線通信基站雷害防護(hù)原理與工程設(shè)計(jì).doc

無線通信基站雷害防護(hù)原理與工程設(shè)計(jì)摘要：本文從雷擊的產(chǎn)生出發(fā)，簡介了基站引入雷害的主要途徑，著重討論了BTS防雷工程的主要措施,以及在移動通信基站工程建設(shè)中雷害防護(hù)的設(shè)計(jì)方法和基本參數(shù)，并列表說明了GSM基站防雷接地系統(tǒng)的構(gòu)成。Analysis of Application of Lightning Protection for BTS StationAbstract:Lightning is the strongest harm for BTS.This paper gives a brief introduction to the principles of lightning protection and makes a detailed analysis of the approaches to application of lightning protection for the BTS.Key words:BTS, lightning protection,grounding connection technology關(guān)鍵詞：基站 防雷 接地0 引言電閃雷鳴是一種自然現(xiàn)象，所釋放出的巨大能量而造成的通信局所和站點(diǎn)中斷，損壞通信設(shè)施，其破壞性和經(jīng)濟(jì)損失都是十分巨大和災(zāi)難性的；在通信行業(yè)競爭日益加劇的今天，雷擊造成通信中斷、系統(tǒng)癱瘓，以及使企業(yè)社會效益所蒙受的影響就更加難以估量。所幸的是，從1749年美國科學(xué)家Franlin研究雷電并發(fā)明避雷針至今，人類對雷擊破壞性的研究和探索，在采取預(yù)防措施方面，已經(jīng)有了一套較成熟的理論，只要掌握規(guī)律，進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)，就能將雷電的危害性降到最低點(diǎn)。移動通信系統(tǒng)包含有無線設(shè)備：機(jī)房、站點(diǎn)、鐵塔、天饋線等，且天饋線系統(tǒng)架設(shè)較高，很容易引入雷電。因此移動通信基站的雷害防護(hù)就顯得尤為重要。1、 移動通信基站引入雷害的主要途徑以負(fù)雷云為例，由于電云負(fù)電的感應(yīng)，使附近地面積累正電荷，地面與雷云之間形成強(qiáng)大的電場，當(dāng)某處積累的電荷密度很大，激發(fā)的電場強(qiáng)度達(dá)到空氣游離狀態(tài)（空氣擊穿）的臨界值時(shí)，雷云便開始向下梯級式放電，接近地面物體達(dá)到一定的距離時(shí)，地面物體在強(qiáng)電場作用下產(chǎn)生尖端放電，形成向雷云方向逐漸向上先導(dǎo)放電，二者匯合形成雷電通路，異種電荷劇烈中和形成很大的雷電流并發(fā)出強(qiáng)烈的閃電和雷擊。其雷害通常有以下幾種表現(xiàn)形式：直擊雷帶電的云層與大地、樹木、建筑物或其它設(shè)施之間的放電，從而使雷電流在建筑物或設(shè)施上產(chǎn)生熱效應(yīng)作用和電動力作用；感應(yīng)雷在直擊雷的放電過程中，雷電流產(chǎn)生靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)作用，強(qiáng)大的脈沖電流在周圍產(chǎn)生瞬時(shí)強(qiáng)磁場，對周圍的導(dǎo)線或金屬物產(chǎn)生電磁感應(yīng)，感應(yīng)電動勢，本質(zhì)上與雷電流陡度有關(guān)，感應(yīng)出的高電壓以致發(fā)生閃擊的現(xiàn)象；雷電侵入波雷電發(fā)生時(shí)，雷電流經(jīng)架空線路或空中金屬管道等金屬物體產(chǎn)生沖擊電壓，隨物體走向而迅速擴(kuò)散，形成危害。在移動通信站點(diǎn)的防雷上，應(yīng)有針對性地認(rèn)識雷電成因和危害，找出基站引入雷害的主要途徑。1.1 電力線或其它架空線引入雷害：移動通信系統(tǒng)的基站的架空纜線，為引入雷害的一個重要途徑之一。一方面架空電力線路在靠近終端時(shí)，主要成分是水平電場；又根據(jù)靜電理論，面電荷分布與曲率半徑的關(guān)系為“”，即表面突出曲率半徑較小處，面電荷密度較大，所以出現(xiàn)在電場中的突出物體最易出現(xiàn)感應(yīng)電荷的集中，使其周圍電場強(qiáng)度顯著增加，架空電力線路或其它架空線的突兀部分就會發(fā)生尖端放電而被雷電擊中，將雷電侵襲的過電壓引入基站機(jī)房，很可能燒毀基站主設(shè)備。另一方面，當(dāng)發(fā)生雷擊放電時(shí)，即使是對地放電，根據(jù)電磁場理論也會在架空電力線路上感應(yīng)出較高的電壓，從而對設(shè)備造成威脅，特別容易引起基站交直流電源盤的損壞；同理，有其它架空線時(shí)也可能產(chǎn)生出類似的感應(yīng)過電壓。1.2 基站鐵塔和天饋線引入雷害：移動通信系統(tǒng)的基站天線一般架設(shè)在較高的鐵塔上，當(dāng)鐵塔超過一定高度之后，受雷擊的概率將顯著增加，根據(jù)原CCITT防雷手冊的資料，鐵塔每年受雷擊次數(shù)的計(jì)算式為：（次/年）其中ng地面落雷密度；C地形系數(shù)，山頂鐵塔取0.10.3，周圍為開闊地及陡坡時(shí)取0.3；否則取0.1；介于之間取0.2；非山頂鐵塔取0.050.1，平地鐵塔取0；H塔所在位置與周圍1Km范圍內(nèi)地平面之間平均差值；h塔高；D年平均雷暴日。當(dāng)鐵塔的避雷針受到直接雷擊時(shí)，雷電流通過鐵塔經(jīng)其接地裝置散流入地會使地網(wǎng)地電位升高，如圖1所示，A點(diǎn)對地電壓，是鐵塔電感，是雷電流，為鐵塔對地電阻，假設(shè)=510-6H，=2，雷電流=40KA，持續(xù)時(shí)間8s，由此可得105KV，如此高的電壓極可能將間空氣擊穿，此高電壓向設(shè)備放電造成損壞。另一途徑是如果天饋線為同軸電纜，在其內(nèi)導(dǎo)體上會感應(yīng)出較強(qiáng)的感應(yīng)電流，整個同軸電纜上的感應(yīng)電流為，如果有條同軸電纜從鐵塔天線進(jìn)入基站機(jī)房，則進(jìn)入合分路單元CDU及收發(fā)信單元TRX的總感應(yīng)電流為（如圖2所示），將可能毀壞BTS設(shè)備。1.3 站點(diǎn)機(jī)房引入雷害：如果機(jī)房位置的海拔高度很高，雖然有避雷針保護(hù)，但有時(shí)直擊雷可能從橫向及側(cè)面發(fā)生，出現(xiàn)所謂繞過避雷針，再側(cè)擊到設(shè)施的繞擊現(xiàn)象。特別地，有時(shí)誤認(rèn)為站點(diǎn)機(jī)房在避雷針保護(hù)范圍之內(nèi)，而未在建筑物頂（或機(jī)房頂）安裝或設(shè)計(jì)避雷帶以形成法拉第籠，會使側(cè)面雷擊發(fā)生概率增加。此外房屋金屬門窗、室內(nèi)走線架等也是雷電二次感應(yīng)的重要途徑。2、 站點(diǎn)防雷接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)電磁理論原理，采取泄流、消峰、均壓、屏蔽等綜合防護(hù)措施，可以將雷害對無線站點(diǎn)的影響最大限度控制，但這些措施都依賴于有效的防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)。大地是導(dǎo)電體，當(dāng)接地電極與大地接觸時(shí)，便會以接觸點(diǎn)為球心形成地電場，球面積，電阻，因此相距接地點(diǎn)越遠(yuǎn)（r越大），越小，使電流能經(jīng)電極迅速向大地?cái)U(kuò)散，一般在離接地點(diǎn)20m以上時(shí)，兩點(diǎn)間便不再產(chǎn)生壓降，成為真正的地電位。2.1 防雷接地系統(tǒng)的構(gòu)成和基本要求：防雷接地系統(tǒng)是由大地、接地電極、接地引入線、地線匯流排、接地配線五部分組成的整體。其中：大地具有導(dǎo)電性和無限大的容電量，是良好的公共地參考電位；接地電極是與大地電氣接觸的金屬帶等，用于使電流擴(kuò)散入地；接地引入線是在接地電極與室內(nèi)地線匯流銅排之間起連接作用的部分；地線匯流排為匯集接地配線所用的母線銅排；接地配線是連接設(shè)備到地線匯流排的導(dǎo)線，如圖3所示。防雷接地系統(tǒng)的要求主要體現(xiàn)在以下兩個方面，接地電阻的要求：接地電阻主要包括土壤電阻、土壤和地電極之間的接觸電阻、地電極自身電阻、接地引下線電阻等，由于后幾種電阻很小，一般可忽略不計(jì)，所以接地電阻主要是指土壤電阻。降低接地電阻是實(shí)現(xiàn)雷電流泄流的關(guān)鍵，雷電流通過單根引下線的全部電壓降計(jì)算公式為其中為電壓降，單位；為雷電流，單位：；為接地裝置電阻，單位 ；為單位長度的電感，約為1.5；為引下線的長度，單位 ；為雷電流的陡度，單位。從公式可以知道在防雷接地裝置中，接地電阻阻值越小，則瞬間內(nèi)沖擊接地電壓降就越小，雷電時(shí)設(shè)施的危險(xiǎn)性就越小。不同設(shè)施對接地電阻的要求稍有差異，移動通信基站基座4、天饋線金屬屏蔽層4、信號避雷器10、電源避雷器4、安全保護(hù)地4、通信機(jī)房1。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要正確規(guī)劃、符合規(guī)范參數(shù)。聯(lián)合接地的要求：IEC（國際電工委員會）和ITU-T（國際電信聯(lián)盟）的相關(guān)防雷接地設(shè)計(jì)規(guī)范中都不再有單獨(dú)接地，而是建立公共地網(wǎng)以防雷，即電源地、工作地、保護(hù)地等在公共地線上連成電氣一體化，以建立零電位參考電平平臺。移動通信基站中，防雷接地為針對雷擊防護(hù)采用的泄流接地；工作接地為直流電源接地；保護(hù)接地為室內(nèi)設(shè)備機(jī)殼接地。2.2 前期勘測，收集資料，試算接地電阻：收集通信站點(diǎn)所在地的地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、土壤性質(zhì)、含水層情況、當(dāng)?shù)乩妆┣闆r等，其關(guān)鍵有：接地電極周圍的土壤電阻率，電阻率季節(jié)修正系數(shù)，具體參數(shù)可參見有關(guān)電力工程手冊等資料，得出不同季節(jié)的土壤電阻率。當(dāng)一定時(shí)，接地電阻就僅與接地電極的形狀、埋設(shè)方式有關(guān)，常用的管形（或板狀）垂直電極的接地電阻為，為電阻率，為電極長度，為電極埋深，為管電極直徑，一般。當(dāng)采用多電極并聯(lián)接地時(shí)，能夠進(jìn)一步降低接地電阻。如果有多接地系統(tǒng)并存時(shí)，那么不同接地系統(tǒng)之間的接地電極至少應(yīng)間距在25m以上，以防止相互產(chǎn)生干擾。2.3 設(shè)計(jì)接地方案，優(yōu)化接地設(shè)計(jì)：接地電極的選擇可以靈活多樣，因地制宜，如水平埋設(shè)溝電極、垂直打入土壤的垂直棒電極、以及多接地電極并聯(lián)形成多極接地體都是常用方案。除此而外，降低土壤電阻率也是優(yōu)化接地設(shè)計(jì)中的一個重要方面，常用的方法，如換土法將接地體周圍14m范圍內(nèi)土壤換為小電阻率的優(yōu)質(zhì)土；層疊法在接地體周圍交替鋪上小電阻率的優(yōu)質(zhì)土壤（或混入木炭）及食鹽68層，澆水夯實(shí)；降阻劑法使用長效降阻劑敷設(shè)填充于電極周圍土壤，可以有效降阻。3、 基站防雷移動通信BTS機(jī)柜主要通過如下途徑與外界相連：電源線與供電設(shè)備連接；傳輸中繼線與BSC連接；饋線電纜（或跳線軟電纜）與天饋系統(tǒng)連接。因此基站的防雷主要是電源防雷、中繼線防雷、天饋線防雷和機(jī)房的防雷四個方面。3.1 電源和電力線防雷：BTS機(jī)柜支持交流220V、直流-48V、直流24V三種電源方式，在防雷方式上主要考慮交流電源防雷設(shè)計(jì)和直流電源防雷設(shè)計(jì)。交流電源防雷設(shè)計(jì)：高壓部分電力局有專用高壓避雷裝置，380V低壓線路按國家規(guī)范分三級進(jìn)行過壓保護(hù)，一級保護(hù)為高壓變壓器后端到樓宇總配電盤間的電纜芯線對地加避雷器；二級保護(hù)為樓宇總配電盤至樓層配電箱間的電纜芯線對地加避雷器；三級保護(hù)為重要、精密設(shè)備以及UPS前端對地加避雷器。BTS設(shè)備的交流防雷主要是防直擊雷和感應(yīng)雷，其交流防雷器基本功能框圖如圖4所示，采用了兩級防雷，電感的作用是抑制電流突變，使壓敏電阻充分發(fā)揮作用，正常狀態(tài)下空開閉合，交流指示燈亮，一旦遭受直擊雷或雷電侵入波，則壓敏電阻呈低阻（短路）特性，空開斷路，指示燈滅。直流電源防雷設(shè)計(jì)：一是-48V直流供電時(shí)，供電設(shè)備直流電源的接地點(diǎn)與通信設(shè)備的接地點(diǎn)位置不同，則雷擊發(fā)生時(shí)有可能在兩點(diǎn)間的瞬時(shí)電位差造成直流電源正極到通信設(shè)備接地點(diǎn)間的浪涌電流；二是供電設(shè)備端接地和通信設(shè)備端接地，若其最終在某點(diǎn)匯集，則直流電源正極線與兩設(shè)備接地線構(gòu)成的閉合環(huán)路將在雷擊的交變磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電流；三是浪涌電流從交流電源線引入經(jīng)一次電源輸送到直流電源線。如圖5所示為直流防雷器功能圖，為三級防護(hù)，最后一級使殘壓鉗位的作用。出入通信站點(diǎn)（局所）的電力纜線，分級保護(hù)要嚴(yán)格按規(guī)范實(shí)施，尤其租用民房時(shí)，交流電力一定要加裝電源避雷箱再引入設(shè)備，通流用量按設(shè)備負(fù)荷選取。3.2 BTS中繼線防雷設(shè)計(jì)：BTS支持的中繼線有75同軸E1、120雙絞線E1、光纖（SDH）等，其中光纖方式為尾纖接入基站，不考慮防雷問題。對于其它方式，防雷將在DDF上實(shí)現(xiàn)，如圖6所示，DDF為鐵質(zhì)，使用時(shí)用粗導(dǎo)線將機(jī)房的地排和DDF的地線連在一起；如果是75同軸電纜，可以將避雷器直接串接上去；如果是120雙絞線，將該中繼線的地線接在DDF的機(jī)殼上，信號線用打線刀打在相應(yīng)位置，由于各連線單元為常開，必須將保安單元插入才能使線路閉合，當(dāng)中繼線上電流大到一定程度時(shí)，保安器自毀斷路，從而達(dá)到保護(hù)BTS設(shè)備的目的。（實(shí)際上，華為BTS除了外加E1線避雷器外，在基站BIE單板內(nèi)也設(shè)計(jì)了專門的防雷保護(hù)電路）。3.3 BTS天饋線防雷：基站天饋線防雷主要在以下三個方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。一是鐵塔（架）：鐵塔頂部天線平臺處，塔身中部及塔基處應(yīng)預(yù)留接地孔，鐵塔為樓頂塔時(shí)，在屋頂防雷引下線或在相同作用的建筑物主鋼筋上分別就近焊接，焊點(diǎn)做防護(hù)處理且要保證連接點(diǎn)的數(shù)量和分散性；鐵塔為落地塔時(shí)，鐵塔應(yīng)建地網(wǎng)，在其四周埋設(shè)鍍鋅扁鋼帶，扁鋼帶每隔打地樁一個（地樁可用的圓鋼），此外還可在鐵塔四角入地埋設(shè)垂直地樁，四角外四周再設(shè)環(huán)形閉合接地體形成多點(diǎn)連接，即地網(wǎng)面積應(yīng)延伸到塔基四角以遠(yuǎn)的范圍，網(wǎng)格尺寸應(yīng)不大于，周邊為封閉式，最后鐵塔地網(wǎng)與機(jī)房地網(wǎng)之間，應(yīng)每間隔相互焊接連通（至少兩處相互連通）。當(dāng)不建鐵塔而直接采用抱桿安裝天線時(shí)，每根抱桿應(yīng)分別接至樓頂避雷帶，焊點(diǎn)作防銹蝕處理；樓頂避雷帶有嚴(yán)重銹蝕損壞，或其引下線、地網(wǎng)情況無詳細(xì)設(shè)計(jì)資料時(shí)，最好用地阻儀測量，必要時(shí)須另設(shè)地網(wǎng)和避雷引下線。二是天線的安裝方面：移動通信天線應(yīng)有防直擊雷的保護(hù)措施，如天線鐵塔設(shè)避雷針與塔可靠焊接，確保避雷針有良好的接地線，以保證雷電流泄放；天線安裝的位置應(yīng)在避雷針的保護(hù)區(qū)內(nèi)，其保護(hù)區(qū)如圖7所示，保護(hù)角取，多數(shù)保護(hù)設(shè)計(jì)取。三是饋線問題：饋線屏蔽層應(yīng)在塔頂、離開塔身的轉(zhuǎn)彎處、進(jìn)入機(jī)房前等處妥善接地，實(shí)際施工中如果塔不是太高，塔頂一點(diǎn)可不予考慮；但如果饋線較長（如超過），則相應(yīng)增加接地點(diǎn)，實(shí)際工作分為兩個基本原則：一是在離兩種不同物質(zhì)接口或拐彎1.5m-2m處接地；二是直線長度超過45米處接地，原則上不能直接利用塔梯作為接地點(diǎn)；饋線進(jìn)入室內(nèi)加裝避雷器時(shí)，避雷器應(yīng)盡可能靠近進(jìn)入建筑物的入口處（一般在，），同時(shí)注意避雷器的安裝方向，設(shè)備端與防雷端不能裝反；室內(nèi)走線架應(yīng)每隔接地一次，走線架接地處應(yīng)除去防銹漆才裝接地線，接好后再涂上防銹漆；饋線接頭和饋管接地處要做防水處理，先裹半導(dǎo)電自溶膠（防水膠）、然后是密封膠（自溶膠）、最后再裹PVC絕緣膠，纏繞防水膠帶時(shí)，首先應(yīng)從下往上逐層纏繞、然后從上往下逐層纏繞、最后再從下往上逐層纏繞，上一層覆蓋下一層三分之一左右，這樣可防止雨水、濕氣滲漏，影響接地效果；避雷接地夾接地線引向應(yīng)由上往下，順勢引出，與饋管夾角以不大于為宜，不可成U型直彎形狀。此外CDU除外加的天饋避雷器，本身也內(nèi)置有扼流電感。3.4 站點(diǎn)機(jī)房防雷：機(jī)房單獨(dú)建設(shè)時(shí)，機(jī)房屋頂應(yīng)設(shè)避雷網(wǎng)，形成“準(zhǔn)法拉第籠”，其網(wǎng)格尺寸不大于，并與屋頂避雷針（帶）按間距一一焊接連通。機(jī)房屋頂四角設(shè)避雷電流引下線，該引下線可用鍍鋅扁鋼，其上端與避雷帶、下端與地網(wǎng)焊接連通。機(jī)房屋頂上其它金屬設(shè)施分別就近與避雷帶焊接連通。機(jī)房為租用民房時(shí)，應(yīng)找到房屋本身的接地引下線或建筑物中起防雷作用的主鋼筋，用鍍鋅扁鋼焊接引入機(jī)房周圍形成一圈密閉接地環(huán)。一般是建筑物的主鋼筋上端與樓頂避雷網(wǎng)、下端與聯(lián)合接地網(wǎng)、中