移動通信基站防雷與接地

1、移動通信基站的防雷與接地作者：信息產業(yè)部郵電設計院劉吉克2003年03月31日摘要信息產業(yè)部郵電設計院對全國10幾個省份移動通信基站遭雷擊情況統(tǒng)計結果表明，基站收發(fā)信機幾乎沒有一起因遭受直擊雷損壞的事例，雷擊造成通信設備損壞事故的95%是雷電過電壓引起的，因此對移動通信基站雷電過電壓的保護就更為重要。本文從移動通信 基站的事故分析作引導，著重論述移動通信基站的防雷問題。關鍵詞移動通信基站防雷接地 雷擊概率 雷電過電壓保護 接地體對于每一個通信局 站）采用統(tǒng)一的防雷措施既不經濟、又不合適，一般而言，建在山上 及郊外孤立的站與地處雷暴強度較強、雷暴日較多通信局站）雷擊事故概率較大，其應比那些雷擊事

2、故概率小的采用更為有力的防雷保護措施。另外移動通信基站的雷電過電壓保護，各 級防護器件是相輔相成的，互相影響的，此時用以局部防護的過電壓器件不能有效的發(fā)揮其防 護性能，將影響移動通信基站的整體防護。另外還有一個重要的原則，移動通信基站的雷電過 電壓保護設計必須是建立在聯(lián)合接地基礎上。因此移動通信基站雷電保護并非是簡單的接地或 者單一的雷電過電壓保護器件應用，而是根據移動通信基站所處的具體位置、環(huán)境因素、所在 地區(qū)的雷暴強度及雷暴日的大小、來確定基站的雷電保護措施和方法。1 一些省市移動通信基站雷擊統(tǒng)計分析信息產業(yè)部郵電設計院對全國10幾個省移動通信基站遭雷擊情況的統(tǒng)計，為了便于說明移動通信基站

3、的雷害情況，本文僅對雷暴日較多的福建、湖南、浙江省移動通信基站的統(tǒng)計結果進行 分析，選擇這幾個省的移動通信基站為調查目標，有一個很重要的因素，這就是福建、湖南、 浙江省都是雷暴日較多的地區(qū)年雷暴日為70以上）。且?guī)缀醵紱]有使用非常規(guī)避雷裝置 如消雷器、優(yōu)化避雷針）作為防直擊雷的方式，這樣根據雷擊通信設備的事故分析，就可以說明對 于移動通信基站的雷電防護究竟采用什么措施更為有效。1.1湖南省移動通信局雷擊情況統(tǒng)計根據所統(tǒng)計到的湖南省移動通信局281個站，自1992年開通以來，共發(fā)生了 24次雷擊事故其中：）/、 I ?.雷擊使天線輸岀變化、參數(shù)改變，換天線一根 根據該局人員分析，雷擊的原因是：移

4、動通信天線與避雷針等高，天線不在避雷針保護范圍內，雷擊造成天線參數(shù)改變”但從天線本身看，沒有任何雷擊跡象），尚若該事故是雷擊造成的，雷擊是屬于防雷設計問題。占雷擊事故總數(shù) 的4% ; 電源系統(tǒng)、電源設備損壞 14次，占雷擊事故總數(shù)的 56%，雷擊損壞設備有：穩(wěn)壓器、交流配電屏、空調等；?由中繼電路造成的事故 10次，占雷擊總數(shù)的40%，雷擊損壞光端機接口；PCM板；交換機用戶板；W2464Z線路支架； MAX8099板。1.2福建省移動通信基站雷擊情況統(tǒng)計根據所統(tǒng)計的福建省移動通信局19個基站，在92年開通以來，共發(fā)生 11次雷擊 其中既擊壞電源，又擊壞PCM電路的兩次），其中：?電源系統(tǒng)、電

5、源設備損壞 3次，占雷擊事故總數(shù)的 27.3%占統(tǒng)計總數(shù)的15.8% ），雷擊損壞設備 有：電源模塊、微波設備室外機電源；由中繼電路造成的事故 9次，占雷擊總數(shù)的81.8%占統(tǒng)計總數(shù)的47.36% ），雷擊損壞2Mb接口；PCM板；話路盤。1.3浙江省移動通信基站雷擊情況統(tǒng)計根據所統(tǒng)計的浙江省移動通信局93年開通以來遭受雷擊的 49個基站，其中：?,電源系統(tǒng)、電源設備損壞 3次，占雷擊事故總數(shù)的 28.8%，雷擊損壞設備有：電源模塊、微波設備室外機電源；-由中繼電路造成的事故 35次，占雷擊總數(shù)的67.2%，雷擊損壞2Mb接口； PCM板；話路盤。?信道、功放電路雷擊事故兩次事故原因待分析）。

6、1.4湖南、福建、浙江移動通信基站雷擊歸一化統(tǒng)計結果分析為了更清楚的分析移動通信基站雷擊概率，我們將湖南、江西、福建移動通信基站19901997年的雷擊事故概率進行歸一化處理，歸一化雷擊概率由下式表示：雷擊次數(shù)歸一化雷擊概率 =100%總站數(shù)X年a湖南省移動通信局：雷擊電源系統(tǒng)歸一化概率：0.83%雷擊中繼電路歸一化概率：0.59%雷擊其它電路歸一化概率：0.06%。a福建省移動通信局：雷擊電源系統(tǒng)歸一化概率 ：2.63%。雷擊中繼電路歸一化概率：7.9%。?浙江省移動通信局：雷擊電源系統(tǒng)歸一化概率 ：1.22%。雷擊中繼電路歸一化概率：14.3% ；雷擊其它電路歸一化概率：0.81%。955

7、00Q雷擊造成移動通信基站的事故，被損壞設備基本上是感應雷引起的電力線、電源設備、與外界 有線纜聯(lián)系的信號電路及接口設備。按防雷接地標準施工的移動通信基站，經過防雷接地、過 電壓保護的綜合治理，此時由直擊雷造成的通信設備損壞事故僅是一個小概率事件，另外從湖 南、福建微波站*與湖南、福建移動通信局雷擊統(tǒng)計結果可以看出一個問題：同一省份的移動通 信基站的雷擊概率遠小于微波站的雷擊概率，這主要是因為；移動通信基站大都建在城市，微 波站建在市郊及山上的站為多的緣故所致。因為雷擊造成移動通信基站通信設備損壞事故的%是雷電過電壓引起的，因此對移動通信基站雷電過電壓的保護就更為重要。*2移動通信基站的雷擊概

8、率與接地電阻、年雷暴日等因素之間的關系因為移動通信基站蜂窩網覆蓋區(qū)基站的分布在城市密度遠高于郊縣，現(xiàn)階段山區(qū)的基站更在少數(shù)，因此造成雷擊基站畢竟是小概率事件，雖然中國在世界上屬于雷擊日最多的地區(qū)， 但是不要忽略中國的國土幅員遼闊，地區(qū)之間雷暴日不均勻性這一不爭的事實，中國既有雷暴 日超過100天的海南省，又有雷暴日不超過30天的廣大地區(qū)及雷暴日10天左右的新疆和內蒙,于每一個通信局 站）采用統(tǒng)一的防雷模式措施，必然造成很大的浪費，相關規(guī)范的編制并未 考慮這一主要因素，項目技術人員對此應有一個清楚的認識。從通信局 站）接地電阻這一局 站）防雷的重要參數(shù)講，如果要在大地電阻率大于。m的地區(qū)建站時，

9、為了達到現(xiàn)有標準規(guī)定的5Q,局 站）的接地地網面積，根據地網接地電阻的計算公式：PR=0.5vS式中：R-通信局 站）接地網的接地電阻值 VQ）;2S- 地網的面積 m ）。地網的面積應大于 2500m2，在城市一般專用局址的移動通信基站地網做到這樣的面積在通常情況下是困難的，在山區(qū) 要做到這樣的面積和滿足接地電阻值的要求可能要花更大的代價。從理論上講： “一個接地地網的面積不論有多大，在工頻時，可將接地網的表面近似看成等位面，故接地網的全部面積都 能得到利用。但是由許多根接地體在地中構成的網狀接地體，在沖擊電流的作用下，當土壤電 阻率和大地介電系數(shù)一定時，接地網的沖擊等效半徑就是一個常數(shù)，而

10、沖擊等效半徑要比接地 網面積和的等效半徑小的多。即在沖擊電流的情況下，僅僅利用接地網很小的一塊面積”。因此在確定雷擊概率與年雷暴日、地理環(huán)境以及接地電阻等因素時，應找出主要雷擊因素*。日本在 70年代，花了三年時間對 419個微波站的雷擊事故進行了調查研究，其結果表明雷電事故 與年雷暴日、海拔高度成正比，而與微波站的接地電阻幾乎無關系，雖然日本人的統(tǒng)計是70年代微波站的雷擊情況，但其結果可為移動通信基站的防雷方案提供一個清晰的思路。3 移動通信基站的雷電過電壓保護配電系統(tǒng)對雷電過電壓保護器件安裝方式的要求通信局 站）對于不同的供電方式，雷電過電壓保護器安裝的方式要求是不同的，在中國對于通信局

11、站）的供電方式，原郵電部暫行規(guī)定XT005-95通信局 站）電源系統(tǒng)總技術要求規(guī)定“縣以上城市各種通信局 站）宜采用 10kV 高壓市電引入，并采用專用降壓變壓器供電”，這就規(guī)定了通信局 站）的配電方式采用 TN系統(tǒng)，但又規(guī)定了 “當通信局 站）引入高壓電有困難或投資較大時可采用 220/380V 低壓市電引入 ”，即又規(guī) 定了通信局 站）的配電方式也可采用 TT系統(tǒng)。TN、TT系統(tǒng)的接地方式有什么區(qū)別呢？1）TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)TN系統(tǒng)的第一個字母 T說明系統(tǒng)中有一點 一般是電源的中性點）直接接大地，它被稱作 系統(tǒng)接地 Systemearthi ng），其第二個字母 N說明用電設備的外殼，經保

12、護接地線即PE線Protectiveearth ingcordutor）與該點連接而接地，它被稱作保護接地 Protectiveearthing ）。TN系統(tǒng)又分為三類，圖 1為TN S系統(tǒng)，字母S的含義是PE線和N線一般在中性點接地后，配電單獨設立不再接觸；圖2為TN CS系統(tǒng)，字母C的含義是電源至建筑物的一段線路中PE線和N線 中性線）是合為一根 PEN線的。字母S的含義是PEN線進入建筑物后即分為 PE線和N線并不再接觸；圖3為TN C系統(tǒng)，字母C的含義是電源中PE線和N線自始至終合用一根 PEN線。通信局 站）最常用的是T N S系統(tǒng)和TN C S系統(tǒng)。圖4所示為移動通信基站和縣支局常

13、用的TT系統(tǒng)，是符合通信局 站）電源系統(tǒng)總技術要求中規(guī)定的，作為基站和縣支局其電力負荷要求非常小，一般基站的電力負荷電流僅30A以下，這樣小的負荷量，不可能設立專用變壓器，因此作為基站和縣支局因為引入高壓電有困 難或投資較大時采用了 220/380V低壓市電引入的選擇，TT系統(tǒng)第一個字母T也表明系統(tǒng)接地是直接接大地，其第二個字母 T表明用電設備外殼的保護接地是經PE線接單獨的接地板直接接大地，它與電源中的 N線線路和系統(tǒng)接地毫無關連。因接地系統(tǒng)的不同，通信局 站）電源配電線路雷電過電壓保護的器件選用和安裝方法要求也 十分不同。2）. TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)對安裝SPD的要求TN系統(tǒng)內安裝SPD的要

14、求SPD的選用與安裝和電源線路的接地系統(tǒng)有很大的關系，圖5為TN C- S接地系統(tǒng)中SPD的安裝方式。從圖可知 TN系統(tǒng)PEN線在進線處已接于建筑物內總等電位聯(lián)結的接地母排上，PEN線已在此處接地而等電位，在此處N線對地不必裝用 SPD，這時TN C S系統(tǒng)需裝設3個SPD。但進入通信局 站）以后N線對地還需裝用SPD，這時TN C S系統(tǒng)需裝設4個SPD。TT系統(tǒng)內安裝SPD的要求圖 6為上述 IEC60364 5 534標準推薦的TT系統(tǒng)中SPD安裝方式示例之一。如前所述TT系統(tǒng)除電源中性點外，N線自始至終都是與地絕緣的，因此N線上也需裝設SPD，即三相四線TT系統(tǒng)內需裝設4個SPD單相兩

15、線TT系統(tǒng)內需裝設2個SPD）。基站配電系統(tǒng)的雷電過電壓保護要求低壓電力電纜引入機房入口處 在交流穩(wěn)壓器或交流配電屏前），TT系統(tǒng)相線對中性線、中性線對地TN系統(tǒng)相線及中性線應分別對地）加裝過壓型SPD，并且在SPD回路中串接保險絲，其目的主要是防止 SPD因各類因素損壞或因為暫態(tài)過電壓使SPD燃燒 國內外移動通信基IEC6036站發(fā)生過多次此類事故，國外的防雷公司的SPD產品在項目上都要求采用串接保險絲, 4-5-534過電壓保護裝置對此有專門論述)，影響移動通信基站供電線路的正常工作 因為以往的規(guī)范忽視了在 SPD并聯(lián)回路中串接保險絲，從而給移動通信基站的正常供電帶來了隱患)保 險絲標稱電

16、流的量級一般為上一級保險絲的1/1.6倍。并且根據雷電活動區(qū)的劃分、移動通信基站的分類、移動通信基站所處的地理環(huán)境、建筑物的形式、供電方式的情況，在設計中對電源SPD提岀的不同要求。1)建在高山，地處多雷區(qū)以上，與微波站合用機房的移動通信基站，配電變壓器低壓側各相對地應安裝安裝沖擊通流容量大于100kASPD;在電力室入口處各相及中線對地應安裝標稱放電電流為20kA的過壓型SPD;其中過壓型SPD必須考慮電力供電電壓波動較大的問題。2)建在城市和郊區(qū)無專用配電變壓器供電，配電采用TT系統(tǒng)的移動通信基站低壓電纜必須從共用的配電變壓器全程埋地引入機房，在機房入口處，相線應分別對N線加裝過壓型SPD

17、，N線對地間應采用由放電管組成的 SPD，地處城市的基站應安裝標沖擊通流容量大于60kA的過壓型SPD;地處郊區(qū)的基站應安裝沖擊通流容量大于80kA的過壓型SPD。移動通信基站內直流電源線使用的SPD應具有帶保險絲功能的、標稱放電電流為3kA的SPD，SPD應就近接地。(5兩級SPD的隔距按照國內外有關文獻及標準，根據兩級SPD的類型，SPD對雷電反映時間的快慢，連接線纜的材料及粗細，當兩級都為MOV時，連接線纜隔距一般要求為35M ;當兩級SPD為不同器件時，連接線纜隔距一般要求為10M或連接線纜電感量為 715H。因此為了有可操作性，當上一級SPD為雷擊電流型SPD，次級SPD采用過壓型S

18、PD時，兩者之間的配電纜線隔距應大于10M。當上一級SPD與次級SPD都采用過壓型SPD時，兩者之間配電纜線的隔距應大于5M信號線的雷電過電壓保護因為進入局 站）的 PCM 電纜芯線未加裝保安單元，特別是進入無線通信局站）的纜線未加裝保安單元，致使PCM接口、PCM邏輯盤、話路板以及 2Mb接口被雷擊壞的事故時有發(fā)生。而這 些存在的問題，正是 IEC1312 和 ITU-K系列文件專門論述的要點，為了減少雷害事故的發(fā)生，這些問題更應引起我們的注意。1出入通信局 站）的電纜，應在進線室將金屬鎧裝外護層做接地處理。2 出入通信局 站）的光纜，應將纜內的金屬構件，在終端處接地。3進入通信局 站）的P

19、CM電纜芯線應加裝保安單元，空線對應就近接地。4 進入無線通信局 站）的纜線應加裝保安單元后，再與上下話路的終端設備相連。 3.4移動通信基站天饋線的雷電過電壓保護根據對廣東、福建、廣西、湖南、浙江、遼寧等省移動通信基站的雷擊情況調研，由天 饋線引入的雷電浪涌損壞移動通信設備的事故概率是小概率事件，國內引進的基站設備，除了 MOTOROLA 公司的產品饋線上加裝了雷電過電壓保護器，其它公司一般都不隨機攜帶同軸電纜在天線側和發(fā)射機側要求接地），鑒于上述統(tǒng)計結果從饋線上引入的雷害事故在移動通信基 站還鮮為人知，在1998年前國內運行的大多數(shù)移動通信基站的天饋線一般都未加同軸SPD,因此是否安裝同軸

20、SPD應從防雷的必要性和經濟性的原則，并根據基站所處具體的地理環(huán)境來確 定，同軸SPD接地端子的接地引線，根據電磁兼容的原理，應在機房外接地。建在城市內孤立的高大建筑物或建在郊區(qū)及山區(qū)，地處中雷區(qū)以上的移動通信基站，當饋線采用同軸電纜，同軸電纜長度超過 30M時，應在同軸電纜引進機房入口處安裝標稱放電電 流不小于5kA的同軸SPD，同軸SPD接地端子的接地引線應從天饋線入口處外側的接地線、避雷 帶或地網引接。4 移動通信基站的接地4.1 天饋線的接地1 ）鐵塔上安裝移動通信天饋線的防雷接地： 鐵塔上架設的移動通信系統(tǒng)饋線、同軸電纜金屬外護層應在天線側及進入機房入口處外側就近 接地，經走線架上塔

21、的饋線及同軸電纜，其屏蔽層應在其轉彎處上方0.51M范圍內作良好接地，當饋線及同軸電纜長度大于60M時，其屏蔽層宜在塔的中間部位增加一個與塔身的接地連接點，室外走線架始末兩端均應和接地線、避雷帶或地網連接。2）在民用建筑上安裝的移動通信天饋線的防雷接地 移動通信系統(tǒng)的擴容，微蜂窩、小區(qū)化，城市中多數(shù)基站一般都利用民用建筑設立站址94建筑物防雷設計規(guī)范，對于通信局站）和民用建筑的防雷設計，從建筑物的分類來講就不是一個類別，對于通信局 站）的防雷設計要求，遠高于民用建筑的防雷設計，不同類別 的建筑物使用的目的是不同的，明明是公共建筑物，基站卻要設計在這里，這就為移動通信基 站的防雷接地帶來不少的難

22、題。許多項目技術人員來電講，按照規(guī)范設計不好處理，也做不到條文所要求的，當然因為 建筑物的類型很多，不可能用一種模式去解決所有的問題，對于利用辦公大樓、大型賓館、高 層建筑作為基站機房天饋線系統(tǒng)的接地，因為條件所限只能利用大樓頂避雷帶上或者在大樓頂 的避雷網預留的接地端 相對而言，此類建筑物內的主鋼筋作為防雷接地系統(tǒng)是安全的）；而 對于較低的居民樓或公共建筑物，除了利用樓頂?shù)谋芾讕?，為了保險的緣故，最好在樓底下 專設一組地，用 40X4 的鍍鋅扁鋼引至樓頂避雷帶焊接為一體作為作為基站機房天饋線系統(tǒng)的接 地。4.2 接地體的選擇對于和其它通信局 站）同站址的基站，基站的接地系統(tǒng)僅需利用原有機房

23、的接地系統(tǒng)， 對接地體沒有什么特殊的要求，但建在民用建筑的基站，往往因為條件所限，或者業(yè)主和環(huán)境 的要求，基站的接地是非常困難的事情，這也是各地移動通信局經常詢問筆者的問題。首先通信局 站）地網的概念在民用建筑中是不可能存在的，民用建筑本身的防雷接地僅 是利用建筑物內的金屬構件和基礎內的鋼筋作為防雷接地系統(tǒng)，因為作為雷電流引下線柱內的 主鋼筋并非是焊接的，此時若將建筑物本身金屬構件的作為唯一的接地系統(tǒng)是不可靠的，為此 一般應在此基礎上另外設一個輔助接地系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)焊接為一體，這樣才能保證基站設備的 安全運行。上面講到，往往因為條件所限，或者業(yè)主和環(huán)境的要求，接地體的選擇就很重要，從實際岀發(fā)，在樓房機房的一側地下，根據環(huán)境條件，可設一組接地體，接地體可有35根2.5M長的鍍鋅垂直接地極棒組