移动通信基站防雷概述.docx

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移动通信基站防雷概述

移动通信基站防雷概述

摘要归纳了移动通信基站综合防雷方法，从基站雷电引入的物理途径（或媒介），介绍了雷电防御的方式，并简述基站的接地电阻要求与浪涌爱惜器的利用。

关键词基站防雷方法接地电阻浪涌爱惜器

0前言

移动通信基站大量散布在郊外、山区和高楼的顶部，常利用铁塔等天线支撑体，而且与外部连接线路较多，给基站的防雷带来许多不利因素，一直是通信设施中防雷的难点和重点。

本文从系统的综合防雷方法与雷害引入物理途径（或媒介）的防御两条主线加以表达，并简述对基站的接地电阻的要求与浪涌爱惜器的利用。

1基站的综合防雷方法

2006年10月1日实施的信息产业部标准YD5098－2005《通信局（站）防雷与接地工程设计标准》规定：

通信局（站）应采纳系统的综合防雷方法，直接雷防护、联合接地、等电位连接、电磁屏蔽、雷电分流和雷电过电压爱惜等。

[1]

直击雷防护

因移动通信无线信号覆盖的需要，大部份天线，尤其是山区、郊外的基站往往利用铁塔作为天线的支撑体，铁塔在支撑天线的同时，也成了雷电几回落地通道。

为确保基站通信设施与人员的平安，应设置完善的接闪系统。

接闪系统由接闪器（包括避雷针、避雷线、避雷网和用作接闪的金属屋面和金属构件）、雷电引下线与接地装置组成。

对有铁塔的基站可充分利用塔基中的钢筋互连并向周围扩散增设接地体，作为接闪系统中的接地装置。

对安装在其他建筑物顶部的基站天线，如天线不在建筑物接闪器爱惜范围内，应另设避雷针，使天线在避雷针的爱惜范围内。

避雷针应通过原建筑物的防雷设施或另设雷电流引下线入地。

联合接地

联合接地是基于均压理论。

当直接雷的雷电流通过基站的铁塔入地时，为了减小承载在基站地网上的所有通信设备、设施之间的电位差，将基站范围内的机房地网、铁塔地网地网和变压器地网彼此连通形成一个共用地网，并将机房的工作接地、爱惜接地、机房外部的防雷接地别离接至地网，机房的工作接地与爱惜接地也可通过接地聚集线接至地网。

等电位连接

等电位连接是指同一防雷区内不带电的金属体普遍互连并接地。

机房内等电位连接的防雷作用可从二方面明白得：

一是减小由外部线缆引入的雷电过电压和地电位还击在机房内所有外露金属体上（爱惜接地系统）的电位差。

二是等电位连接后形成的“金属网”对雷电电磁波的屏蔽作用，有利于对设备的电磁防护。

电磁屏蔽

雷电是一种大自然的气候现象，是带电云块间或带电云块对地的放电现象，前者叫云闪，后者叫地闪。

不管是云闪仍是地闪均产生很强电磁场。

当基站接闪系统接闪（蒙受直接雷）时，除接闪系统经受壮大的雷电流外，在站区产生超级强的电磁场（感应雷）。

感应雷引发的电磁场进入机房要紧有二个途径，一是电磁波穿透机房的墙体进入机房，二是通过线缆（如馈线、电力线、光缆等）引入机房。

增强电磁屏蔽是防雷中不可轻忽的一个环节。

雷电分流

雷电分流从广义上讲，发明避雷针的目的，确实是让雷电流按人们预设的途径入地，尽可能减少雷电流对人和建筑物的危害。

在基站雷电分流要紧指雷电经铁塔（包括避雷针）接闪入地后，让尽可能多的电流流向远离机房一侧，以减小地电位还击。

又如馈线外导体在室外多处接地，也是为了减少雷电流流入机房。

雷电过电压爱惜

雷电过电压是指雷电通过与机房关联的线缆进入机房可能危害人和设备平安的雷电脉冲电压。

除直接雷落在铁塔、电力线路上通过馈线和电力线引入机房外，更多的是感应雷的阻碍。

对雷电过电压的防护要紧采纳三种方法，一是将进入机房的线缆埋地，使雷电高频脉冲过电压得以衰减。

二是对可接地的线缆金属体（如馈线）多处接地。

三是利用浪涌爱惜器。

2基站雷害引入途径的防御

为形象起见，可将基站雷害引入的物理途径（或媒介）可归纳为“四线”、“一场”。

“四线”由可分为“三明”（地面）“一暗”（地下），“三明”为馈线、市电引入线（简称电力线）、光缆，“一暗”为机房的接地引入线。

“一场”为以大气为媒介的雷电电磁场。

下面介绍各类雷害途径的防雷方法：

馈线的雷电防护

馈线是移动通信基站的信息通道，馈线的顶端是天线，天线在避雷针爱惜下，馈线本身可不能蒙受直击雷。

但雷电发生时，馈线上有很强的感应电压。

因此，馈线外导体自上而下多处与塔身相连，并在机房馈线入口处专设馈线接地排，使馈线上的感应电压入地，以减少对机房的危害。

对室外馈线的多点接地中，需要注意的是馈线接地排应就近接至机房地网，不可将馈线接地排与室外馈线走线架相连，以避免塔身上的雷电高电压通过走线架引入机房。

电力线的雷电防护

在移动通信基站雷害中，由电力线引入的雷电过电压所占的比例是最大的。

从雷害的缘故分，有直击雷和感应雷两种。

从蒙受雷害的部位分有室外的变压器和室内的配电系统两类。

变压器的雷电防护

变压器蒙受雷害要紧发生在强雷暴的山区，通常是由变压器一侧或二侧架空线路上蒙受直击雷或感应雷引发的。

对变压器的防护可采取以下方法：

a）关注变压器地网

变压器地网是强雷电流入地的要紧途径。

对变压器地网的要求相关电力行业标准规定：

当配电变压器容量不大于100kVA时，接地电阻可不大于10Ω。

[2]对土壤条件困难达不到接地电阻值要求时，可放宽对接地电阻值的要求，但须增设水平接地体数量和范围，以扩大散流面积。

b）增强对架空线路直接雷的防护

关于易遭雷击的架空高压线路，宜在其上方架设避雷线，其长度不宜小于500m。

电力线应在避雷线的25°角爱惜范围内。

避雷线（除终端杆外）应每杆作一次接地。

为确保平安，宜在避雷线终端杆的前一杆上，增装一组氧化锌避雷器。

假设已建的架空高压电力线路防雷改造采纳避雷线有困难时，可在架空高压电力线路终端杆、终端杆前第一、第三或第二、第四杆上各设一组氧化锌避雷器，同时在第三或第四杆增设一组高压保险丝。

在山区，常常蒙受直击雷侵入的低压架空电源线，可在架空电源线上方1m处同杆架设避雷线，避雷线能够利用φ8mm以上的钢绞线，其垂度应与电源线一致。

避雷线（除终端杆处）应每杆做一次接地，原电杆的绝缘子铁脚等金属再也不做接地处置。

避雷线与避雷器的接地体宜设计成辐射形或环形。

c）对感应雷的防护

在架空线路上架设避雷线能避免电力线免遭直击雷攻击，但不能防御感应雷。

感应雷对架空线路的阻碍程度可见下面那个例子：

假设在1km远处发生闪电，50kA的闪电电流就能够够在8m高的架空导体上产生10kV的感应过电压。

[3]

对架空线路感应雷的防护（也包括对直接雷的防护）采取将变压器高压側的三根相线别离就近对地加装氧化锌避雷器，电力变压器的低压側三根相线别离对地加装无间隙氧化锌避雷器，变压器的机壳、低压侧的交流零线，和与变压器相连的电力电缆的金属外护层，应就近接地。

对高压避雷器及变压器频繁受到雷击损坏的基站，可要求电力部门将高压侧的5kA配电避雷器改换为强雷电负载避雷器。

[1]

室内的配电系统的雷电防护

当架空电力线路蒙受直击雷或感应雷后，产生的雷电过电压将沿着线路进入机房，对机房内交直流配电系统组成严峻要挟。

必需有效地降低雷电过电压的幅度，使过电压幅值达到设备能够经受的程度。

在前面变压器的雷电防护中提到的方法，既爱惜变压器自身，也降低了雷电过电压的幅值。

可是离确保机房内配电系统平安的要求，仍是远远不够的。

为此可采纳电力线地埋方式和配置浪涌爱惜器。

a）采纳电力线地埋方式

不管的云闪仍是地闪，都是以高频电磁场的形式显现的，将电力线采纳地埋的方式进入机房是降低雷电过电压的有效方法。

YD5098－2005规定：

移动基站的电力电缆应埋地敷设，利用专用变压器时高压电力电缆的埋地长度不宜小于200m。

低压电缆进入机房时，其埋地长度不宜小于15m（当高压电力电缆已采纳埋地敷设时，低压侧电缆一样不作要求）。

低压埋地电缆应选用具有金属铠装层的电力电缆或穿钢管埋地进入机房，电缆金属铠装层和钢管应在两头就近与变压器地网和机房地网连通。

[1]

在不利用SPD时，低压电缆的埋地长度宜延长至50m为宜。

对电力电缆地埋方式的防护原理可作如下说明：

当电力线路进入机房前有一段埋地途径，那么，由于电缆金属铠装层和钢管的屏蔽作用，埋入地下那一段电力电缆上再也可不能产生新的雷电感应过电压；同时，由于电缆金属铠装层和钢管两头就近接地后的隔离作用，入地的雷电流在土壤中的传播可不能对电缆产生阻碍。

又由于埋入地下那一段电缆上的电感对雷电高频脉冲电流呈现较大的感抗，使经埋地电缆进入机房的雷电感应电流减小，从而减轻了机房内交直流配电系统的危害。

从上分析可知，电力电缆埋地的长度越长，对雷电感应过电压防御能力越强。

b）配置浪涌爱惜器

浪涌爱惜器（SPD）在正常情形下呈高阻状态，当电路遭遇雷击或显现过电压时SPD转为低阻状态，在纳秒级时刻内实现低阻导通，刹时将能量泄放入大地，同时将过电压操纵到必然水平。

当瞬态过电压消失后，SPD会当即恢复到高阻状态，熄灭在过电压通事后产生的工频续流。

[4]浪涌爱惜器是通过抑制瞬态过电压和旁路浪涌电流来爱惜设备的装置。

它至少含有一个非线性元件。

[1]

在低压电源系统合理利用SPD，能提高基站对雷电和电网本身过电压的防御能力。

光缆的雷电防护

目前移动通信基站传输要紧方式是光纤通信，光缆引入机房若是处置不妥也会阻碍基站设备的平安。

光缆引发基站雷害的要紧缘故是光缆上的金属体造成的，雷击发生时它们成了雷电引入机房的载体。

光缆上的金属体要紧包括金属增强芯（包括金属中心增强件、增强钢丝等）、金属护层（包括双面涂塑轧纹钢带、双面涂塑铝带等），但不同厂商、不同型号光缆金属体的情形是有不同的。

对有金属护层的光缆，雷电流要紧通过金属护层引入。

由光缆金属体引入的雷电过电压进入到机房内的光数综合架后，通常会引发两种不良后果：

一是损环光纤。

光缆进入光数综合架后，光缆增强芯或金属护层用压接的方式固定在专用接地排上，存在必然的接触电阻。

当通过光缆金属体的电流超过必然值时，光缆金属体与专用接地排接触处产生热量，热量促使接触处金属表面氧化，氧化后的金属表面又造成接触电阻增大，再次蒙受雷击又在光缆金属体与专用接地排接触处产生更多的热量，如此反复循环可能熔化近处的光纤，现在该处往往呈现烧黑痕迹。

二是损坏设备。

雷击发生时，感应雷在光缆金属体上产生的过电压通过金属体的接地装置使光数综合架的爱惜地电位骤然升高。

从光数综合架接地系统结构看，光缆专用接地排的接地回路从头至尾要通过光缆接头盒（支框）、接地线、综合架内垂直接地排、接地线、综合架接地排、接地线、机房接地母排，最后入地。

光缆专用接地排与地网间曲折而冗长接地回路对雷电高频感应过电压呈现较大的感抗，使得雷电过电压在机房接地系统窜扰，不仅对光数综合架组成要挟，也可能损坏其他设备。

基于上面的分析，对光缆的防雷可采取以下方法：

1）利用无金属光缆（即全介质自承式架空光缆）

对架空进入基站的光缆，从结尾接头盒至机房的一段光缆改用无金属光缆，切断雷电感应过电压进入机房的途径，但对鼠害严峻的地域慎用。

2）光缆埋地进入机房

在继续利用一般光缆的情形下，可类似电力线进入机房的处置方式，利用直埋光缆或一般光缆套钢管埋地方式进入机房。

以上两种防雷方法的防雷成效十分理想。

3）一般光缆架空进入机房

对仍采纳一般光缆架空方式进入机房时，可采取以下方法：

a）将光数综合架或光纤终端盒尽可能设置在光缆入口处。

b）将光缆金属体专用接地排直接与室外馈线接地排相连。

若专用接地排与馈线接地排距离较长，也可与室内接地聚集线就近连接。

另外，光缆金属体专用接地排应与光缆终端盒体和机架内金属框架体进行电气隔离。

关于新建基站，宜在光数综合架下方专设接地母排，用于光缆金属体的接地，该接地母排应就近与地网相连。

机房接地引入线的雷电防护

机房接地引入线引发基站雷害其实质是地电位还击。

只是为了形象起见把机房接地引入线视作引入雷害的一个途径。

接地引入线是接地聚集线与接地体之间的连接线。

要说明接地引入线会造成雷电危害要从地电位还击提及。

基站的塔体和与塔体相连的接地体可视为“树”状金属体，塔身为“树干”，接地体为“树根”。

带电云块（以常见的负极性为例）慢慢接近避雷针（铁塔）时，塔上部慢慢显现大量的正电荷。

当雷云与塔体间的电场将介质（大气）击穿（接闪）时，刹时产生大量的正负电荷中和，现在塔上部大量的正电荷迅速消失，依照静电学的原理，在导体内电场力的作用下，与塔体（“树干”）相连的接地体（“树根”）处的大量正电荷流向塔的顶部而形成电流（称电容电流）。

机房内的接地聚集线与地网中众多接地体中的某一根相连，该接地体上的电容电流最终流向设备，当该电流超过设备中元件能够经受能力时，造成设备损坏。

若是设备有软件运行时，也会阻碍程序的正常工作，即所谓软故障。

由于接闪时造成地电位的转变，因此这种现象常称地电位还击。

对地电位还击的雷电防护可采取以下方法：

增设接地体

为减轻地电位还击对机房内设备的阻碍，宜以雷电流引下处为中心适当增加接地体的数量，减小电容电流对设备的阻碍。

操纵机房接地引入线与雷电流引下线在地网上引接点的距离

为减轻地电位还击对机房内设备的阻碍，从降压的角度考虑，宜尽可能增大机房接地引入线与雷电流引下线在地网上引接点的距离，也即增大二者间接地体上的感抗，减弱流向设备的电容电流。

雷电电磁场的防护

雷电从本质上讲是云块之间、或云地之间的放电现象，其间正负电荷中和并伴随产生光和热，从无线电学角度分析，雷电产生壮大电磁波。

回顾人们防雷的历史，为了确保建筑物和人身平安，第一发明了避雷针，直至沿用至今的接闪系统。

随着电子科学的进展，尤其是集成电路等电子元件的利用，为避免雷电电磁场对电子设备危害，对建筑物内部防雷提出等电位分区爱惜的理论。

该理论从雷电现象本质着手，对建筑物内电子信息系统的雷电防护提出了大体方法。

防雷区概念

将需要爱惜的空间划分为不同的防雷区，以规定各部份空间不同的雷电电磁脉冲的严峻程度和指明各区交壤处的等电位连接的位置。

各区以其交壤处的电磁环境有明显改变作为划分不同防雷区的特点。

[5]

防雷区宜按以下规定分区：

1）LPZ0A区：

电磁场没有衰减，各类物体都可能蒙受直接雷击。

2）LPZ0B区：

电磁场没有衰减，各类物体很少蒙受直接雷击。

3）LPZ1区：

由于建筑物的屏蔽方法，流经各类导体的雷电流比LPZ0B区进一步减小，电磁场取得了初步的衰减，各类物体不可能蒙受直接雷击。

4）后续防雷区（LPZ2等）：

需要进一步减小雷电电磁脉冲，以爱惜灵敏度水平高的设备的后续防护区。

在两个防雷区的界面上，应将所有通过界面的金属物做等电位连接，并宜采纳屏蔽方法。

将一个建筑物划分为几个防雷区和做符合等电位连接的例子见图所示。

此处所有电力线和信号线从同一处进入被爱惜空间LPZ1区，并在设于LPZ0A或LPZ0B与LPZ1区界面处的等电位连接带1上做等电位连接。

这些线路在设于LPZ1与LPZ2区界面处的内部等电位连接带2上再做等电位连接。

将建筑物的外屏蔽1连接到等电位连接带1，内屏蔽2连接到等电位连接带2。

LPZ2是如此组成，使雷电流不能导入此空间，也不能穿过此空间。

[5]

在需要爱惜的空间内，当采纳屏蔽电缆时其屏蔽层应至少在两头并宜在交壤处做等电位连接。

依照防雷区的划分原那么，基站机房内的防雷区可如此划分：

机房内的空间为LPZ1区，设备机架内为LPZ2区。

机房的墙体（包括金属门窗）为LPZ0B与LPZ1区的界面，设备机架的金属外壳为LPZ1与LPZ2区的界面，鉴于基站内设有走线架（槽）等金属构件，为增强对雷电电磁波的屏蔽成效，幸免直接雷侵害，可将其作为LPZ1与LPZ2区的界面处置。

机房内雷电电磁场防护

基站高大的铁塔在为天线提供支撑的同时经受频遭雷击的后果。

雷击产生的壮大电磁场除部份通过导体以电流的形式将能量传递进入大地外，还以电磁波的形式向周边扩散。

雷电电磁波要紧通过穿透墙体及承载在架空线缆上的雷电脉冲电流进入机房。

对机房内雷电电磁场防护可采取以下方法：

1）进入机房的电缆外导体在进机房前就近与地网相连。

2）机房内的设备外壳、走线架、屏蔽电缆的金属外护层等普遍互连后与接地聚集线相连，而机房的金属门窗应与前者隔离，直接就近与地网相连。

3）为避免电磁场对信号线路的阻碍，信号传输电缆（包括监控系统）应利用屏蔽电缆或外衣金属管道，同时电缆两头的屏蔽层或外衣金属管应就近接地。

3接地电阻与浪涌爱惜器

在基站防雷中，应正确地对待接地电阻和利用浪涌爱惜器。

接地电阻

移动通信网络有大量的基站建在山区，按传统的观念为了降低接地电阻往往花费大量人力、财力，但结成效甚微。

国内外的一些统计资料和国内实践都说明基站（包括微波中继站）的接地电阻大小与雷害无明显关联。

日本对419个中继站经三年雷电损害调查发觉，损害仅与雷暴日数、海拔高度呈正相关关系，而与站的接地电阻几乎无关[6]

国内基站的防雷实践证明：

“接地电阻的大小对基站设备技术参数和信号传输没有任何阻碍”[7]。

YD5098－2005对基站的接地电阻规定：

移动通信基站所在地域土壤电阻率低于700Ω·m时，基站地网的工频接地电阻宜操纵在10Ω之内；当基站的土壤电阻率大于700Ω·m时，可不对基站的工频接地电阻予以限制，现在地网的等效半径应≥20m，并在地网四角敷设20m～30m辐射型水平接地体。

[1]

浪涌爱惜器

浪涌爱惜器是一种新型的防雷器件，当不能直接接地的导体（如电力线）穿越不同防雷区时，可利用浪涌爱惜器将该导体与地相连，为不能直接接地的导体实现等电位连接提供了一种手腕，是防雷系统工程中的一个辅助手腕，科学合理的利用浪涌爱惜器有助于提高系统的防雷能力。

由于浪涌爱惜器是由电子元件组成的器件，在利历时必需依照器件的技术特性进行科学的设计、施工、保护，才能取得好的成效。

第一，浪涌爱惜器的利用应成立在联合接地、均压等电位分区爱惜的基础上。

第二，在利用还须注意以下几点：

1）级间配合问题

通常浪涌爱惜器多级配合利用。

比如，电源整流器设备本身带有浪涌爱惜器，若是在电源进入机房的配电箱安装浪涌爱惜器，那就有二级浪涌爱惜器。

由于浪涌爱惜器的启动（从浪涌爱惜器两头加上高压后，由原先的高阻状态转变成低阻状态）是有时延的，在时延的距离时刻内高压的雷电脉冲仍能通过前一级浪涌爱惜器，由于雷电电磁脉冲频率很高，它在电力线的传播应运用行波理论，为此要求二级浪涌爱惜器之间有足够的距离，让时延距离期间通过的雷电脉冲散布在二级浪涌爱惜器之间的电缆区间内。

为了知足浪涌爱惜器级间配合的要求，YD5098－2005规定：

氧化锌SPD与氧化锌SPD之间的推耦距离（电缆长度）应不小于5m。

[1]

2）电源用SPD接线长度问题

电源用SPD一端接相线，另一端接地。

当高频雷电脉冲通过前一级SPD入地时，由于导线电感的阻碍，在SPD至相线的引接线和SPD至接地排的接地线均产生压降，那个压降与前一级SPD的残压叠加后加于后一级SPD，给后一级SPD组成要挟。

为此YD5098－2005规定：

利用模块式SPD时，引接线长度应小于1m，SPD接地线的长度应小于。

利用箱式SPD时，引接线和接地线长度均应小于。

[1]

SPD的利用除关注上述因素外，很重要的一环确实是依照基站的环境（包括气候、雷暴日、雷暴强度、地形地貌、电力线进入机房的方式等），参照YD5098-2005要求，合理选择SPD种类和规格，标准地进行施工和安装。

SPD的利用是一项理论与实践性都很强的工作，务必要进行认真探讨，使SPD的利用真正做到平安、有效、经济。

4终止语

基站的雷电防护是一个系统工程，做好基站的防雷工作有三点方式：

一是应依照基站的实际环境，包括地形地貌、雷暴日的多少、建筑物的结构状况等因素，有效而又经济地做好基站的防雷工作。

二是雷电是一种灾难性的气候现象，我国幅员辽阔，地形从高山到平原、从内陆到海疆、从少雷区到强雷区，在执行防雷标准上要因地制宜，避免一刀切。

三是人们对雷电的熟悉还在不断的探讨中，防雷是一项实践性很强工作，要在防雷工作中注意总结自身的实践体会，不断提高基站防雷能力。

参考文献

1YD5098－2005.通信局（站）防雷与接地工程设计标准.北京：

北京邮电大学出版社.2006

2DC/T499－2001农村低压电力技术规程.北京：

中国电力出版社.2002

3虞昊.现代防雷技术基础（第二版）.北京：

清华大学出版社，2005

4周志敏周纪海纪爱华电子信息系统防雷接地技术.北京：

人民邮电出版社，2004

5GB50057－94建筑物防雷设计标准（2000版）.北京：

中国打算出版社，2001

6虞昊臧庚媛张勋关象石.现代防雷技术基础.北京：

清华大学出版社，1995

7刘吉克詹乐移动通信基站接地问题的考虑邮电设计技术《雷电与静电》专刊