分布式基站防雷与接地研究.docx

分布式基站防雷与接地研究刘吉克1.前言随着国内3G基站建设的广泛铺开，分布式基站得到了越来越多的应用。相比较以前的宏基站，分布式基站在结构、供电方式等方面都有了主线性的变化，假如将应用于宏基站的防雷接地技术直接应用到分布式基站则存在一定的问题，会给分布式基站的防雷安全带来很大的安全隐患。目前国内已发布的正式标准没有针对分布式基站防雷与接地方面的内容，TD-SCDMA的暂行标准也只有针对防雷器的简朴规定。ITU和IEC也没有这方面的建议。因此，针对分布式基站的防雷研究是一个全新的课题。本项目重点关注的问题：1）分布式基站根据环境以及应用规定变化分为很多类型，例如RRU直流拉远型、RRU就近取电型等等。这些类型相对于以前的基站在结构上有了很大的不同，随之而来，其防雷与接地规定相对于普通2G基站也有了很大的区别。建设中的分布式基站大部分是以共站的形式出现，由于直流拉远等方式事实上是给基站增长了一个新的雷电引入渠道，因此如何在原有基站防雷接地系统的基础上做好分布式系统的防雷也是一个重要的方面。2）分布式基站的天线为了调整其俯仰角和覆盖面，需在中心机房远端控制对天线进行调整，该技术的外引线缆，也许会导致雷电对基站内设备的损坏，由于电调天线的信号线、电源线由天线处外引到基站发射机的AISG端口，因此其端口的雷电保护非常重要，实行保护的防雷器应当具有相应的通流容量及残压低等性能指标。国内电调天线有三种远程控制方式，对于此三类电调天线容易遭受雷电侵入出入基站的信号线的接地及对天线端及设备端的接口的保护问题需要进行专项研究。3）由天线到RRU之间采用馈线连接，那么RRU侧的馈线端口是否需要防雷保护？对此已在前文移动通信基站天馈线SPD必要性研究中具体论述。2.分布式基站设备的防雷2.1.分布式基站的演变与防雷为了缩小基站设备的体积，减轻设备重量，减少基站重要设备的功耗，节约机房占地面积，灵活扩容，减少造价，扩大基站的使用及覆盖范围，各个厂商将爱立信小微波射频和中频基带设备分布的模式应用到基站通信系统，将基带设备与射频设备分开设立，这一点华为技术做得最为灵活及突出，与以往基站相比，分布式基站天馈线数目明显减少。图1、图2、图3反映了通信基站的演变。 图1第一代分布式基站设备及天馈系统示意图图2第二代分布式基站设备及天馈系统示意图图3第三代分布式基站设备及天馈系统示意图随着技术的演变，从防雷的角度，表面看来简朴多了，BBU和RRU的分开设立，上铁塔的缆线减少了，但由于各类线缆上塔，又引入了新的防雷接地问题，特别是各类缆线的拉远及供电方式带来的防雷问题，以及室外一体化UPS供电、室外一体化直流供电设备的防雷接地问题。另一个方面，上塔线缆由于与原有基站相比大大减小了数量，因此雷击时原先分派多根缆线上的雷电流，此时也许集中在几根线缆上，相对而言，对于3G基站馈线系统承受的雷电流增长了，所处环境更加严酷了。第三代3G基站设备及天馈系统，由于用光缆代替了射频、中频电缆，控制电缆，射频电缆仅剩下RRU到天线的几米线，因此原有基站射频电缆的雷电保护问题解决了，此时除GPS以外，仅剩下了电源线拉远的防雷保护问题。2.2.分布式基站的供电与防雷器的选择2.2.1分布式基站的供电规定对于3G分布式基站重要分为直流-48V（或24V）供电和交流220V两种不同的供电方式，在基站设计选型上，根据基站建设的具体情况，可以选用交流或者直流供电方式。以WCDMA分布式基站设备为例，华为、中兴、阿尔卡特朗讯、摩托罗拉设备的BBU都是只支持-48V的供电方式，华为的主流RRU设计仅支持-48V供电，中兴、朗讯和摩托罗拉的RRU均支持交流220V和-48V两种供电方式（可选择相应供电模块）。2.2.2重要基站的负荷记录根据相关厂家提供的相关资料，目前中兴、华为、阿尔卡特朗讯、摩托罗拉分布式基站设备功耗及工作电压如下。华为设备：BBU功耗35W，RRU功耗170W（工作电压范围-40V-60V）。中兴设备：BBU功耗190W，RRU功耗180W（工作电压范围-35V-60V）。朗讯设备：BBU功耗293W，RRU功耗230W（工作电压范围-40.5V-57V）。摩托罗拉：BBU功耗100W，RRU功耗130W（工作电压范围-40V-60V）。其中RRU功耗均为40W发射功率的典型耗电。2.2.3雷电的分区与防雷器最大浪涌电流的选择对于基站暴露在外部的线缆，IEC雷电保护区的分类还是可以参考的,在铁塔上和房屋建筑上布设的各类缆线，在避雷针或避雷带的保护下，直击雷是不也许落在缆线上的，此时按照雷电保护区的分类属于LPZ0B，由于缆线采用了铠装电缆，在铠装层内部的线缆及两端设备按照雷电保护区的分类属于LPZ1。虽然我们在分析过程中，采用了IEC雷电保护区的分类模型，线缆及两端设备从保护区LPZ0BLPZ1过渡属于两个防雷区的交接处，假如按照IEC雷电保护区的划分来选择防雷器，可以承接该区域使用的防雷器，其雷电流推荐的是10/350S的雷电流波形的产品。事实上处在该区域各类缆线雷电影响的理论计算，模型分析，各个国家在数以百万计的基站的雷击事故报道，以及来自于中国数万计基站雷击事故的记录，基站馈线是无需使用可以承接直击雷10/350S雷电流波形的产品，馈电线甚至也无需采用8/20S最大电流大于40kA的限压型防雷器。但由于电源拉远直接暴露在LPZ0B的特殊性，并且设备接口抗雷电流能力较差，此时拉远缆线两端必须采用串联多级防雷器。室内型串联防雷器如图4所示。图4室内型串联防雷器室外型串联防雷器如图5所示。 图5室外型串联防雷器2.2.4串联防雷器工作电流的规定为了防止直流（交流）馈电两端遭受雷击时损坏设备，需要安装防雷器，但在一条馈电线上，仅用一级防雷器，从限压型防雷器雷击后的残压特性分析，将雷电浪涌降到设备允许的电压下几乎是不也许的，因此必须安装两级防雷器，才干达成多级保护、逐级限压的目的。由于两级防雷器之间需要有一定的距离规定，要达成保护的效果，必须采用串联多级防雷箱，由于直流（交流）馈电有工作电流问题，因此在采用串联多级防雷箱时，由于内部有电感存在，所以选择产品时，最大工作电流规定需要非常明确，避免因最大工作电流超过防雷箱的允许电流值发生燃烧问题。2.3.分布式基站的供电方式与防雷分布式基站设备就是其基带（BBU）与射频（RRU）单元分开，根据分布式基站设备的特点，其供电方案也有多种选择，可以分为以下几种供电方案，涉及：室外一体化UPS供电、室外一体化直流电源供电、直流电源远供供电和交流电源远供供电四种供电方案。下面我们就对这四种供电方式的防雷规定进行说明。2.3.1室外一体化UPS供电2.3.1.1应用环境1）BBU设备安装在基站机房内采用-48V直流系统供电。2）RRU设备支持交流220V供电。3）RRU安装在室外天面，距离机房-48V直流系统较远的情况，或者RRU设备与BBU不在同一楼房，距离很远时，采用室外一体化UPS对RRU进行就近供电。4）室外环境适合一体化UPS设备的安装，有安装位置。2.3.1.2防雷措施与方案选用室外一体化UPS设备就近供电。考虑到就近也许有数个RRU设备（一般不多于3个）需要供电，在配电系统或者配电箱前，根据所处地区选择最大通流能量80kA/100kA专门的串联防雷箱。室外一体化UPS设备就近供电接地是关键。2.3.2室外一体化直流电源供电2.3.2.1应用环境1）BBU设备安装在基站机房内采用-48V直流系统供电。2）RRU设备支持直流-48V供电。3）RRU安装在室外天面，距离机房-48V直流系统较远的情况，或者RRU设备与BBU不在同一楼房，距离很远时，采用室外一体化直流电源系统对RRU进行就近供电。4）室外环境适合一体化直流电源设备的安装，有安装位置。2.3.2.2防雷措施与方案选用室外型-48V直流供电设备就近供电。考虑到就近也许有数个RRU设备（一般不多于3个）需要供电，在外市电引入或者配电箱前，根据所处地区选择最大通流能量80kA/100kA专门的串联防雷箱。室外型-48V直流供电设备就近供电接地是关键。2.3.3直流电源远供供电2.3.3.1应用环境1)BBU设备安装在基站机房内采用-48V直流系统供电。2)RRU设备支持直流-48V供电。3)RRU安装在室外天面，距离机房-48V直流系统较近的情况，运用机房直流电源系统对RRU进行远供供电。4）RRU安装在其他建筑物，距离机房较远的情况，运用机房直流高压电源系统对RRU进行远供供电。2.3.3.2防雷措施与方案直流远供方案需要将直流电源线拉远至RRU设备端进行供电，由于电源线较长，在房顶时，会暴露在室外天面；在有铁塔时，电源线沿塔身布设，雷电电磁场对电源线较大，因此电源线的防雷问题应当引起足够重视。在直流馈电线两端必须配置40kA专用直流串联防雷器。直流串联防雷的最大允许电流根据为RRU提供的电流来定。2.3.4交流电源远供供电2.3.4.1应用环境1)BBU设备安装在基站机房内采用-48V直流系统供电。2)RRU设备支持交流220V供电。3)RRU安装在室外天面，距离机房-48V直流系统很远的情况，运用机房逆变器电源系统或UPS系统对RRU进行远供供电。4)基站机房有空余安装位置可以安装逆变器设备或UPS设备。该方案是在机房内安装一套逆变器，其输入采用机房现有直流系统输出的-48V电源，将其逆变为220V交流电为远端RRU设备供电。或者安装一套UPS系统，输入为交流配电箱，通过UPS后由220V交流电为远端RRU设备供电。2.3.4.2防雷措施与方案交流远供方案需要将交流电源线拉远至RRU设备端进行供电，由于电源线较长，在房顶时，会暴露在室外天面；在有铁塔时，电源线沿塔身布设，雷电电磁场对电源线较大，因此电源线的防雷问题应当引起足够重视。在220V交流馈电线两端必须配置60kA以上的交流串联防雷器。交流串联防雷的最大允许电流根据为RRU提供的电流来定。2.4分布式基站防雷接地图例图6外置直流拉远线两端防雷箱安装示意图图7使用逆变器交流拉远线两端防雷箱安装示意图图8使用UPS交流拉远线两端防雷箱安装示意图图9传统基站与分布式基站传输线和电源线对比示意图2.5四类供电方式防雷接地对比2.5.1室外一体化UPS供电与外一体化直流电源供电室外一体化UPS供电与外一体化直流电源供电需要就近为RRU供电，相应的就近接地系统在每一个区域或建筑物此外设立，每一个区域或建筑物需要增长串联防雷箱，这样一是提高投资，二是增长了防雷接地的难度。2.5.2直流电源远供供电与交流电源远供供电交直流远供方案需要将交直流电源线拉远至RRU设备端进行供电，由于电源线较长，在房顶时，会暴露在室外天面；在有铁塔时，电源线沿塔身布设，雷电电磁场对电源线较大，交流供电一般不宜跨建筑物进行布防，在BBU与RRU相距较远时，一般采用直流电源线拉远方式，这时需要在直流馈电线两端加装防雷器，在配置直流串联防雷器时，要根据直流供电电压选择元器件，并且直流串联防雷的最大允许电流应根据为RRU提供的负荷来定。2.6不同品牌BBU、RRU设备防雷的差别由于设计理念不同，华为RRU接口重要采用了内部防雷保护的方式，而中兴采用的是外置串联防雷器的方式。阿尔卡特朗讯、摩托罗拉在技术说明书中有一些设备自身的防雷抗扰度指标，但没有外部的防雷设备。假如在RRU、BBU端没有完善的内部保护的方式，需要采用外置串联防雷器的方式。2.6分布式基站与原有基站防雷接地的差别2.6.1相同点分布式基站的地网、等电位连接、接地、线缆的接地及防雷器的设立原则与原有基站相同。2.6.2不同点1）室外一体化UPS供电与外一体化直流电源供电需要就近为RRU供电，接地系统在每一个地方或建筑物此外设立，接地系统增长了。2）基站与原有的基站防雷接地相比难度大了。3）基站与原有的基站防雷接地的差别在于各类线缆的拉远系统的防护，在射频拉远站采用了光揽，代替宏基站的27根馈线、根控制线以及54个射频接头，接地卡后，对于各类缆线的保护变得简朴，仅需要对BBU、RRU两端的直（交）流馈线进行保护。4）基站内部安装的防雷箱的位置非常重要，当防雷箱设在馈线窗口时，机房内部最佳采用环形接地的方式。3电调天线的防雷与接地3.1.电调天线的控制方式随着无线网络技术的迅猛发展，电调天线由过去的在基站机房内调控改变为由中心机房通过网络和BTS进行远程调控。在分布式基站中，从RRU的ASIG接口连接到天线处的AISG接口，从而实现天线的远方控制。三种电调天线的远程控制方式如图10所示。图中（a）为通过专门的控制电缆连接天线处的RCU和BTS处的CCU(CCU已置入BTS中),图中(b)和（c）则是通过在馈线上加装SBT来实现对天线的控制。 图10通过专门的控制电缆连接天线处的RCU和BTS处的CCU在（a）情况下，规定电调线一段接至天线处的AISG接口，另一段直接接至BTS的AISG接口。电调线中具有驱动电机的电源线和485控制线，容易将雷电流引进BTS，从而损坏BTS及机房内其他设备，增长了BTS在运营中的风险。这样就规定，有一套较为完善的防雷措施，以保证设备的正常稳定运营。3.2.电调防雷方案为了更好地防止雷电对设备的影响及破坏，应采用有效的防雷措施：控制电缆应采用屏蔽电缆，在天线处和进机房前电缆屏蔽层应做好接地解决。同时，控制电缆进入机房后应先接至室外汇流排附近的室内型电调防雷器，防雷器就近和室外汇流排连接，然后再由防雷器接至主设备的AISG接口；在天线处，控制电缆先接入室外型电调防雷器，然后接入天线的AISG接口。3.2.1安德鲁的防雷方案 图11安德鲁的防雷方案3.2.2改善后的防雷方案3.2.2.1对于各个扇区距离近的情况如当各个扇区的天线距离较近时（小于20m），图12所示，只需在机房内和天线处各安装一个电调天线防雷器，防雷器就近做好接地解决。同时，电调线的金属护层应做好接地解决（涉及天线之间的电调线），详见下述关于控制电缆的接地规定。图12各个扇区距离近的防雷规定3.2.2.2对于各个扇区距较远的情况当各个扇区的天线距离较远时（大于20m）如图13所示，需在机房内和各个天线处各安装一个电调天线防雷器，防雷器就近做好接地解决。同时，电调线的金属护层应做好接地解决（涉及天线之间的电调线），详见下述关于控制电缆的接地规定图13各个扇区距离远时的防雷规定3.2.3.控制电缆的接地规定3.2.3.1控制电缆的防雷与接地规定RCU的控制电缆直接连接至BTS中的CCU，则控制电缆需要单独进行防雷与接地：1）控制电缆所接入的移动通信基站天线应在接闪器的保护范围内。2）控制电缆的金属外护层，应在上部离开天线1m内，下部离开铁塔1m内和经走线架进入机房入口处1m内分3处就近接地，在机房入口处的接地应就近与地网引出的接地线妥善连通（参见图14）。但铁塔高度大于或等于60m时，控制电缆金属外护层还应在铁塔中部增长一处接地。图14控制线接地示意图3）控制电缆的金属外护层采用专用的防雷接地卡进行接地，如图15所示。图15控制电缆的金属外护层采用专用的防雷接地卡进行接地示意图2.2.3.2防雷接地卡的安装环节注意：安装接地卡时控制电缆应处在垂直状态。1)预装接地卡，如图16。2)清洁控制电缆的塑料护套，用合适的拨线工具切割塑料护套，使控制电缆裸露出金属编织网外护层，裸露长度约22mm，如图16（a）。3)撕去覆盖在接地卡密封胶上的保护纸，将接地卡围绕控制电缆，并对齐控制电缆上的拨口，如图16(b)。4)拧紧接地卡上的螺钉，如图16(c)（力距6Nm）。5)将接地线紧固在接地排上。 （a） （b） （c）图16预装接地卡3.3.相关设备就目前得到的资料,京信、安德鲁、kathrein、波尔威四个天线厂家中只有安德鲁提供了电调防雷器，且为选装件，为了解决这一防雷问题，深圳锦天乐防雷技术有限公司开发了专用的电调防雷器，电调防雷器性能指标如下：3.3.1国产电调防雷器3.3.1.1室外型防雷器UH-24B电调天线综合防雷器，如图17所示，防雷器使用AISG端子与被保护电路连接。防雷器使用AISG母座作为输入端，使用AISG公座作为输出端。图17室外型UH-24B电调天线综合防雷器3.3.1.2室内型防雷器UH-24电调天线综合防雷器，如图18所示，防雷器使用AISG端子与被保护电路连接。防雷器使用AISG母座作为输入端，使用AISG公座作为输出端。图,18室内型UH-24电调天线综合防雷器3.3.2国外的电调天线用防雷器 图19国外安德鲁电调天线用防雷器技术参数如下：1)电源线电路插入阻抗：最大0.5m。信号线电路插入阻抗：最大0.5m。2)最大通流容量：Imax:5kA，(8/20us)。3)协议：AISG1.1或AISG2.0。3.4.小结由于电调天线的信号线、电源线由天线处外引到基站发射机的AISG端口，因此其端口的雷电保护非常重要，为了保证设备的安全，其控制电缆护层的接地和室内天馈防雷保护是必须的。此外考虑雷电的分区规定，防雷器应当具有相应的通流容量及残压低等性能指标。4分布式基站馈线系统的防雷关于分布式基站馈线系统的防雷以及基站天馈线是否需要安装SPD问题，已在前面具体论述。这里仅讨论端口问题。4.1天馈线端口以往人们将来自天馈线的雷电流作为对基站雷电的重要引入渠道，而通过理论分析和计算表白，天馈线端口不是雷电的重要渠道，其重要理由有三个：1）天馈线在避雷针的保护之下，属于LPZ0B区，在这个区域仅有感应雷影响；2）由天线原理分析可知，由于天线的芯线与外皮在低频时是导通的，而在高频时才是开路的，而对雷电频段来讲其外护层和芯线均是相对接地的；3）基站天馈系统被雷击损坏的事例很少，计算结果和实际应用效果均表白：来自馈端口的雷电流及雷电压量级，一般不会超过RBS接口的保护水平。各类分布式基站与传统的基站不同的是RRU拉远系统：RRU拉远系统涉及直流、控制、信号、GPS、微波、光传输设备等方式，其采用的传输介质有射频电缆、控制线、直流馈电线、中频电缆、光缆等。这些拉远系统由于暴露在外部环境，其传输介质在LPZOB区（除光缆以外，这些传输介质均采用同轴电缆或综合电缆的形式，实际属于LPZOB与LPZ1的临界区），因此增长了雷电引入的也许性。1）假如RRU拉远系统采用光缆拉远时，RRU系统遭受雷击时也许损坏的设备涉及与RRU直接相连的直流拉远系统、GPS、微波设备；2）假如RRU拉远系统采用射频电缆拉远时，RRU系统遭受雷击时也许损坏的设备涉及与RRU直接相连的直流、控制系统、射频、中频电缆拉远系统、GPS设备及微波设备端口等。3）假如RRU拉远系统采用中频电缆拉远时，RRU系统遭受雷击时也许损坏的设备涉及与RRU直接相连的直流拉远系统、控制拉远系统、GPS设备及微波设备的端口。4.2分布式基站馈线上安装同轴防雷器也许出现的问题4.2.1BBU与RRU在同一个机柜时的问题许多场合下，BBU与RRU放在同一个机柜，置于机房中或者楼面上，这种情况与小型宏基站同样，天馈线一般不需要安装SPD进行保护。4.2.2BBU与RRU分别布放的问题BBU与RRU分别布放，由于RRU与天线之间的距离仅一米左右，因此天馈线一般也不需要安装SPD进行保护。4.2.33G分布式基站与2G宏站共站的问题3G分布式基站与2G宏站共站时，问题比较复杂，一般情况下，3G分布式基站国内华为、中兴等厂家的设备在基站发射接受机端口内部加装了馈线SPD，3G分布式基站与2G宏站各自的馈线通过合成器输出到同一根8/7馈线上，由于2G宏站还要保存馈线SPD时，纵使馈线SPD可以满足3G频段的指标规定，由于3G分布式基站发射接受机端口内部加装了馈线SPD，两级SPD必然会导致指标的劣化或者互调的问题，导致不能正常通信。5.结束语本研究报告分布式基站的防雷接地系统的研究涉及的三大技术问题：分布式基站直流拉远馈线的保护与接地；根据电调天线的远程控制方式的特点，对容易遭受雷电侵入出入基站的信号线的接地及对天线端及设备端的接口保护问题进行了研究；基站天馈线是否需要安装SPD问题。提出分布式基站防雷接地系统工程设计需要注意的问题，以指导此后工程的设计、选型及实行。