移动通信基站的防雷与接地.doc

技术交流 设为首页 加入收藏 联络我们 首 页 | 学会动态 | 原则规范 | 技术交流 | 文献出版 | 防雷检测 | 品牌推荐 您好！欢迎来到中国质量协会防雷电分会网！今天是：4月27日 星期五 学会简介 学会章程 组织机构 联络我们 中国移动 中国电信 中国铁通 中国人民银行 华为技术有限企业 艾默生网络能源有限企业 ABB（中国）有限企业 关键期刊 首页技术交流有关文章 移动通信基站防雷与接地 信息产业部邮电设计院 刘吉克 郑州互助路 1 号 邮编 450007 摘要 信息产业部邮电设计院对全国 10 几种省份移动通信基站遭雷击状况记录成果表明 , 基站收发信机几乎没有一起因遭受直击雷损坏事例，雷击导致通信设备损坏事故 95% 是雷电过电压引起，因此对移动通信基站雷电过电压保护就更为重要。本文从移动通信基站事故分析作引导，着重论述移动通信基站防雷问题。 关键词 移动通信基站 防雷 接地 雷击概率 雷电过电压保护 接地体 对于每一种通信局（站）采用统一防雷措施既不经济、又不合适，一般而言，建在山上及郊外孤立站与地处雷暴强度较强、雷暴日较多通信局（站）雷击事故概率较大，其应比那些雷击事故概率小采用更为有力防雷保护措施。此外移动通信基站雷电过电压保护，各级防护器件是相辅相成，互相影响，此时用以局部防护过电压器件不能有效发挥其防护性能，将影响移动通信基站整体防护。此外尚有一种重要原则，移动通信基站雷电过电压保护设计必须是建立在联合接地基础上。因此移动通信基站雷电保护并非是简朴接地或者单一雷电过电压保护器件应用，而是根据移动通信基站所处详细位置、环境原因、所在地区雷暴强度及雷暴日大小、来确定基站雷电保护措施和措施。 1 某些省市移动通信基站雷击记录分析 信息产业部邮电设计院对全国 10 几种省移动通信基站遭雷击状况记录，为了便于阐明移动通信基站雷害状况，本文仅对雷暴日较多福建、湖南、浙江省移动通信基站记录成果进行分析，选择这几种省移动通信基站为调查目，有一种很重要原因，这就是福建、湖南、浙江省都是雷暴日较多地区（年雷暴日为 70 以上）。且几乎都没有使用非常规避雷装置（如消雷器、优化避雷针）作为防直击雷方式，这样根据雷击通信设备事故分析，就可以阐明对于移动通信基站雷电防护究竟采用什么措施更为有效。 1.1 湖南省移动通信局雷击状况记录 根据所记录到湖南省移动通信局 281 个站，自 1992 年开通以来，共发生了 24 次雷击事故，其中： - 雷击使天线输出变化、参数变化，换天线一根（根据该局人员分析，雷击原因是：“移动通信天线与避雷针等高，天线不在避雷针保护范围内，雷击导致天线参数变化”，但从天线自身看，没有任何雷击迹象），尚若该事故是雷击导致，雷击是属于防雷设计问题。占雷击事故总数 4% ； - 电源系统、电源设备损坏 14 次，占雷击事故总数 56% ，雷击损坏设备有：稳压器、交流配电屏、空调等； - 由中继电路导致事故 10 次，占雷击总数 40% ，雷击损坏光端机接口； PCM 板；互换机顾客板； W2464Z 线路支架； MAX8099 板。 1.2 福建省移动通信基站雷击状况记录 根据所记录福建省移动通信局 19 个基站，在 92 年开通以来，共发生 11 次雷击（其中既击坏电源，又击坏 PCM 电路两次），其中： - 电源系统、电源设备损坏 3 次，占雷击事故总数 27.3% （占记录总数 15.8% ），雷击损坏设备有：电源模块、微波设备室外机电源； - 由中继电路导致事故 9 次，占雷击总数 81.8% （占记录总数 47.36% ），雷击损坏 2Mb 接口； PCM 板；话路盘。 1.3 浙江省移动通信基站雷击状况记录 根据所记录浙江省移动通信局 93 年开通以来遭受雷击 49 个基站，其中： - 电源系统、电源设备损坏 3 次，占雷击事故总数 28.8% ，雷击损坏设备有：电源模块、微波设备室外机电源； - 由中继电路导致事故 35 次，占雷击总数 67.2% ，雷击损坏 2Mb 接口； PCM 板；话路盘。 - 信道、功放电路雷击事故两次（事故原因待分析）。 1.4 湖南、福建、浙江移动通信基站雷击归一化记录成果分析 为了更清晰分析移动通信基站雷击概率，我们将湖南、江西、福建移动通信基站 1990 1997 年雷击事故概率进行归一化处理，归一化雷击概率由下式表达： 雷击次数 归一化雷击概率 =- 100% 总站数年 1.4.1 湖南省移动通信局： 雷击电源系统归一化概率 : 0.83% ; 雷击中继电路归一化概率： 0.59% 雷击其他电路归一化概率： 0.06% 。 1.4.2 福建省移动通信局： 雷击电源系统归一化概率 : 2.63% ; 雷击中继电路归一化概率： 7.9% 。 1.4.3 浙江省移动通信局： 雷击电源系统归一化概率 : 1.22% ; 雷击中继电路归一化概率： 14.3% ； 雷击其他电路归一化概率： 0.81% 。 雷击导致移动通信基站事故，被损坏设备基本上是感应雷引起电力线、电源设备、与外界有线缆联络信号电路及接口设备。按防雷接地原则施工移动通信基站，通过防雷接地、过电压保护综合治理，此时由直击雷导致通信设备损坏事故仅是一种小概率事件，此外从湖南、福建微波站 * 与湖南、福建移动通信局雷击记录成果可以看出一种问题：同一省份移动通信基站雷击概率远不不小于微波站雷击概率，这重要是由于；移动通信基站大都建在都市，微波站建在市郊及山上站为多缘故所致。由于雷击导致移动通信基站通信设备损坏事故 95% 是雷电过电压引起，因此对移动通信基站雷电过电压保护就更为重要。 * 2 移动通信基站雷击概率与接地电阻、年雷暴日等原因之间关系 由于移动通信基站蜂窝网覆盖区基站分布在都市密度远高于郊县，现阶段山区基站更在少数，因此导致雷击基站毕竟是小概率事件，虽然中国在世界上属于雷击日最多地区，不过不要忽视中国国土版图广阔，地区之间雷暴日不均匀性这一不争事实，中国既有雷暴日超过 100 天海南省，又有雷暴日不超过 30 天广大地区及雷暴日 10 天左右新疆和内蒙，对于每一种通信局（站）采用统一防雷模式措施，必然导致很大挥霍，有关规范编制并未考虑这一重要原因，工程技术人员对此应有一种清晰认识。 从通信局（站）接地电阻这一局（站）防雷重要参数讲，假如要在大地电阻率不小于 500 。 m 地区建站时，为了到达既有原则规定 5 ，局（站）接地地网面积，根据地网接地电阻计算公式： R 0.5 式中： R- 通信局（站）接地网接地电阻值（）； - 站址所在地区大地电阻率（。 M ）； S- 地网面积（ m 2 ）。 地网面积应不小于 2500 m 2 ，在都市一般专用局址移动通信基站地网做到这样面积在一般状况下是困难，在山区要做到这样面积和满足接地电阻值规定也许要花更大代价。从理论上讲 ：“一种接地地网面积不管有多大，在工频时，可将接地网表面近似当作等位面，故接地网所有面积都能得到运用。不过由许多根接地体在地中构成网状接地体，在冲击电流作用下，当土壤电阻率和大地介电系数一定期，接地网冲击等效半径就是一种常数，而冲击等效半径要比接地网面积和等效半径小多。即在冲击电流状况下，仅仅运用接地网很小一块面积”。因此在确定雷击概率与年雷暴日、地理环境以及接地电阻等原因时，应找出重要雷击原因 * 。 日本在 70 年代，花了三年时间对 419 个微波站雷击事故进行了调查研究，其成果表明雷电事故与年雷暴日、海拔高度成正比，而与微波站接地电阻几乎无关系，虽然日本人记录是 70 年代微波站雷击状况，但其成果可为移动通信基站防雷方案提供一种清晰思绪。 3 移动通信基站雷电过电压保护 3.1 配电系统对雷电过电压保护器件安装方式规定 通信局（站）对于不一样供电方式，雷电过电压保护器安装方式规定是不一样，在中国对于通信局（站）供电方式，原邮电部暂行规定 XT005-95 通信局（站）电源系统总技术规定规定“县以上都市多种通信局（站）宜采用 10kV 高压市电引入，并采用专用降压变压器供电”，这就规定了通信局（站）配电方式采用 TN 系统，但又规定了“当通信局（站）引入高压电有困难或投资较大时可采用 220/380V 低压市电引入”，即又规定了通信局（站）配电方式也可采用 TT 系统。 TN 、 TT 系统接地方式有什么区别呢？ 1 ） TN 系统和 TT 系统 TN 系统第一种字母 T 阐明系统中有一点（一般是电源中性点）直接接大地，它被称作系统接地（ System earthing ），其第二个字母 N 阐明用电设备外壳，经保护接地线即 PE 线（ Protective earthing cordutor ）与该点连接而接地，它被称作保护接地（ Protective earthing ）。 TN 系统又分为三类，图 1 为 TN S 系统，字母 S 含义是 PE 线和 N 线一般在中性点接地后，配电单独设置不再接触；图 2 为 TN C S 系统，字母 C 含义是电源至建筑物一段线路中 PE 线和 N 线（中性线）是合为一根 PEN 线。字母 S 含义是 PEN 线进入建筑物后即分为 PE 线和 N 线并不再接触；图 3 为 TN C 系统，字母 C 含义是电源中 PE 线和 N 线自始至终合用一根 PEN 线。通信局（站）最常用是 TN S 系统和 TN C S 系统。 图 1 TN S 系统 图 2 TN C S 系统 图 3 TN C 系统 图 4 TT 系统 图 4 所示为移动通信基站和县支局常用 TT 系统，是符合通信局（站）电源系统总技术规定中规定，作为基站和县支局其电力负荷规定非常小，一般基站电力负荷电流仅 30A 如下，这样小负荷量，不也许设置专用变压器，因此作为基站和县支局由于引入高压电有困难或投资较大时采用了 220/380V 低压市电引入选择， TT 系统第一种字母 T 也表明系统接地是直接接大地，其第二个字母 T 表明用电设备外壳保护接地是经 PE 线接单独接地板直接接大地，它与电源中 N 线线路和系统接地毫无关连。 因接地系统不一样，通信局（站）电源配电线路雷电过电压保护器件选用和安装措施规定也十分不一样。 2 ） TN 系统和 TT 系统对安装 SPD 规定 TN 系统内安装 SPD 规定 SPD 选用与安装和电源线路接地系统有很大关系，图 5 为 TN C S 接地系统中 SPD 安装方式。从图可知 TN 系统 PEN 线在进线处已接于建筑物内总等电位联结接地母排上， PEN 线已在此处接地而等电位，在此处 N 线对地不必装用 SPD ，这时 TN C S 系统需装设 3 个 SPD 。但进入通信局（站）后来 N 线对地还需装用 SPD ，这时 TN C S 系统需装设 4 个 SPD 。 TT 系统内安装 SPD 规定 图 6 为上述 IEC 60364 5 534 原则推荐 TT 系统中 SPD 安装方式示例之一。如前所述 TT 系统除电源中性点外， N 线自始至终都是与地绝缘，因此 N 线上也需装设 SPD ，即三相四线 TT 系统内需装设 4 个 SPD （单相两线 TT 系统内需装设 2 个 SPD ）。 图 5 TN C S 系统 SPD 安装示意图 图 6 TT 系统 SPD 安装示意图 3.2 基站配电系统雷电过电压保护规定 低压电力电缆引入机房入口处（在交流稳压器或交流配电屏前）， TT 系统相线对中性线、中性线对地（ TN 系统相线及中性线应分别对地）加装过压型 SPD ，并且在 SPD 回路中串接保险丝，其目重要是防止 SPD 因各类原因损坏或由于暂态过电压使 SPD 燃烧（国内外移动通信基站发生过多次此类事故，国外防雷企业 SPD 产品在工程上都规定采用串接保险丝， IEC60364-5-534 过电压保护装置对此有专门论述），影响移动通信基站供电线路正常工作（由于以往规范忽视了在 SPD 并联回路中串接保险丝，从而给移动通信基站正常供电带来了隐患）保险丝标称电流量级一般为上一级保险丝 1/1.6 倍。 并且根据雷电活动区划分、移动通信基站分类、移动通信基站所处地理环境、建筑物形式、供电方式状况，在设计中对电源 SPD 提出不一样规定。 （ 1 ） 建在高山，地处多雷区以上，与微波站合用机房移动通信基站，配电变压器低压侧各相对地应安装安装冲击通流容量不小于 100kA SPD ；在电力室入口处各相及中线对地应安装标称放电电流为 20kA 过压型 SPD ；其中过压型 SPD 必须考虑电力供电电压波动较大问题。 （ 2 ） 建在都市和郊区无专用配电变压器供电，配电采用 TT 系统移动通信基站低压电缆必须从共用配电变压器全程埋地引入机房，在机房入口处，相线应分别对 N 线加装过压型 SPD ， N 线对地间应采用由放电管构成 SPD ，地处都市基站应安装标冲击通流容量不小于 60kA 过压型 SPD ；地处郊区基站应安装冲击通流容量不小于 80kA 过压型 SPD 。 （ 3 ） 建在野外空旷场地、无机房建筑无线基站供电线路应采用冲击通流容量不小于 100kA 电源 SPD ， SPD 接地端子应就近与地网连接，避雷箱内元器件必须考虑电力供电电压波动较大问题，无线基站供电电力电缆必须全程埋地引入。 (4) 移动通信基站内直流电源线使用 SPD 应具有带保险丝功能、标称放电电流为 3kA SPD ， SPD 应就近接地。 (5) 两级 SPD 隔距 按照国内外有关文献及原则，根据两级 SPD 类型， SPD 对雷电反应时间快慢，连接线缆材料及粗细，当两级都为 MOV 时，连接线缆隔距一般规定为 3 5 米；当两级 SPD 为不一样器件时，连接线缆隔距一般规定为 10 米 或连接线缆电感量为 7 15 m H 。因此为了有可操作性，当上一级 SPD 为雷击电流型 SPD ，次级 SPD 采用过压型 SPD 时，两者之间配电缆线隔距应不小于 10 米 。当上一级 SPD 与次级 SPD 都采用过压型 SPD 时，两者之间配电缆线隔距应不小于 5 米 。 3.3 信号线雷电过电压保护 由于进入局（站） PCM 电缆芯线未加装保安单元，尤其是进入无线通信局（站）缆线未加装保安单元，致使 PCM 接口、 PCM 逻辑盘、话路板以及 2Mb 接口被雷击坏事故时有发生。而这些存在问题，正是 IEC1312 和 ITU-K 系列文献专门论述要点，为了减少雷害事故发生，这些问题更应引起我们注意。 1) 出入通信局（站）电缆，应在进线室将金属铠装外护层做接地处理。 2) 出入通信局（站）光缆，应将缆内金属构件，在终端处接地。 3) 进入通信局（站） PCM 电缆芯线应加装保安单元，空线对应就近接地。 4) 进入无线通信局（站）缆线应加装保安单元后，再与上下话路终端设备相连。 3.4 移动通信基站天馈线雷电过电压保护 根据对广东、福建、广西、湖南、浙江、辽宁等省移动通信基站雷击状况调研，由天馈线引入雷电浪涌损坏移动通信设备事故概率是小概率事件，国内引进基站设备，除了 MOTOROLA 企业产品馈线上加装了雷电过电压保护器，其他企业一般都不随机携带（同轴电缆在天线侧和发射机侧规定接地），鉴于上述记录成果从馈线上引入雷害事故在移动通信基站还鲜为人知，在 1998 年前国内运行大多数移动通信基站天馈线一般都未加同轴 SPD ，因此与否安装同轴 SPD 应从防雷必要性和经济性原则，并根据基站所处详细地理环境来确定，同轴 SPD 接地端子接地引线，根据电磁兼容原理，应在机房外接地。 建在都市内孤立高大建筑物或建在郊区及山区，地处中雷区以上移动通信基站，当馈线采用同轴电缆，同轴电缆长度超过 30 米 时，应在同轴电缆引进机房入口处安装标称放电电流不不不小于 5kA 同轴 SPD ，同轴 SPD 接地端子接地引线应从天馈线入口处外侧接地线、避雷带或地网引接。 4 移动通信基站接地 4.1 天馈线接地 （ 1 ）铁塔上安装移动通信天馈线防雷接地： 铁塔上架设移动通信系统馈线、同轴电缆金属外护层应在天线侧及进入机房入口处外侧就近接地，经走线架上塔馈线及同轴电缆，其屏蔽层应在其转弯处上方 0.5 1 米 范围内作良好接地，当馈线及同轴电缆长度不小于 60 米 时，其屏蔽层宜在塔中间部位增长一种与塔身接地连接点，室外走线架始末两端均应和接地线、避雷带或地网连接。 （ 2 ）在民用建筑上安装移动通信天馈线防雷接地 移动通信系统扩容，微蜂窝、小区化，都市中多数基站一般都运用民用建筑设置站址，在其建筑物房顶安装移动通信天线。国标 GB 50057-94 建筑物防雷设计规范，对于通信局（站）和民用建筑防雷设计，从建筑物分类来讲就不是一种类别，对于通信局（站）防雷设计规定，远高于民用建筑防雷设计，不一样类别建筑物使用目是不一样，明明是公共建筑物，基站却要设计在这里，这就为移动通信基站防雷接地带来不少难题。 许多工程技术人员来电讲，按照规范设计不好处理，也做不到条文所规定，当然由于建筑物类型诸多，不也许用一种模式去处理所有问题，对于运用办公大楼、大型宾馆、高层建筑作为基站机房天馈线系统接地，由于条件所限只能运用大楼顶避雷带上或者在大楼顶避雷网预留接地端（相对而言，此类建筑物内主钢筋作为防雷接地系统是安全）；而对于较低居民楼或公共建筑物，除了运用楼顶避雷带外，为了保险缘故，最佳在楼底下专设一组地，用 40X4 镀锌扁钢引至楼顶避雷带焊接为一体作为作为基站机房天馈线系统接地。 4.2 接地体选择 对于和其他通信局（站）同站址基站，基站接地系统仅需运用原有机房接地系统，对接地体没有什么特殊规定，但建在民用建筑基站，往往由于条件所限，或者业主和环境规定，基站接地是非常困难事情，这也是各地移动通信局常常问询笔者问题。 首先通信局（站）地网概念在民用建筑中是不也许存在，民用建筑自身防雷接地仅是运用建筑物内金属构件和基础内钢筋作为防雷接地系统，由于作为雷电流引下线柱内主钢筋并非是焊接，此时若将建筑物自身金属构件作为唯一接地系统是不可靠，为此一般应在此基础上此外设一种辅助接地系统，两个系统焊接为一体，这样才能保证基站设备安全运行。 上面讲到，往往由于条件所限，或者业主和环境规定，接地体选择就很重要，从实际出发，在楼房机房一侧地下，根据环境条件，可设一组接地体，接地体可有 35 根 2.5 米 长镀锌垂直接地极棒构成，在电阻率较高地区，通信局（站）要到达规范规定接地电阻值，可在垂直接地极棒周围加液状长期有效降阻剂。 结论 （ 1 ） 从移动通信基站雷击概率而言，雷击事故 95% 以上都是由电源线、信号线引入，因此在通信局（站）联合接地基础上，移动通信基站雷电过电压保护就更为重要。 （ 2 ）同一省份移动通信基站雷击概率远不不小于微波站雷击概率，这重要是由于；移动通信基站大都建在都市，微波站建在市郊及山上站为多缘故所致，由此看地理环境原因是雷击一种重要原因之一。 （ 3 ） 从日本对 419 个微波站雷击事故记录成果表明：雷电事故与年雷暴日、海拔高度成正比，而与微波站接地电阻几乎无关系，这个记录成果可为移动通信基站防雷方案提供一种清晰思绪。 （ 4 ）一般而言，年平均雷暴日数无法体现雷电强度大小，在衡量一种通信局（站）遭雷击次数概率分布时，还必须将通信局（站）所处地理环境、通信局（站）建筑物形式、当地区雷电活动状况等原因进行统筹考虑。 （ 5 ）通信局（站）电源系统总技术规定规定其配电方式采用一般 TN 系统，但又规定了通信局（站）配电方式也可采用 TT 系统，移动通信基站基本上采用都是 TT 系统。鉴于 TN 、 TT 系统接地方式不一样，因此 SPD 安装方式和作用也是不一样，错误安装方式轻者将导致 SPD 损坏，重者将致使通信设备烧毁。 （ 6 ）移动通信基站天馈线系统与否安装同轴 SPD 应从防雷必要性和经济性原则，并根据基站所处详细地理环境来确定。 （ 7 ）建在电阻率较高地区基站，若要减少接地电阻值，垂直接地极棒周围加液状长期有效降阻剂可以说是最经济而降阻效果又较佳选择。 （ 8 ）通信局（站）机房防雷设计规定，远高于民用建筑防雷设计，不一样类别建筑物使用目是不一样，明明是公共建筑物，基站却要设计在这里，这就为移动通信基站防雷接地带来不少难题。由于建筑物类型诸多，不也许用一种防雷模式去处理所有问题，因此应因地制宜搞好基站防雷接地工作。 参照文献： 刘吉克有关通信局站雷电保护区划分等问题研究 1999.11 刘吉克有关微波站地网优化设计邮电设计技术 .(10) 刘吉克联合接地接地装置及防腐邮电建设 . （ 3 ） 刘吉克通信大楼接地与其防腐建筑电气 . （ 4 ） 友谊链接 版权所有 中国质量协会防雷电分会中国防雷编辑部 协办