浅谈移动通信的防雷措施机房.doc

浅谈移动通信防雷方法
四川攀枝花移动通信分企业 施兴林

内容提要: 怎样利用等电位体系统改善移动基站机房防雷效果。

移动通信基站是全球分布最广, 数量最多无线基站, 同时移动通信设备又是集成化最高通信设备之一。在基站选址方面, 尽可能选在与周围环境相比较为突出地理位置上, 这么移动通信基站遭雷击事故便在所难免了。
谈到雷击, 很多人认为塔上有避雷针, 机房有保护地, 室外有地线与地相连便能够了, 正是因为这种传统观念影响, 才造成了多年来很多移动通信基站屡遭雷击事故发生。
现在我们来看一组相关雷击带来损失数据:
在中国, 据相关部门对广东、 福建、 浙江、 江苏、 四川、 北京、 吉林等省市抽样统计, 仅1997年在上述省市移动通信系统中因雷击造成直接经济损失就多达1000万元。
在国外, 1994年德国法兰克福ELELTRA.WVBA保险企业理赔金额统计中因为过压、 间接雷击损害为全部赔偿金额33.8%, 德国幕尼黑TELA保险企业对1978年-1994年之间对过电压及雷击造成损失进行统计, 发觉已由1978年不足4%上升到1994年16%, 增加了3倍多!
所以我们应对移动通信基站雷害加以高度重视, 对雷害防护也势在比行。为了实现对雷击防护, 那么必需对雷有一个简单认识, 概括说关键有以下几点:
（一） 雷电是因为大气层中云层里程累了大量电荷所引发放电现象, 而且能够在两块带有异性电荷云层之间产生, 也能够在云层与地面之间产生。
（二） 关键特点
1 放电时间极短, 曲型盾为几十微妙。
2 电流量非常大, 常以安培计, 又称浪涌电流。
3 因为浪涌电流连续时间短, 致使占有很宽频谱, 但其关键集中在上频周围。
（三） 雷种类, 关键有四种:
1直击雷: 是雷电与地面, 树林, 建筑等直接放电而形成。
2雷点侵入波: 雷电发生时, 雷电经架空线路或者金属管道等金属体产生冲击电压, 这些冲击电压有伴随这些金属走向而快速扩散, 以致形成危害。
3 球雷: 是一个紫色或灰色在不停滚动雷, 它能沿地面滚动或在空中漂动, 能从烟囱, 门窗等缝隙, 孔洞窜入室内, 碰到人体或物体就会爆炸。
4感应雷: 是一个感应过电压。
（四） 因为地理, 气象条件不一样, 各地雷击情形, 雷击发生频度, 危害程度因地而异。所以我们应时刻警惕, 既全方面性地, 又有针对性采取防雷方法, 防范于万一, 确保设备正常运行和人身安全。
基站不仅是一个独立设备, 而是与之相关很多设备如: 空调、 电源线、 天馈线、 地线、 信号线……一起形成了一个较为复杂系统。基站装在机房内, 内外有联络, 肯定存在门窗, 进线孔……所以含有一个较为复杂内外部环境, 对无孔不入雷害提供了一个宽广空间和路径, 总来说关键为以下路径:
〈一〉 传统避雷针副作用产生三次雷击效应。
传统避雷针是美国人富兰克林在1749年发明（又称富兰克林针）, 在避免高大建筑遭受雷击方面发挥了巨大作用。避雷针作用众所周知—引雷入地, 在引雷入地过程中, 因为引入地电流过于强大（可达几百KA）, 放电时间短（为几十微秒）, 所以将在引下线周围产生瞬时强磁场, 在强磁场作用下, 处于磁场之中导体将产生可达几千甚至几十KV感应电压, 如此之高电压势必造成通信设备损坏, 这一现象就是我们通常所说二次雷击效应。
几十年来通信设备从电子管, 晶体管向集成电途经渡, 因为电子管, 晶体管耐冲击能力较强, 所以二次雷击对电子管, 晶体管通信设备未能造成太大损害, 移动通信设备是集成化较高微电子设备, 其耐冲击能力是造成雷害损失过大关键原因。
1996年8月29日四川某站遭雷击, 造成VCC、 BSC板、 PCM板多部位接口被损坏。事故发生后, 检验发觉避雷针完好, 接地电阻1欧, 经分析为显著二次雷击事故。
〈二〉 天馈线引入感应雷击
为了扩大信号覆盖范围, 就要尽可能增加天线架设高度（65M以上占50%）。这么在覆盖范围提升同时, 也增加了铁塔引雷概率, 当塔上避雷针引雷入地, 产生二次雷击效应时顺塔而下天馈线首当其冲, 尽管按现有技术规范在天馈线安装时已将馈线上中下三点屏蔽接地, 可一旦二次雷击效应以下信号方法引入馈线时, 收发信设备端口损坏也在所难免了。
福建省某基站1997年6月因雷击造成收发信设备损坏, 经分析为从馈线引入雷击。（事故发生后检验馈线上中下层接地良好）
〈三〉 供电线路引入雷击
市区以外移动通信基站使用供电线路大多使用架空明线。试验表明, 雷电频谱在几十MHZ以下频域关键能量集中在直频周围, 所以雷电与市电藕荷概率很高。尽管YD-93规范中, 市电引入机房采取部分处理。水中矿物质种类与含量、 当地雷暴情况等, 它们均影响到接地系统确定。
现在常见接地方案关键有以下多个:
（1） 单个接地体埋设形式
A 沟电极
沟电极是一个水平电极, 埋设在靠近土壤表面位置, 因为它使一个大客积大地起作用, 所以通常含有较低电阻, 不过够电极要受地形限制, 其电阻易受季节影响, 另外, 因为其埋设在土壤表面, 受机械损坏可能性也较大。
当土壤电阻率一定时, 能够采取长导线来降低沟电极接地电阻, 但采取几条较短辐射状导线更为有利, 因为一条很长导线, 它本身电阻可能变成很关键参数, 再者在施工时埋设几条短导线也比较方便, 而且两条或者更多条辐射状导线冲击电阻比一条单一长线要低。
B 垂直棒电极
垂直棒电极打入土壤, 施工简单, 使用灵活, 经济节省, 是一个常见接地电阻, 在土壤表面为沙质或水位相当低地方, 接地棒能够打入到使地电阻大大降低深度, 对因为温度和温度季节改变而引发接地电阻改变可能性, 打得足够深接地棒比埋设在地面电极要小得多。
C 极电极
极电极是最初接地方法, 与棒电极相比效果差不多, 但较浪费, 同前少用。
（2） 多极接地体
通常单个接地体极难达成要求, 所以需将多个单独接地体相并联起来, 以得到足够低电阻。
A 在低电阻率优质土壤率地域, 可采取将多根垂直电极并联接地方案。
B 在对高山高土壤地域而言, 行行有效方法是采取浑浅相连基地极网加降阻剂接地方法, 即在表上较厚, 土壤电阻率较低地带采取浅界地极, 然后将接地电极并联起来组成接地网并在接地外包上降阻剂。
在以上接地方法中接地体选择及安装关键有以下要求:
（1） 接地体宜采取热镀锌刚材, 其规格要求以下
钢管: 直径50mm,壁厚大于305mm.
角钢: 尺寸不应小于50mm.50mm.5mm.
扁钢: 尺寸不应小于40mm.4mm.
(2) 垂直接体长度宜为1.5-2.5m,垂直接地体间距为其本身长度1.5-2.7米,若碰到土壤电阻率不均匀地方,下层土壤电阻率低可合适加长,当垂直埋设有困难时,设多根环形水平接地,相互之间隔为1-1.5米,每隔3-5米相互焊接连通一次。
(3) 在沿海盐域腐蚀性较大地域或大地电阻难以达成地域, 接地体常采取耐腐保湿性很好非金属接地体。
(4) 接地体之间全部焊接点, 除浇在混泥土之中均进行防腐处理, 接地装置焊接长度, 对扁钢为其宽度2倍, 圆钢为直径10倍。
针对以上方案及接地体选择,其接地电阻计算以下:
(1) 常见管形垂直棒电极电阻值为:
R=(0.366P/L)lg{4l(l+2h)/[d(l+4h)]}
式中, R为单个接地电阻（欧）, P为土壤电阻率尺寸不应小于50mm.50mm.5mm.（欧米）,
L为接地电极长度（米）, H为接电极埋深（米）, D为管形接地电极截面直径（米）。L>>D
(2) 多极接地体接地电阻
当多个接地电阻相同单个接地电极用对地不绝缘带行导体（通常见扁钢, 组成接地网时, 其总接地电阻为: R=R1R2/(R2η1+NR1η2)
Rz为总电阻; R1为带形导体利用系数;
R2为单个括地电极接地电阻;
η1为带形导体利用系数;
η2为单个接地电极利用系数;
(3) 不一样季节土壤电阻率计算
接地电阻伴随土壤温度和湿度改变而变动, 季节不一样, 温度和湿度也有所不一样, 接地电阻也对应变动, 不一样季节土壤电阻率为: P=Pok
P为土壤电阻率计算值, Po为不一样季节时实测值;
K为季节修正系数
表2: 由土壤性质选定季节系数
土壤性质
深度（M）
Ψ1
Ψ2
Ψ3
粘土
0.5－0.8
3
2
1.5
粘土
0.8－3
2
1.5
1.4
陶土
0－2
2.4
1.36
1.2
沙砾盖于陶土
0－2
1.8
1.2
1.1
园地
0－2
－
1.32
1.2
黄沙
0－2
2.4
1.56
1.2
杂以黄沙砂砾
0－2
1.5
1.3
1.2
泥炭
0－2
1.4
1.1
1.0
石灰石
0－2
2.5
1.15
1.2
注: Ψ1: 测量前几天下过较长时间雨时用
Ψ2: 测量时土壤中含有中等质量水量时用
Ψ3: 测量时土壤干燥或测量前降雨不大时用
然而在实践中证实, 并非含有良好防雷接地系统, 就可确保基站机房平安无事。在很多情况下, 二者完好却仍然避免不了被雷击事实。其中一个非常关键原因便是没有一个完好等电位体系统在雷击发生时在防雷区域内不一样地方形成较大电位差。
等电位体是用连接导线或过电压（电涌）保护将处于需要防雷空间内防雷装置, 建筑物金属构架, 金属装置,外来导线, 电气装置, 电信装置等连接起来, 形成一个等电位体连接网络以实现均压等电位, 预防防雷空间内火灾, 爆炸, 生命危险和设备损坏, 现从以下几方面讨论:
1、 机房内等电压体系统设计
（1） 当地板下埋设均压网, 室内地板下均压网可用度锌扁钢或圆钢埋入地下0.4-0.6M即可, D为1－2M.这适合机房在底楼情况。如在楼层上, 则在机房内防静电地板下支撑金属条之间应用钢导线相互连通组成一个网状等电体。
（2） 机房地板四面需铺设均压带, 均压带同其它防雷设施相连。
（3） 室内高1.7M处四面也需敷设闭合均压带, 尤其在多雷压。
（4） 沿机房内壁柜高0.5M处还需敷设环形接地母线, 机房内全部外壳, 电缆金属外皮, 不带电金属体（如金属门, 窗, 管道）均应以最短距离与之相近, 此时接地电阻越小越好, 相连处以焊接为好, 接地母线以足够宽铜带为好。
（5） 通常采取多点对称连接, 以焊接为宜。
2、 联合接地系统
联合接地实质也是一个等电位接地一个方法, 在移动通信均压等电压原理, 将工作地保护地和防雷地以及不一样地网联合接地。这么便可预防由前文所述地电压反击造成设备损坏事故发生, 同时美国家标准准IEEESTD1100－1992更尖锐指出: 不提议采取任何一个所谓分开独立, 绝缘, 专用, 洁净, 静止, 信号, 计算机, 电子或其它此不正确大地接地体作为设备接地导体一个连接点。基站联合接地系统关键内容以下:
i. 移动通信基站地网由机房地网,铁塔地网和变压器地网组成。
ii. 基站地网应充足利用机房建筑物基础（含地桩）铁塔基础内钢筋和地下其它金属设施作为接地体地一部分, 当铁塔在机房顶部时, 电力变压器设在机房楼内时, 其地网可适用机房地网。
iii. 机房地网应沿机房建筑物散水点外设环形装置, 同时还应利用机房建筑物基础横梁内两根以上主钢筋共同组成机房地网, 当机房建筑物有地桩时, 应将地桩内两根以上主钢筋与机房地网焊接连通。
iv. 对于利用告品房移动通信基站, 应尽可能找尘建筑防雷接地网或其它专用网, 并就再设一组地网, 三者相互在地下焊接连通, 有困难时也可在地面上将可见部分焊接成一体作为机房地网, 找不到原有地网时, 应因地制宜就近设一组地网作为机房工作地, 保护地和铁塔防雷地。工作地及防雷地网上引接点相互距离不应小于5M, 铁塔尚应与建筑物避雷带就近两处以上连通。
v. 当通信铁塔位于机房旁边时, 铁塔地网应延升到塔基四脚处1.5M远范围内, 网格尺寸不应大于3M×3M, 其周围为封闭式, 同时还应利用塔基地桩内两根以上主钢筋作铁塔地网垂直接地体, 铁塔地网与机房地网之间应每隔3－5M相互焊接连通一次, 连接点不应少于两点。
当通信铁塔位于机房屋顶时, 塔四脚应与楼顶避雷带就近不少于两处焊接连通, 同时宜在机房地网四角设置辐射式接地体, 以利电流散流。
vi. 变压器地网地组成, 当电力变压器设置在机房内时, 其地网可利用机房及铁塔地网组成联合地网, 当电力室在机房外时, 且距机房地网边缘30M以内, 变压器地网与机房地网或铁塔之间, 应每隔3.5M相互焊接连通一次, 以相互组成一个周围封闭地地网。
vii. 当地网接地电阻值达不到要求时, 能够扩大地网面积, 即在地网外围增设1圈或2圈环形接地装置, 环形接地装置由水平接地体组成, 水平接地与地网宜在同一水平面上, 环形接地装置与地网之间以及环形接地装置之间应每隔3－5M相互焊接一次, 也可在铁塔四角设置辐射式延伸接地体, 延伸接地体长度宜限制在10－30M以内。
viii. 假如基站所在地, 楼除组成基站地网三个地网之外还有其它地网时, 应把YD-93规范将其相连（最少得两点以上焊接）, 以保护自己同时避免央及她人, 即消除可能发生地电位反击。

因为时间仓促, 且本人知识有限, 难免出现漏点, 缺点甚至错误, 望广大读者、 教授批评指正!

参改文件: 《移动通信原理》
《四川移动通信》