無線通信基站防雷接地系統的設計研究

韓 冰，梁亞飛

（中國通信建設集團設計院有限公司 第四分公司，河南 鄭州 450052）

0 引 言

雷電非常容易對通信基站中的設備造成破壞，致使無線通信的信號中斷。雖然近年來技術人員越來越重視防雷措施，但仍然無法避免雷害的威脅，因此需要優化防雷接地系統的設計，針對性地進行防雷。

1 無線通信基站雷害

無線通信基站較為復雜，傳統防雷器設備的防雷效果不盡如意。實際調查后發現，由于基站中重要設備設置的位置地勢較低，能夠被建筑的防雷設施以及線路的防雷系統密切保護，且基站吸收的雷電流能夠順著防雷系統泄放，因此通信基站中的設備幾乎不會被直擊類型的雷電破壞，也不受雷電感應的威脅[1]。除此之外，基站的外部金屬都有一定的接地保護作用，雷電感應也不會對其造成破壞。而失去地勢優勢的基站則會被直擊雷電影響，雷電感應也會對其產生威脅，更會由于電壓反擊以及雷電波的入侵導致在多次雷擊事故中出現單向交流電設備和直流設備被破壞的現象。無線通信基站中一旦發生雷害，破壞了通信設備，將會對無線通信的穩定與安全造成較大的影響。由于雷電的自然性使其不可被控制，因此只能積極預防，在容易吸引雷電的區域要加強防雷的措施，完善防雷接地系統的設計，通過完備的防雷系統保護基站中無線通信的運行線路與工作人員。此外，在此過程中還可以引進先進的防雷手段，提升防雷的效果[2]。

2 無線通信基站防雷接地系統設計

2.1 電源防雷

無線通信基站電源防雷系統在設計過程中需要考慮的主要因素是電源。一般來說，基站中經常使用的電源大致有單相交流電源、三相交流電源以及直流電源3種[3]。交流電源的防雷設計（圖1）主要是針對直擊類型的雷電與感應類型的雷電。在交流電源防雷的功能器中一般利用的是兩級防雷裝置，其中電感發揮其主要作用，較好地抑制電流的突變，確保壓敏電阻能夠將其作用最大化發揮出來。此類功能器在實際操作時如果運行正常，則空氣開關閉合，同時交流指示燈會亮起，而當其受到直擊雷的沖擊或被感應雷入侵時，功能器中正常工作的壓敏電阻將會出現低阻現象，此時空氣開關的狀態斷開，交流指示燈也處于熄滅的狀態[4]。

圖1 交流電源的防雷線路

由于雷電在放電過程中具有較大的電流和電流變化率，電磁場會發生強烈的波動，進而對基站中的設備造成影響。一般情況下，直流的電源地與防雷地應當處于不同的接地排，而部分基站中的接地排只有一個，導致電源地與防雷系統都被接到此處[5]。電磁場理論中說明電流的變化率相對穩定時，直流電源地以及直流電源供應的設備中設置的防雷引線和接地排共同構成的面積范圍越小，則其感應電動勢也越小，要求的電源設備的絕緣性越低[6]。在泄放雷電流時，如果接地線中的電流增大，那么其電壓會加在直流電源的設備上，直流電源和防雷地的接線方式將會成為等電位連接，能夠幫助其進行更好的防雷。此時需要加強以直流電源方式供電的通信設備。

2.2 機房防雷

由于無線通信基站使用的機房并非都是單獨建設的，部分基站通過租用民房來節省建設成本，因此在進行機房防雷設計的過程中需要充分考慮機房的來源。單獨建設的機房要在其屋頂上設置完備的避雷網，以3 m為間距和屋頂上的避雷針進行焊接聯通，還要在機房屋頂周圍設置避雷電流的引下線[7]。其所運用的金屬設備要以就近原則為施工基準，將其與避雷帶進行焊接聯通。而租用民房的機房防雷則考慮另外的防雷途徑，先找到建筑本身設置好的接地引下線，如果沒有發現，則尋找用于防雷的主鋼筋。因為防雷接地是每一個建筑電氣工程中都必須要進行的基礎性工作，其能夠保證整個安裝施工的安全，而在建筑工程中，最常用的防雷措施是利用主鋼筋來進行防雷，該鋼筋通過接地處理來增強其防雷的效果。并且在實施接地操作時，施工人員通常會做好標記，避免接地混亂，因此在尋找建筑本身的防雷設施時比較容易。在確認好建筑的防雷設施后，在機房的四周利用扁鋼網構建封閉接地環[8]。通常來說，建筑主鋼筋的上端要和樓頂的避雷網形成電氣連接，其下端需要和接地網形成連接，中端需要和樓層間的接地母線構成可靠的連接。為了加強防雷的效果，金屬類的框架與各類設備的外殼都應當和主鋼筋搭建電氣連接，使整個建筑成為等電位體。

2.3 中繼線防雷

如今的無線通信技術最常使用的信號傳輸方式是光纖傳輸，而在實際操作的時候，數字中繼信號工作的頻率較高，因此應更加關注數字中繼線路的防雷設計。在中繼線路的防雷設計中需要將PN結電容較小的器件作為優先考慮對象，此類器件需要擁有較高的反應速度和合適的擊穿低壓[9]。從中繼線路的保護電路圖（圖2）中不難發現，在變壓器之后設置了多達4個的二極管設備，此類設備最主要的作用為將漏過吸收的累積信號補充吸收，從而大大降低基站被雷電損害的概率，使無線通信的基站能夠穩定地輸出信號。

圖2 數字中繼保護電路

2.4 天饋線防雷

在無線通信基站中，天饋線的防雷設計通常從鐵塔、天線的安裝以及饋線3方面進行。首先，鐵塔從位置上進行分類可以分為樓頂塔和落地塔，面對樓頂塔時，可以將其就近焊接上屋頂的引下線或主鋼筋上。焊接的過程應著重對焊點進行防護，與此同時，還要控制連接點的總數與其分散性[10]。面對落地塔時，應當選擇建立地網的方式，并在其周圍埋設鍍鋅的扁鋼帶，打入圓鋼地樁。需要注意的是，地樁的間隔控制尤為關鍵。其次，天線的安裝對防雷效果的影響較大，因此其安裝的位置應被精準地測算。天線應當安裝于避雷針的保護區域之內，保護角在30°與45°之間，當其多數保護時可以直接取30°。最后，饋線的防雷設計同樣備受重視，從理論上來說，饋線的屏蔽層需要設置在鐵塔的頂部、遠離塔身的拐角以及進入機房前等區域，在此類區域完成接地工作。但在實際施工時，由于鐵塔的高度受限，鐵塔頂部的接地應用較少，施工人員會采取分布式的建設方式，分別設置BBU和RRU，大大減少鐵塔上接引的纜線，進而在其他區域進行接地[11]。但上塔的線纜數量減少又帶來了新的接地問題，在電纜被拉遠后對防雷的效果有一定的影響，供電的方式也出現了防雷問題，同時還需要解決處于室外的一體化PUS和UPS供電中的防雷問題。在設計PUS供電的防雷接地系統時，由于RRU設備需進行供電，因此以串聯防雷箱為主要防雷措施，同時使供電的設備以就近原則實施供電接地。

3 結 論

在所有的防雷接地設計中最關鍵的步驟就是接地工作，在考慮接地方式的同時需要依據不同防雷問題具備的特征，選擇最合適的防雷設備。在防雷接地設計中充分考慮到各方面的因素，做好電源防雷、機房防雷、中繼線防雷以及天饋線防雷的工作，才能夠使防雷效果達到最大。