精細保護，安裝在具體的設備處，如網絡柜、控制柜、數據柜的電源引入處，進一步限制過電壓到設備額定耐壓值以下；第四級或后面級別的浪涌保護器用于對直流設備或更精細設備的保護。

高山通信基站電源系統浪涌保護器的安裝，一方面需要安裝多級浪涌保護器，通過多級分流和限壓達到保護設備目的，另一方面需要注意通流量參數和電壓保護水平參數的選擇，特別第一級需選用大通流量的浪涌保護器，電壓保護水平應根據被保護設備的耐壓值進行確定。

4 其他防護措施

高山通信基站其他雷電防護措施包括接閃器、引下線及屏蔽措施等。接閃器直接在鐵塔或通信桿頂端利用短針作接閃，鐵塔頂端通信線纜和設施應在避雷針保護范圍內，關于引下線原則上可以直接利用鐵塔或信號桿對雷電流進行引流，考慮到鐵塔本身金屬構件電氣連接貫通的不確定性，并且為了更快的泄放雷電流，減少雷電流的二次危害，高山站宜采用專設引下線，對于鐵塔應采用兩根或以上40mm×4mm扁鐵作專設引下線，引下線與鐵塔之間通過引下線夾具進行固定，上端與接閃短針連接下端與地網連接（如圖2所示）。

圖2 鐵塔專設引下線簡圖

結語：高山通信基站由于所處地理環境的特殊性導致其比較容易遭受雷電危害，本文分析探討了高山通信基站雷電防護措施中的接地技術、機房等電位連接、電源系統浪涌保護技術和直擊雷防護措施等。高山通信基站的雷電環境復雜，雷電防護措施還應具體項目具體考慮，本文對關鍵防護技術的探討與分析僅供同行參考與借鑒。