通信基站防雷设计方案.docx

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通信基站防雷设计方案

移动防雷设计

1.1设计思想

1.1.1通信基站的特点

移动通信基站通常具有以下几个特点：

1地理位置：

在城区通常设在高大建筑物的较高楼层上，在郊区和乡村经常设在开阔地带或山区。

2机房条件：

无论是在城区还是在乡村，大量建在非专用通信建筑内，这些建筑往往不具备符合要求的防雷实施（包括外部防雷装置、内部防雷装置和地网等）。

此外，机房面积一般都很小，不便于多级防雷方案的实施。

3交流电源：

特别是在乡村和山区，机房的交流供电通常是由户外架空引入。

4通信信号：

基站设备的通信线路通常也是由户外架空引入。

1.1.2基站综合防雷设计思想

移动通信基站是由电源系统，接收／发射系统，天线馈线系统以及中继传输系统等构成的一个综合系统，防雷的目的是保证各系统都能正常工作，不受雷电的干扰和破坏。

防雷最终是通过等电位连接实现的，等电位连接的位置选择在不同防雷区的界面上，而雷击的能量通过接地系统引入大地。

不同防雷区之间的电磁强度不同，除直击区外内部防雷区因电磁衰减而与外部防雷区的雷击电磁强度不一样。

因此，采取适当的屏蔽措施，在一定程度上可以防止雷电电磁脉冲的进入。

那么，穿越防雷区界面的线路变成了雷电侵入的主要通道。

做好穿越防雷区界面线路的防雷工作，无疑是整体防雷的重点。

除了线路入侵和电磁感应之外，雷电电磁脉冲进入内部防雷区的渠道还有接地系统。

当雷击发生在地网附近时，雷电流通过接地线入地，地网瞬间的高电位可能通过接地线反击设备而造成破坏。

由此可以得出，综合防雷不仅仅包括避雷针和避雷器，还包括屏蔽与接地等其他有助于将雷电流安全合理地下泄到大地的措施。

综合防雷是分流、均压、接地和屏蔽四项技术的综合。

而有的基站为非标准机房，只是租借的普通建筑物，屏蔽和接地措施无法达到要求，再整改加强屏蔽不大现实。

这时，只有从合理安装避雷器，改善接地系统等角度入手来解决雷击电磁脉冲问题。

依照全面防护，综合治理的原则，探索出基站整体防雷的六点解决方案。

1控制雷击点；

2安全引导雷电流入地网；

3加设完善的低阻抗地网；

4进行等电位连接，避免地电位反击；

5防护电源浪涌冲击；

6防护数据线、通信线及信号线的浪涌冲击；

1.2设计方案

每个基站的铁塔顶部安装一台优化避雷器，保护通信天线和机房外部设施。

每根天馈线在机房入口处，安装天馈避雷器，保护收/发机的天馈线接口。

220/380V供电线路应从地下敷设进入基站，进站后应安装2-3级电源雷电过电压保护装置——电源避雷器，保护供电线路的雷电安全，直流电源安装一级低压电源避雷器。

信号电缆应由地下进出移动通信基站，电缆内芯线在进站处应加装信号避雷器。

移动通信基站应按均压、等电位的原理，将工作地、保护地和防雷地组成一个联合接地网。

站内各类接地线应从接地汇集线或地网上分别引入。

中光公司的非金属接地模块，在地电阻率较高难以达到接地电阻要求的基站，用来改造地网效果较好。

2雷电基本理论与避雷原理

2.1雷电基本理论

2.1.1雷击通常所谓雷击是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者是带电的云层与大地之间的迅猛的放电。

通常雷击有三种形式：

其一是直击雷，是指带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。

其二是感应雷，是带电云层由于静电感应作用，使地面某一范围内带上异种电荷。

当直击雷发生以后，云层带电迅速消失，而地面上某些范围由于散流电阻大，以致出现局部高电压，或者由于直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压以致发生闪击的现象。

其三是球形雷，在雷电频繁的雷雨天，偶然会发现紫色，红色，灰红色，蓝色的“火球”。

这些火球有时从天空降落，然后又在空中或沿地面水平方向移动，有时平移有时滚动。

这种火球能通过烟囱，开着的窗户，门和其它缝隙进入室内，或者无声地消失，或者发出丝丝的声音，或者发生剧烈的爆炸。

球形雷发生的机会很少，存在时间又十分短暂，所以对它的研究十分困难，它的成因目前为止并没有完满的解释。

2.1.2雷电的电流参数雷电流幅值：

雷云的放电过程中数值是变化的，在雷电先导中雷电流很小，到主放电阶段雷电流急剧升高，达到最大值，称为雷电流幅值，用I表示，单位为kA,以后逐渐减少，到余辉放电阶段雷电流仅为100〜1000A大量统计得知，幅值超过20kA的雷电流出现的概率为65%而超过120kA的概率只有7%所以很高的雷电流只有在特别重要的电气设备或建筑物的防雷设计中才需要考虑，一般防雷设计中雷电流的最大幅值取150kA。

雷电流陡度：

雷电流陡度为a,为雷电流变化的速度，即a=di/dt,为雷

电流对时间的微分，因此雷电流陡度也是随时间而变化的。

在主放电阶段，雷电流陡度的数值增加很快，以后就逐惭减小，当雷电流到达幅值时，雷电流陡度为零，在波尾它就变为负了。

因此，雷电流幅值与雷电流最大陡度不在同一时间出现，但雷电流愈大，则雷电流陡度越大。

雷云的电位可达10〜100MV它造成的雷云内部平均电场为10KVZm。

当雷云接近地面局部场强达10〜3KV/cm时，就会使空气游离而放电。

雷电波阻抗：

在计算雷击点的电位时，往往引用雷道波阻抗的概念。

即把直击雷的作用以某一沿着一条阻抗等于雷道波阻抗Ze的线路波动的电压波，投射到闪击对象上的作用来代替。

在作防雷计算时，一般取雷道波阻抗乙=300Qo

2.2避雷器原理与要求

2.2.1避雷器保护原理

各种电气设备的绝缘都是按一定的耐受电压水平来设计的，为了设备的安全，需要对超过耐受度的过电压加以抑制，将过电压降低到绝缘耐受压范围以内，这种过电压抑制装置通常是避雷器。

避雷器的保护动作特性是通过其动作电压体现出来的，当避雷器两端电压低于动作电压时，避雷器呈现近似开路，当避雷器

两端电压达到和超过动作电压时，它将导通，对过电压实施抑制。

避雷器设置在被保护设备附近，安装在相导线与地之间，与被保护设备并联，如图1所示。

在

系统正常运行情况下，作用于避雷器两端的电压为系统的相对地工作电压，低于

动作电压，避雷器处于开路状态，此时避雷器的存在不会影响到系统的正常运行。

如果雷电过电压波沿线路侵入电气设备，则作用在避雷器两端的电压会明显高于动作电压，使避雷器导通，通过很大的冲击电流，向大地泄放雷电过电压的能量，并将雷电过电压降低到被保护设备绝缘可以耐受的限度内。

电力系统中采用的避

雷器主要有阀式避雷器，氧化锌避雷器，保护间隙和管型避雷器，其中有些避雷器还被用于抑制系统操作过电压。

图1避雷器保护电器设备示意图

222对避雷器的基本要求

避雷器并联与被保护设备附近，为了使设备能够得到可靠保护，它应满足以下技术要求：

1）电气设备冲击绝缘强度是以伏秒特性，即击穿电压值与击穿放电延时之间的关系特性来表示的。

当受到雷电过电压作用时，与被保护设备并联的避雷器应能率先动作限压，保护设备的安全，这一要求可以通过避雷器与设备之间的伏秒特性配合来满足。

实际上，由于击穿过程的随机性，击穿电压具有明显的分散性，实测的伏秒特性是一条曲线带，有一个下限边界和一个上限边界，如图2所示，要实现较为理想的配合，避雷器伏秒特性带

（2）的上限边界应低于被保护设备伏秒特性带

（1）的下限边界，而其下限边界应高于系统最高运行电压（3）。

2

3

图2伏秒特性的配合

2）避雷器应具有较强的绝缘强度自恢复能力

在雷电过电压作用下，避雷器开始动作导通后，就形成了相导线对地的近似短路。

由于雷电过电压持续时间很短，当避雷器两端的过电压消失后，系统正常运行电压又继续作用在避雷器两端，在这一正常运行电压作用下，处于导通状态的避雷器中继续流过工频接地电流，该电流称为工频续流。

工频续流的存在一方面使相导线对地的短路状态继续维持，系统无法恢复正常运行，另一方面也会使避雷器自身受到损坏。

为此，避雷器应具备较强的绝缘强度自恢复能力，应能在雷电过电压消失后工频续流的第一次过零时自行切断工频续流，系统将恢复正常

的运行。

3直击雷防护设计

3.1接闪器原理

到目前为止防避直击雷都是采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网作为接闪

器，把雷电流收下来，然后通过良好的接地装置迅速而安全地把它送回大地。

当高空中出现雷云的时候，大地上由于静电感应作用，必然带上与雷云相反的电荷，然而接闪器都处于地面上建筑物的最高处，与雷云的距离最近，以致接

闪设备附近空间电场强度相对比较大，比较容易吸引雷电先驱，使主放电集中在它上面，因而在它附近尤其是比它低的物体受雷击的几率就大大减少。

由于接闪

器都与大地有良好的电气连接，使大地积存的电荷能量迅速与雷云的电荷中和。

这样由雷击而造成的过电压的时间大大的缩短，雷击危害性就大大减少。

雷击的时候，雷云通过接闪器向大地放电的过程，可以近似用RC放电过程

来模拟。

因为大地与雷云之间相当于一个充了电的电容器，如图3所示。

接地电阻

图3雷击时雷云与大地的示意图

iR—Ug0

R=R1+R2

其中R1：

雷云内部和雷电通道的电阻；

R2:

接闪器和它与大地之间的连接电阻。

又因

故

dlFC

RC——+Uc=Odt

解此微分方程得：

UkA「三

图4雷击时的电气原理

由上式可以看出，当t=0时，A=Uc为最大值，所以A就是刚刚发生闪击那一瞬间接闪器对大地的电压，也就是雷云对大地的电压。

并且R越小，Uc衰减的越快，表示雷击时散流得越快。

雷云时电源的电阻包括主放电通道的电阻，大约几千Q，如果我们把带电的雷云当作电源，接闪器到大地看作是负载。

那么，放电的时候就相当地一个有几千Q内阻的电源，与一个仅有几Q接地电阻和少许引线的阻抗的负载连接，这电源一般为几百V到几千万V,甚至更高。

雷击时接闪器对大地的电压就是雷云的电压，在雷云内阻（包括通道电阻）与接地电阻（包括引线电阻）间分压，其分压值越小，相对来讲就越安全。

所以理论上要求避雷装置接地电阻越小越好，但是如果要求做到接地电阻很小，势必造价很高。

工程上往往只要求做到足够安全范围即可。

3.2避雷针保护范围计算

我国建筑防雷规范GB50057-94中规定采用“滚球法”作接闪器保护范围的计算。

所谓“滚球法”是指某一定半径的球体，在装有接闪器的建筑物上滚过，滚球被建筑物上所装的接闪器撑起，这时球体的弧与建筑物之间的范围，便是该接闪器避雷范围。

接我国规范规定，根据建筑物被雷击后引起后果的严重程度，把建筑物分为三大类型，分别选择从30〜60m不同的滚球予以计算。

如图5为单支避雷针的保护范围图。

由图5可确定单支避雷针的保护范围

1.当避雷针高度hwhr时：

（hr为滚球半径）

（1）距地面hr处作一平行于地面的平行线；

（2）以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线于A、B两点；

（3）分别以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切。

从此弧线起到地面上就是保护范围。

保护范围是一个对称的锥体；

（4）避雷针在hr高度的xx'平面上的保护半径，按下列方法确定；

可按上面的要求画出「X与hr,hx,h之间的关系，如图6所示。

图中由Rt

△BOP知：

\'h「-（hr-hx）2=OP

由Rt△QCB®:

_h「-（hr-h）=CB

rx=CB-OP

ih「h；2hrhh2h；h；2hrhxhX

rx=、h（2hrh）hx（2hrhx）

其中：

rx为避雷针在hx高度的xx'平面上的保护半径，m

hr为滚球半径，m

hx为被保护物的高度，m

2.当h>hr时，在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针针尖作为圆心。

其余作法同上。

3.3直击雷防护检测

建在城市市区的基站遵照三类建筑物的直击防护标准，建在旷野或高山上的基站，按二类防雷建筑物直击雷防护标准。

根据通信基站的特点，初步对通信基站的直击雷防护提出以下要求：

根据YD5068-98移动通信基站防雷与接地设计规范中3.2和4.3条中规定可知塔顶应安装避雷针，发射天线、航空标志灯等设施都应在其保护范围之内，金属塔体可作为引下线。

如另外加设引下线应采用不小于40mM4mm的镀锌或

50mm的铜铰线。

铁塔的四脚均应与地连接。

建筑物天面上的通讯塔应至少有相对称的两点与建筑物的避雷带连接。

3.4避雷针选择

使用传统的金属避雷针、避雷带对一般建筑物和建筑物内的人能够起到保护作用，其机理是“引雷入地”，即首先是引雷，代替被保护对象承受雷击，然后将雷电流引导入地。

因此避雷针的实质是“引雷针”，同时，在引雷入地的过程中，由于未对雷电流进行大幅度的衰减，使得强大的雷电流在卩s级的瞬间迅速通过避雷针及其引下线，这样势必在其周围产生强大的感应电磁场（脉冲），感应电磁脉冲通过空间传播或与传输线耦合引入破坏电子设备，这就是感应雷和雷电

入侵波。

另外，在引下线入地处，未经衰减的雷电流会抬升地电位，并通过接地线对设备造成反击。

可以说，造成电子设备雷击损坏原因，绝大部份是感应雷、雷电入侵波和地电位反击（统称二次雷击效应），而普通的避雷针不仅不能避免这些二次雷击效应，反而促使其发生。

富兰克林避雷针也就是传统避雷针，它在接闪后，其引下线的雷电流大，雷

电脉冲的前沿陡度高，它的二次雷击效应严重，地电位高，会对现代信息系统电子设备产生较为严重的破坏和影响，随着社会的发展，信息时代的到来和实践的不断深化，它的局限性也越显露了出来。

如果要保护的对象是电子设备，使用普通避雷针防直击雷是危险的。

为克服传统避雷针的缺陷，应采用能削弱感应雷的优化避雷针作为防直击雷装置。

优化

避雷针的优点是：

能够在保持传统避雷针“引雷入地”机理的同时，通过阻抗限流和箝位分流装置，将雷电流的幅度大大减小，将雷电波波形展宽至几百ms,

使雷电流缓慢入地。

这样，不仅能够有效地防御直击雷而且能够有效地抑制感应雷和地电位反击的产生，这对于保护区域内电子设备大量集中使用的情况是非常有效的。

出于上述原因的考虑，在基站的通信铁塔的顶端安装既能防止直击雷又能抑制二次雷击效应的优化避雷针，作为防直击雷的接闪器。

优化避雷针的保护半径按GB50057-94所附滚球法计算确定。

中光优化避雷针采用气隙箝位、阻抗限流等综合技术，明显地改变了雷电流的放电过程。

雷电波形展宽、波头平缓、幅值降低，其衰减倍率K>33，从而有

效地抑制、削弱地电位反击和二次雷击效应造成的危害，克服了传统避雷针的局限性和主要弊病。

该产品的特点：

具有传统避雷针的承接雷电和疏导入地的特长，又能使入地雷电流的幅度和波头陡度同时降低，使雷击危害减到最小。

产品的雷

电通流大，衰减倍率高，造型美观，具有装饰性。

移动基站用它来保护通信天线，作为直击雷防护的接闪器是较为理想的产品。

通信铁塔的高度一般在30~50m之间，一般情况下优化避雷针的型号可选用ZGU<-A2型优化避雷针作为防直击雷的接闪器。

ZGU町-A2主要参数和性能如下：

雷电通流量200KA陡度衰减倍率》33;幅值衰减》80%电阻W5Q;高度3m重量42kg;抗风强度40m/s；安装尺寸①260±0.5/6-①17。

适用于雷击活动较为频繁的大中型台站的直击雷防护。

在一些雷击活动特别频繁、雷击强度较大的基站，通信铁塔的顶端可采用

ZGU-IH-A3型优化避雷针作为防直击雷的接闪器。

ZGU町-A3主要参数和性能如下：

雷电通流量300KA陡度衰减倍率》33;幅值衰减》80%电阻W5Q;高度3m重量45kg;抗风强度40m/s；安装尺寸①260±0.5/6-①17。

适用于雷击活动特别频繁、雷击强度较大的大中型台站的直击雷防护。

在一些偶然发生雷击的通信站可使用ZGU-H-A1型优化避雷针作为防直击

雷的接闪器。

ZGU-H-A1主要参数和性能如下：

雷电通流量100KA陡度衰减倍率》33;幅值衰减》80%电阻W5Q;高度3m重量42kg;抗风强度40m/s;安装尺寸①260±0.5/6-①17。

适用于雷击活动较少的大中型台站的直击雷防护。

4防感应雷和防雷电波入侵

当建筑物防雷装置落雷后，强大的雷击电流在入地的过程中，由于雷电流陡度的作用，在雷电流通道周围的金属体内产生大的感应脉冲过电压。

当建筑物附近落雷或云中放电时的电磁感应和雷电电磁脉冲的辐射作用，在建筑物的金属部件和内部的各种管线等部位感应出强大的感应脉冲过电压，这即是感应雷的危害，感应雷的概率比直击雷大的多，而且作用范围大。

感应雷的幅值与雷击点距离成反比，与雷电流的幅值和陡度成正比。

因此雷击点附近，雷电流的陡度越大，感应脉冲过电压就越大，也就越危险。

对电子设备的破坏性也就越大。

感应雷和雷电入侵波是造成电子设备损坏的主要原因。

除了附近发生雷击时，感应电磁脉冲可通过传输线形成入侵波，同样的道理，即使在远处发生雷击，只要传输线通过那个区域，一样可以引入感应雷电波，因此，传输线涉及的范围越广，进雷的几率就越高。

要解决传输线的引雷问题，除了防直击雷、防感应雷外，还需要在暴露于室外的以及长距离敷设的各种传输线（光纤除外）上安装相应的电子避雷器，来对侵入到传输线内部的感应雷电波进行抑制和泄放，以确保设备的安全。

4.1电源系统防护

在各种各样的传输线中，电源线是分布最广的传输线，也就意味着受雷电感应的几率最高，最易引入感应雷。

事实也证明60%〜80%的感应雷和雷电入侵波来自于电力传输线。

根据IEC防雷的有关规定，对雷电入侵波应分区域进行防护，在每个区域的界面上采取相应的措施，逐级对雷电流进行泄放，直到将感应过电压降到设备可以承受的水平。

因此，电源系统的防雷应采取多重保护、层层设防的原则，根据设备的重要程度和地理位置进行有重点，有层次的保护。

一般来讲，电源系统应采取三到四级保护。

4.1.1第一级保护外接供电线路入总配电柜前安装大通流量的电源避雷器，作为电源系统的第一级保护，以泄放掉来自外界电力传输线的雷电入侵波的大部分能量。

在雷击活动严重的地区总电源避雷器可选用ZGB153B4-100型用户总电源避雷器。

ZGB153B4-100的主要参数及性能如下：

工作电压AC380V/420V雷电通流量（8/20卩s）100KA;响应时间W25ns;压敏电压1500V;限制电压（8/20卩s）W3KV接线柱形式连接；外型尺寸433X245x90mm安装尺寸380X195;重量5.6kg;有劣化指示和雷击计数;劣化后自动脱离。

适用于综合系统大中型台站的三相电源一级保护。

在一般情况下，总电源避雷器可选用ZGB153B2-1型用户总电源避雷器。

ZGB153B2-1的主要参数及性能如下：

工作电压AC380V/420V雷电通流量（8/20卩s）60KA;响应时间w25ns；压敏电压910V;限制电压（8/20卩s）<2KV；接线柱形式连接；外型尺寸360X218x100mm安装尺寸305X168;重量4.2kg;有劣化指示和雷击计数；劣化后自动脱离。

适用于综合系统大中型台站的三相电源一级保护。

在雷击活动较少的地区，总电源避雷器可选用ZGB153B0-1型用户总电源避

雷器。

ZGB153B0-1的主要参数及性能如下：

工作电压AC380V/420V雷电通流量（8/20卩s）60KA;响应时间w25ns；压

敏电压680V;限制电压（8/20卩s）w1.5KV;接线柱形式连接；外型尺寸360X218x100mm安装尺寸305X168;重量4.2kg;有劣化指示和雷击计数；劣化后自动脱离。

适用于综合系统大中型台站的三相电源一级保护。

4.1.2第二级保护在设备集中的楼层的分配电柜或房间的进户电源处安装用户分电源避雷器，

作为电源系统的第二级保护，进一步限制雷电过电压的幅值。

用户分电源避雷器可选用ZGB149B-20或ZGB148B-20ZGB149B-2C主要参数及性能如下：

工作电压AC380V/420V通流容量（8/20卩s）20KA;响应时间w25ns；压敏电压680V;限制电压（8/20卩s）w1.5KV;接线端形式连接；外型尺寸165X145x93mm安装尺寸115X100；有劣化指示和雷击计数；劣化后自动脱离。

适用于进户三相电源的二级保护。

ZGB148B-20的主要参数及性能如下：

工作电压AC220V/240V通流容量（8/20卩s）20KA;响应时间w25ns；压敏电压560V;限制电压（8/20卩s）w1.2KV;接线端形式连接；外型尺寸165X145X93mm安装尺寸115X100；有劣化指示和雷击计数；劣化后自动脱离。

适用于进户单相电源的二级保护。

在雷击活动较少的地区，第二级保护可选用ZGB149A或ZGB148AZGB149A

主要参数及性能如下：

工作电压AC380V/420V通流容量（8/20卩s）20KA;响应时间w25ns；压敏电压680V;限制电压（8/20卩s）w1.5KV;接线柱形式连接；外型尺寸250X160X80mm安装尺寸200;重量2.5kg;有劣化指示。

适用于进户三相电源的二级保护。

ZGB148A勺主要参数及性能如下：

工作电压AC220V/240V通流容量（8/20卩s）20KA;响应时间w25ns；压敏电压560V;限制电压（8/20卩s）w1.2KV;接线柱形式连接；外型尺寸250X160X80mm安装尺寸200;重量2.2kg;有劣化指示。

适用于进户三相电源的二级保护。

4.1.3第三级保护

在直流用电设备的直流电源处安装直流电源避雷器，作为电源系统的第三级保护，进一步对雷电入侵波的涌浪进行抑制，以确保耐压水平较低的直流用电设备的安全。

直流电源避雷器可选用ZGB170-6主要参数和性能如下：

工作电压DC48V通流容量（8/20卩s）5KA响应时间w25ns；压敏电压100V;限制电压（8/20卩s）w0.35KV;端子板形式连接；外型尺寸125X65X50mm；重量0.4kg;有劣化指示。

适用于直流供电设备的三级保护。

第一级脣I

图8电源系统防雷示意图

4.2天馈系统防雷

天馈线系统是通信基站的重要组成部分之一。

天线起着将馈线中传输的电磁波转换为自由空间传播的电磁波，或将自由空间传播的电磁波转换为馈线中传输的电磁波的作用。

而馈线则是电磁波的传输通道。

在多波道共用天馈线系统的通信基站电路中。

由于移动通信基站的天馈部分安装在通信铁塔上，相对周围环境而言，形成十分突出的目标，从而导致雷击概率增多，移动通信基站常常遭受雷害，导致通信设备损坏、系统瘫痪。

4.2.1天馈系统防雷设计

为防止基站铁塔或天线受雷击在馈线上感应出很高的雷电过电压沿馈线窜入机房，在馈线进入机房前，必须增加C点接地（如图9所示），且要求接地线在机房外直接与机房地网就近可靠接地，这样一方面可将直击雷通过馈线引入机房的可能性降低，另一方面还可降低进入机房馈线电缆屏蔽层的电位，缓解后级

的压力。

图9馈线的外屏蔽层在机房外接地

馈线进入机房后，进入收发信机前，应接馈线用SPD从而实现对收发信机

和馈线的瞬态等电位连接，保护收发