移动通信基站的安全与防护方案设计.docx

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移动通信基站的安全与防护方案设计

论文题目：

移动通信基站的安全与防护方案设计

摘要

本文以整个移动通信系统为基础，以基站防护为重点，综述了当今最流行的防雷技术，并分析了通信系统的整体防雷技术方案。

从外部防护到内部防护进行了分析研究，着重对基站的防雷与接地、等电位连接等防护方案作了具体分析。

【关键词】基站直击雷感应雷接闪器

等位连接接地

【论文类型】设计型

Title:

ThedesignofthesecurityandprotectionformobilecommunicationBS

ABSTRACT

Thistextregardwholeambulationcorrespondencesystemasthefoundation,withCSprotectionforpoint,overviewthenowispopularmostofdefendthethundertechnique,andanalyzedthewholeofthecorrespondencesystemdefendthethundertechniqueproject.Proceededfromexteriorprotectiontotheinternalprotectiontheanalysisstudy,emphasizingtoCSofdefendthethunderwithconnectagroundof,shield,etc.theelectricpotentiallinks,thepowersupplysystemconductselectricitytopressprotectionetc.protectionprojectmadetheconcreteanalysis.

【Keywords】BaseStationConnectground

KeeptheshotthunderRespondthethunder

ConnectthemachineofflashWaitaconjunction

【TypeofThesis】Designtype

前言

在科技飞速发展的今天，现代移动通信技术也正以前所未有的速度向前发展着，作为现代移动通信不可缺少的通信基站，承受着恶劣气候的影响，其中雷电是对其危害最大的因素。

雷电是自然界中一种常见的放电现象，自然界每年都有几百万次闪电，每年雷击造成的人员伤亡和财产损失，仅次于水灾而大于其它任何灾害。

然而防雷是一个很复杂的问题，不可能依靠一、两种先进的防雷设备和防雷措施就能完全消除其对现实中的影响，必须针对雷害入侵途径，对各类可能产生雷击的因素进行排除，采用综合防治——均压、屏蔽、分流、接地、保护（包括安装先进的防雷产品、过电压保护器、浪涌保护器），才能将雷害减少到最低限度。

多年来，通信设备因遭雷击而使通信中断或发生火灾的问题不断发生，因此加强基站雷电防护，减小损失，已经成为当务之急。

作为即将成为一名通信技术人员的毕业生，为了今后工作需要，以及对通信基站防雷工程的了解和掌握，特进行此次毕业设计，为今后移动通信系统抗干扰技术的研究做出努力。

在这次设计过程中，本人查阅了大量有关的防雷资料，并在网上下载了最先进的防雷设计方案。

对设计方案进行了详细的了解和学习。

在本次论文设计中将从外部防护和内部防护两方面着手，先从外部防护的接闪器，引下线，联合接地，等电位连接到内部防护，基站接地，电磁脉冲感应，电源系统等防护的方法和要求，提出了整体的防雷概念。

由于本人知识水平有限，加之时间仓促，在设计中难免会出现一些错误及疏忽之处，在此恳请各位老师和同学给予批评指正。

1移动通信系统的概述

1.1移动通信系统的发展

随着科学技术的飞速发展，移动通信系统也经过了几次历史变革。

从最早的模拟移动通信系统到当今最主要的数字移动通信系统以及正在发展中的第三代移动通信系统——CDMA都将对移动通信的发展和完善做着巨大的贡献。

在此，我们以当今最成熟的数字移动通信系统来做介绍。

1．2基站的安全防护

雷电具有很强的破坏性，是联合国国际减灾十年委员会公布的对人类威胁最严重的自然灾害之一。

由于移动通信基站的天线设备等不仅安装在建筑物顶上，而且也有相当一部分安装在铁塔上，相对周围的环境而言，形成十分突出的目标，导致移动通信基站常遭受雷击，从而引起通信设备损坏和通信中断，甚至威胁工作人员的安全。

因此，防雷对于移动通信基站而言是十分必要和重要的。

1．2．1雷电的形式

雷电包括直击雷和感应雷两种形式。

直击雷是指由铁塔，天线及电源端直接引入的雷击，形成强大的电流和过电压损坏设备，危害最为严重。

感应雷是指雷电电磁脉冲以感应方式，如通过电阻性，电容性和电感性耦合到电源线，信号线或用户线上，最终危害设备。

1．2．2雷电的危害

1）直击雷的危害

雷电直接击中通信基站建筑、通信设备、通信电缆和操作人员,会造成建筑物损毁、设备损坏、电气短路引起火灾甚至人员伤亡等严重后果。

虽然直击雷发生的概率非常小,但其危害却十分大,再加上防直击雷装置接闪过程中（di/dt值比较大时）很容易引起电位反击和二次雷击效应（即下面所说的感应雷）,所以仍不能掉以轻心。

2）感应雷的危害

显然感应雷是由直击雷引起的,感应雷产生于导体中并沿导体传播,损坏导体或与导体相连的某些设备或设备中的某些器件。

通信基站的设备中有大量的集成电路通过金属导线相连,并且通信基站也通过电力电缆和各种通信传输电缆与外界相连,这

就为感应雷的侵入提供了良好的条件,加上现代通信设备采用了大量微电子电路,其耐冲击水平较低,容易为感应雷所损坏,产生各种各样的设备故障。

感应雷形成的损害往往是通信设备的核心器件,给正常通信带来障碍。

有时感应雷引起故障甚至让我们很难把它与雷电有什么联系。

有研究表明直击雷可在其周围500米范围的半导体上感应起危险电压,加上通信基站与外界连接的各种长距离电缆可在更大的范围内感应上雷电电磁脉冲,并几乎无衰减的沿电缆传入通信基站。

因此对通信基站来讲感应雷的概率远远大于直击雷的概率,可以说通信基站防雷主要是防感应雷。

1．2．3雷电的防护

移动通信基站的防雷防护分为3类：

外部防护，内部防护和信息系统的防护。

直击雷保护（又称外部防护）系统由接闪器（避雷针、避雷网、避雷带）、引下线、接地装置组成。

雷击感应保护（又称内部防护）系统是由各种类型的电涌保护器（SPD）组成，它是雷击电磁脉冲的克星，它能在超短瞬间内将被保护线路连入等电位系统，把设备各端口等电位因雷击而产生的大量脉冲能量短路泄放到地下，将电子器件所用的电压钳在设备能承受的低电压上，消除巨大脉冲危害，从而保护电器上设备安全运行。

2移动通信基站防护的基本原则与方法

2．1基本原则

在防雷保护中，总的防雷原则是采用三级保护：

（1）将绝大部分雷电流直接引入地下地网泄散；

（2）阻塞沿电源线或数据线，天馈线引入的过电压；

（3）限制保护设备上浪涌过电压幅值（过电压保护）。

这三点防线缺一不可，互相配合。

2．2防护方法

外部防护（即直击雷保护）是指对安装通信设备的建筑物本体的安全防护，可采用避雷针，分流，屏蔽网，均衡电位，接地等措施。

a）使用建筑物的避雷针将主要的雷电流引入大地；

b）在将雷电流引入大地的时候，尽量保持设备间的电压均衡，避免造成过电压；

c）建筑物中的金属部件以及钢筋可以作为不规则的法拉力笼，起到一定的屏蔽作用。

d）对无法等电位连接的设备端口使用过电压保护器（SPD）进行必要的保护；

e）保障建筑物有良好的接地，降低雷击建筑物时造成的损坏。

内部防护（即感应雷保护）是指在建筑物内部，通信设备对过电压（雷电或电源系统内部过电压）的防护，其措施有等电位连接，屏蔽，保护隔离，合理布线和设置过电压保护器等。

3外部防护

"防雷即引雷"。

虽然有不少专家学者在努力的研究企图找出有效的防止直击雷的方法,但直到今天仍无法阻止雷击的发生。

70年代以来名燥一时的消雷器也因理论和实践存在的问题而被防雷专家所否定。

雷电如洪水,既然我们"堵"不住雷电,我们就"疏导"它。

两百多年前富兰克林发明的避雷针仍然充当今天防直击雷领域的主要角色。

防直击雷设施主要包括接闪器、引下线和接地体。

接闪器采用避雷针，引下线采用金属线接地。

按照“滚球法”校核接闪器的保护范围，使微波天线和基站建筑物处于接闪器的保护范围内。

接闪器不能消除雷击，但可以将大量的雷电流通过引入地下线。

因此在其保护范围内雷击不会损坏微波天线和机房建筑物。

3．1接闪器

3．1．1接闪器的概念

接闪器是指避雷针及在其原理基础上的衍生及推广产品如避雷线、避雷带、避雷网等的统称。

接闪器的防雷是因为其将雷电引向自身经引下线泄流入地而避免了被保护物被雷电击中。

任何良好接地的导体都是有效的接闪器,而与它的形状没有任何关系。

有铁塔的通信基站其铁塔本身就是良好的接闪器,通常情况下铁塔占据了通信基站建筑物的整个屋面。

如果铁塔在建筑物顶部且铁塔比屋面小的就应将铁塔四周与屋顶避雷带等作好电气连接,但若建筑物在铁塔的保护范围内的则不需要。

如若铁塔在通信基站附近且建筑物不在或不完全在铁塔的保护范围内的可在建筑物顶部设避雷带,并校核铁塔和避雷带联合防雷的保护范围。

通信基站附近无铁塔的宜优先采用避雷网作为建筑物的接闪器,如果屋面有天线等通信设施可在局部加装避雷针保护,这样接闪器的高度不会太高,不会增大通信基站的雷击概率。

3．1．2滚球法理论

“滚球法”是国际电工委员会（IEC）推荐的接闪器保护范围计算方法之一。

我国建筑防雷规范GB50057——1994（2000年版）也把“滚球法”强制作为计算避雷针保护范围的方法。

滚球法是以

为半径的一个球体沿需要防止击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器（包括被用作接闪器的金属物）或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护。

滚球法确定接闪器保护范围应符合规范规定，见表1。

应用滚球法，避雷针在地面上的保护半径的计算可见以下方法及图2。

a）避雷针高度

时的计算

距地面处

作1条平行于地面的平行线。

以针尖为圆心、为

半径作弧线交于平行线A，B两点。

以A，B为圆心，

为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切，这样，从弧线起到地面就是保护范围。

保护范围是一个对称的锥体。

避雷针在高

度的

平面上和在地面上的保护半径，按公式（4）计算确定

b）当避雷针高度

时的计算在避雷针上取高度

的一点代替单支避雷针

针尖并作为圆心，亦可见图2。

3．1．3接闪器的设计

由于建筑物的防雷类别分为两类，所以滚球设计接闪器时滚球的半径R=45m；由于机房和配电室的屋面无要保护的设备，它们的屋面接闪器采用避雷带与建筑物混凝土内的钢筋相连构成暗装避雷网。

铁塔上的天线可在铁塔上加装避雷针保护，如图（3）所示，设天线顶端距地高度为h米，距避雷针的距离为d米，避雷针高为H米。

则有：

设h=25米，d=1米，可求得H=27米即避雷针顶部距地面为27米。

（米）

由于R为45米，h和d可通过实测获得，所以避雷针高H可以确定。

图3

避雷针可选用独立避雷针，针长1—2米，圆钢组成直径为16毫米，其导流面积大于100平方米，符合（GB50057）的要求。

可根据安装需要焊接或螺栓紧固在铁塔顶部。

3．2引下线

3．2．1引下线的概念

引下线的作用是将接闪器接闪的雷电流安全的导引入地,引下线数量不得少于两根,并应沿建筑物四周对称均匀的布置,引下线间距、焊接长度材料规格也必须符合要求,引下线应与各层均压环焊接。

对于框架结构的建筑物,宜利用建筑物内的柱钢筋作为防雷引下线,建议把柱钢筋与梁、板钢筋连接起来,这样可以形成人们常常所说的法拉第网。

同时建议采用多根引下线,采用多根引下线不但提高了防雷装置的可靠性,更重要的是多根引下线的分流作用可大大降低每根引下线的沿线压降,减少侧击的危险。

目的是为了让雷电流均匀入地,便于地网散流,以均衡地电位。

同时,均匀对称布置可使引下线泄流雷电时产生的强电磁场在引下线所包围的电信建筑物内相互抵消,减小雷击感应的危险。

3．2．2引下线的设计

1）采用独立避雷针加专门引下线的方法：

在通信大楼的楼顶往往有通信铁塔，因此大楼遭直击雷的可能性就越大，为了防止直击雷对铁塔有关通信设备造成危害，我们所面临的两方面的问题是：

一方面是雷电流会沿着天线馈线或波导进入机房，损坏设备。

另一方面，沿铁塔入地的雷电流也会对绑在铁塔上的天馈线产生较高的雷感应电压。

如何避免雷电流或雷电压脉冲侵入通信设备，应考率采用独立避雷针加专门引下线的方法。

图4防直击雷用独立避雷针系统示意

在塔顶安装独立的，与铁塔金属体没有直接连接的避雷针，并用独立的专门引下线将雷电流直接引致楼顶或大地，其引下线直径取大于10mm。

引下线应于天馈线有较大的隔距，如图1所示。

这种作法可以降低雷电流和雷感应电压对通信设备的影响。

分析如下：

铁塔的波导和馈线可以将6%的雷电流引入机房。

对于雷电流普遍高达50—100KA的直击雷来讲，6%的分流就有3—6KV而在综合通信局站中，无线机房的电源和地线系统，有时还有传输系统都是共享的，对于某些没有人和防备的设备来讲，6KV的雷电流侵入很可能有损害。

从另一个角度来看，避雷针引下线与天馈线隔距较远，对雷电流在天馈线上产生的感应电压也会显著降低。

因为感应电流也会显著降低。

因为感应电压与源至被感应线的距离的对数成反比关系

（1）

在同样条件下，二者之间的隔离加大10倍，感应电压可以将低为1/2.3，因此尽可能加大独立避雷针引下线与天馈线间的距离，可以有效降低天馈线上的雷感应电压。

2）机房和变压器房的避雷带用建筑物内的钢筋作引下线，将屋面避雷带按标准要求分别接在四个角上，将避雷带与机房混凝土内的钢筋相连。

3．3联合接地

3．3．1联合接地的概念

由于接地系统的质量往往成为避免雷击事故发生的关键，所以防雷问题往往成为基站收发信台设备安装设计中的一个重要问题。

对于山区内孤立山上的基站收发信台，雷击事件较为频繁。

无论何种电荷泄放方式引起的浪涌电流都很大，且持续期很短，频谱很宽，因此天线对地的直流通路不但要求电阻足够低，还必须要求电感量尽可能小。

对于普通基站收发信台，接地电阻小于等于5欧姆，对于土壤电阻率较高的基站收发信台，接地电阻可设计在10欧姆以下。

移动通信的基站设备均应有效接地。

通信设备的工作接地（分为直流工作接地和交流工作接地）、保护接地及建筑防雷接地合用一组接地体的接地方式称为联合接地方式。

防雷接地系统的要求主要体现在以下两个方面:

1）接地电阻的要求.接地电阻主要包括土壤电阻、土壤和接地电极之间的接触电阻、地电极自身电阻、接地引下线电阻等.由于后几种电阻很小,一般可忽略不计,所以接地电阻主要是指土壤电阻.降低接地电阻是实现雷电流泄流的关键.雷电流通过单根引下线的全部电压降计算公式为

其中U为电压降,i为雷电流,R为接地电阻,

为单位长度的电感,约为1.5μH/m,l为引下线的长度

为雷电流的陡度。

从公式可以知道在防雷接地装置中,接地电阻阻值越小,则瞬间内冲击接地电压降就越小,雷击时对设施的危险性就越小.不同设施对接地电阻的要求稍有差异,移动通信基站基座R≤4Ω、天馈线金属屏蔽层R≤4Ω、信号避雷器R≤10Ω、电源避雷器R≤4Ω、安全保护地R≤4Ω、通信机房R≤1Ω.系统设计时要正确规划、符合规范参数.

2）联合接地的要求.IEC（国际电工委员会）和ITU2T（国际电信联盟）的相关防雷接地设计规范中都不再有单独接地,而是建立公共地网以防雷,即电源地、工作地、保护地等在公共地线上连成电气一体化,以建立零电位参考电平平台.移动通信基站中,防雷接地为针对雷击防护采用的泄流接地;工作接地为直流电源接地;保护接地为室内设备机壳接地.

3．3．2联合接地的设计

按YD5068-98地网的布置如图5所示，这种联合地网的布置方式也是符合IEC标准要求的。

按照这种方式布置地网，其接地电阻R为：

（式中P为土壤率，S为地网中面积，L为接地体总长度包含垂直接地体，d接地体直径，h为接地体埋深。

式中：

L,d,h,s为设计确定。

P用地阻仪实测。

假设：

P=100,d=42mm.）

联合地网设计布置时，采用接地总汇集的接地方式，其汇集环，均压网，地网的连接方式如图5所示。

1）汇集环：

汇集环安装在地下室或底层，距离墙面（柱面）宜为50毫米左右，接地总汇集的截面积应根据最大故障电流确定，一般不小于120平方毫米的铜排或相同电阻的镀锌扁钢。

图5

2）均压网：

如图所示

（内有引下线）

均压网（含基础底层）均可利用该层梁或楼板内的两根主钢筋按网络尺寸不大于10米×10米相互焊接成同边封闭的环形带，网络交叉及钢筋自身连接均应焊接牢固。

用均压网均衡电位的方法，将强电弱电设备和运行人员都抬到相同电位，从而使相互间的电位差减到最小。

通信设备不同于其他设备，它具有较弱的抗感应脉冲过电压的能力。

它是集电脑技术和集成微电子技术于一身的，芯片的尺寸越来越小，信号系统的电压也就越来越低，现已降到10V以下，有的已降到5V以下，它的电磁兼容能力很差，很容易受到感应脉冲过电压的袭击。

通信系统环节多，接口多，线路长等原因，给雷电的耦合提供了条件，是感应脉冲过电压容易侵入的原因，也是感应脉冲侵入的通道，所以通信设备系统致命弱点是电磁兼容能力差。

力求减少或避免雷击或电磁干扰，均压网的设计应采用严格的一点接地网系统，所有信息设备均从一点获得基准零点位，所以即使雷电流通过一点接地网络，地电位只是瞬间升高，各地线间也不会出现毁坏性基准电位差。

可见均压设计是以信息设备的基准电位相同为基准，并保证雷击时不会出现危险的基准电位差为标准的，这于传统的均压观有差别。

3）地网：

铁塔应通过四个角与地网相连，机房和变电机房的基础内的钢筋应在四角处与地网相连如图所示。

通信基站地网示意图

地网埋深0.8米，垂直接地体长度为2.5米，埋设接地体的地点应选择在潮湿，土壤电阻率较低的地方，这样比较容易满足接地电阻的要求。

从安全的角度考虑，应该放到人们走不到的地方，避免跨步电压的危害。

同时还应注意使接地体与金属物或电缆之间保持一定距离，以免发生击穿事故。

工程中的注意事项

1）保证地网结构的可靠性：

结构的所有连接部分，必须用电焊或气焊连接，不得用锡焊。

不能焊接时采用铆接或螺栓连接。

并且一定要保证有不少于10cm2的接触面。

2）一般是0.5米至0.8米。

如果埋设点土壤电阻率太高时，应换上电阻率较小的土壤，并锤紧。

也可采用长效降阻剂，以降低土壤的电阻率。

若施工埋设点为电阻率很高的卵石或岩石，很难打入垂直接地电极时，可将接地体延伸到附近电阻率较低的地方，以降低接地电阻，但不宜超过50米。

4内部防护

有可靠的外部防雷措施同时，更需要完善内部防雷措施。

在外部防雷措施中，避雷设施在雷电发生的瞬间，接地引下线会有很大的瞬变电流通过，也就是说在周围会产生很大的LEMP（LightningElectroMagneticPulse，雷电电磁脉冲）,此时就需要内部防雷措施。

内部防护（即感应雷保护）是指在建筑物内部，通信设备对过电压（雷电或电源系统内部过电压）的防护，其措施有屏蔽，合理布线和设置过电压保护器（SPD），等电位连接等。

4．1信息系统防雷概念

信息系统它包括计算机网络与弱电子系统，在通信站内有大量的计算机和弱电子设备，随着集成微电子技术发展芯片尺寸越来越小，系统信号电压越来越低，以降到10V以下,这些设备电磁兼容能力很差，很容易受感应脉冲过电压的袭击，还有通常还会把设备联成局部网络系统，设备之间信息通路有一定的距离，超过某一范围时会对设备造成威胁。

给雷电的耦合创造了条件。

近年来，雷电对计算机网络与信息系统造成瘫痪的事例屡见不鲜，引起个方面的关注，由于对建筑防雷以有明确分类标准与计算方法，而对信息系统防雷没有明确分类标准与计算方法，随着信息时代的发展，信息系统遭雷击的概率以经远远大于建筑物雷击的概率。

4．2电涌保护

所谓的过电压保护就是限制被保护设备上雷电过电压幅值。

根据IEC1312制定的雷电电磁脉冲防护标准，用对电源部分和信号部分安装电源类SPD和通讯网络类SPD（瞬态过电压保护器）进行过电压保护。

SPD是保护电子设备在受雷电闪击或者其它干扰造成浪涌过电压危害的有效手段。

对于正常工作状态下的低压系统，安装SPD后要求不会对原有系统和原有设备工作特性造成影响;对于出现浪涌等非正常工作状态的低压系统，SPD应及时对浪涌做出反应，通过SPD限制瞬态过电压和分走浪涌电流的特性，将过电压降到IEC60664-1规定的各类别不同设备耐冲击过电压额定值以下。

对于经历了非正常状态的低压系统，即经过浪涌后恢复正常状态的SPD，应恢复其高阻抗特性，并采取措施防止或抑制电力线上的续流。

当浪涌电压超过设计的最大承受能力和放电电流容晕时，SPD可能会失效或被损坏。

在对信息系统雷击电磁脉冲防护分级后，应对信息系统弱电设备实施电涌保护，具体要求如下：

A级：

采用3-4级电涌保护器（SPD）进行保护

B级：

采用2-3级电涌保护器（SPD）进行保护

C级：

采用2级电涌保护器（SPD）进行保

D级：

采取1级或以上的电涌保护器（SPD）进行保护

1）A级保护

安装在变电站为建筑物供电的配电变压器的低压侧，一般由供电部门负责。

如果电气设备由架空线供电，或埋地电缆引入段小于150m，当地区雷电电涌电压大于6000V且年雷暴日数大于25天时，应在电源进线处安装SPD作为A级防护；当地区雷电电涌在4000V~6000V，宜在电源进线处装设SPD，其主要目的在于泄流和限压。

2）B级保护

建筑物主配电盘处的保护，安装于建筑物的主配电柜中，承受首次雷击后90%的能量和10／350us的波形的分雷电流，其残压被限制在4KV左右。

B级保护其泄流目的减小、限压目的增加。

3）C级保护

建筑物内各层配电柜（箱）的保护，承受10%左右的雷击能量和20%幅值（8／20波形）的雷电流，残压被限制在2.5KV左右。

4）D级保护

末端负载保护，安装在终端配电箱或仪器设备处。

承受5%左右的雷击能量和10%（8／20us波形）的雷电流，残压被限制在1.5KV左右，这样就可以将电压限制在设备耐受过电压范围内。

电涌保护器的选择依据是：

a）设施对浪涌的灵敏度（不是设备的容量大小，而是受浪涌影响的状况）；

b）被保护设备的重要程度和价值；

c）被保护设备所处的雷击区强度；

d）配电系统里浪涌保护装置安装的位置；

e）设施内电子和电气设备产生的电磁干扰程度。

电涌保护是个系统工程，由电源系统的保护、网络系统的保护、天馈系统的保护、数据和通信接口保护等级组成，可根据实际情况请专家设计。

我国通信行业标准《移动通信基站防雷与接地设计规范》和《通信局（站）低压配电系统电涌保护技术要求》，是移动基站防雷建设的依据。

这里所讲的过电压防护主要是讲对电源系统的防护。

4．2．1电源系统防雷概念

前面已提到感应雷是因为直击