08.移動通信基站防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)1

1、移動通信基站防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書眾所周知，雷電具有很強(qiáng)的破壞性，主要有直接雷、雷電感應(yīng)、雷電波侵入和地電壓反擊四種形式。由于移動通信基站的天線設(shè)備不僅安裝在建筑物頂上，而且還有相當(dāng)一部分安裝在鐵塔上，相對周圍環(huán)境而言，形成十分突出的目標(biāo)，從而導(dǎo)致雷擊概率增多，移動基站常常遭受雷害，導(dǎo)致通信設(shè)備損壞、通信中斷。盡管我們采取了各種各樣的防雷措施，耗費(fèi)了大量人力財力，每年雷害造成的損失仍然很大。怎樣才能有效地預(yù)防雷害，確保移動通信基站設(shè)備和工作人員的安全呢？幾年來的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)告訴我們：必須根據(jù)每個基站的實(shí)際情況設(shè)計(jì)移動通信基站的防雷接地系統(tǒng)，實(shí)施基站針對性防雷。一、 找出移動基站雷害的隱患移動基站防

2、雷是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，過去我們按照經(jīng)典的防雷理論，為了提高基站防雷系統(tǒng)的泄流能力，選用了80kA甚至100kA的大型防雷器，但是防雷效果卻不令人滿意，而且防雷器都是監(jiān)測合格的入網(wǎng)產(chǎn)品。經(jīng)查，是工程師沒有按照基站的實(shí)際情況設(shè)計(jì)防雷系統(tǒng)。調(diào)查通計(jì)所發(fā)生雷擊事故，得出一條重要數(shù)據(jù)：基站內(nèi)設(shè)備被直接雷和雷電感應(yīng)破壞的概率為零。這是因?yàn)榛驹O(shè)備（包括基站室外電力變壓器）的位置普遍較低，完全處于建筑防雷設(shè)施或鐵塔以及架空線路避雷系統(tǒng)的保護(hù)之下，雷電流只能沿鐵塔避雷系統(tǒng)、架空線路避雷系統(tǒng)和建筑防雷等外圍的避雷系統(tǒng)泄放，所以基站設(shè)備很難遭到直接雷損害。另外基站內(nèi)的設(shè)備外殼、天饋線、走線架等金屬物全部安裝了保

3、護(hù)接地，再加上與室外的雷擊點(diǎn)和避雷器接地引線有足夠的距離，所以雷電感應(yīng)也很難發(fā)揮作用。幾年來雷擊事故的主要現(xiàn)象為：基站B級防雷器保護(hù)空開動作，部分單相交流設(shè)備和直流設(shè)備損壞。我們從中不難看出地電壓反擊和雷電波侵入是造成基站設(shè)備損壞的主要原因。所以基站防雷系統(tǒng)應(yīng)以防止地電壓反擊和雷電波侵入為主要目標(biāo)。二、防止地電壓反擊 地電壓反擊是當(dāng)雷電流沿基站附近的避雷器對地泄放時，由于接地電阻的存在引起基站的地電位升高，基站直流負(fù)荷如BTS電源、開關(guān)電源的監(jiān)控單元、基站的動力環(huán)境監(jiān)控器等設(shè)備相對遠(yuǎn)端地一般都存在寄生電容，這些設(shè)備一端與工作接地相連，無流的遠(yuǎn)端地與基站的工作接地間存在電位差，因而產(chǎn)生差模脈沖電

4、壓，當(dāng)超過設(shè)備的容許限度時必然造成設(shè)備的損壞?；镜膯蜗嘟涣髫?fù)荷如基站空調(diào)、照明等設(shè)備的零線接在變壓器的交流地上，當(dāng)雷電流沿基站附近的避雷器對地泄放時，變壓器的交流地和交流重復(fù)接地的電位也會升高，因此基站的單相交流設(shè)備也同樣存在地電壓反擊的問題。 基站設(shè)備接地的簡單等效電路，我們把基站設(shè)備與接地有關(guān)的電路簡單等效為線路電阻、線路寄生電感（可忽略不計(jì)）、線路負(fù)載（如傳感器、BTS、空調(diào)、燈具等）終端對遠(yuǎn)端地的寄生電容組成的串聯(lián)回路。假設(shè)基站的沖擊接地電阻R為2歐姆，防雷器對地的泄放電流為2kA，這時基站的接地排的瞬間電壓為U=I.R=4kV，負(fù)載兩端的瞬間浪涌電壓可達(dá)4kV，如不采取措施，必然造

5、成設(shè)備損壞。三、因地制宜消減反擊電壓 如何避免地電壓反擊造成的損失？我們一般很自然會想到使用交流過壓保護(hù)器和直流浪涌抑制器，即在交流變壓器的低壓側(cè)、基站交流配電箱的地零間加裝交流過壓保護(hù)器；在直流負(fù)載的電源輸入端加裝浪涌抑制器。所有交流過壓保護(hù)器和直流浪涌抑制器必須靠近被保護(hù)的設(shè)備安裝，避免被保護(hù)設(shè)備由于接地或電源引線過長引起脈沖反射。另外一個非常重要的問題就是將基站的工作接地與室外避雷器接地在基站地網(wǎng)上的引接點(diǎn)分開焊接，這樣可以大大降低基站工作接地母排的電壓浪涌幅值。我們知道，雷電電流沿地網(wǎng)泄放時，在避雷器引下線與地網(wǎng)連接點(diǎn)附近土壤內(nèi)形成一個強(qiáng)電位場，距離越近電壓越高，將基站工作接地與室外避

6、雷器接地分開，可以大大降低基站的反擊電壓。所以YD506898移動通信基站防雷與設(shè)計(jì)規(guī)范明確指出：基站工作地與防雷地在基站聯(lián)合接地網(wǎng)上的引接點(diǎn)距離不應(yīng)小于5m，條件允許時宜間距10m15m。實(shí)際上除電力線路外，基站的鐵塔遭雷擊次數(shù)最多，與鐵塔共用接地網(wǎng)的基站經(jīng)常受到地電壓反擊的損害，如果鐵塔地網(wǎng)邊緣距離基站大于5m，應(yīng)在基站附近另建環(huán)形工作接地網(wǎng)；條件差的基站可以沿鐵塔地網(wǎng)與工作接地的引接線補(bǔ)設(shè)接地樁；只能利用鐵塔地網(wǎng)的基站也應(yīng)把鐵塔避雷接地的引接點(diǎn)與工作接地的引接點(diǎn)分別安裝在對角塔基上。對于山頂基站尤其應(yīng)注意將基站的工作接地與鐵塔避雷接地及基站室外接地分開，因?yàn)樯巾敾镜慕拥仉娮栎^大，接地引

7、線較長，雷電流泄放相對緩慢，所以地電壓反擊比較嚴(yán)重。 降低接地電阻也有利于防止反擊事故。接地電阻較大的山上基站，可利用塔基鋼筋、蓄水池、無爆炸電擊危險的金屬管路等自然接地體降低接地電阻，埋設(shè)地樁有困難的山上基站也可以從塔基沿山體的自然溝壑（最好選擇陰暗潮濕的地方），制作橫向輻射接地網(wǎng)，輻射接地網(wǎng)長度應(yīng)小于30m，塔基四周輻射的橫向接地網(wǎng)越多越有利于雷電散流。四、適當(dāng)選用電源線路保護(hù)空開防止雷電波侵入 壁雷器的響應(yīng)特性有軟硬之分：氣體放電管和火花間隙防雷器是基于斬弧技術(shù)的角形火花隙和同軸放電火花隙，當(dāng)線路電壓超過防雷器的擊穿電壓后，防雷器的絕緣電阻急劇下降，放電能力較強(qiáng)，殘壓相對較高，恢復(fù)電壓低

8、于原來的擊穿電壓，屬于硬響應(yīng)特性；屬于軟響應(yīng)特性的是壓敏電阻和浪涌抑制二極管，其特點(diǎn)是響應(yīng)時間短，放電電流小，殘壓低而且恢復(fù)電壓基本不變。避雷器的直流1mA參考電壓是我們選擇避雷器的絕緣要求，硬響應(yīng)的防雷器的工頻后續(xù)電流和防雷器絕緣劣化可能造成線路短路，所以防雷器前面應(yīng)該配置過流保護(hù)空氣開關(guān)或熔絲，其額定電流應(yīng)小于防雷器的最大短路允許強(qiáng)度。如果主電路保護(hù)空開大于防雷器的最大保險絲強(qiáng)度，應(yīng)設(shè)避雷器分路保護(hù)空開。 雷電波的脈沖寬度為納秒級，所以一般防雷器均以響應(yīng)時間達(dá)到納秒為標(biāo)準(zhǔn)，有人就把基站的防雷系統(tǒng)按照納秒級防雷時間進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如在C級防雷器上加裝了很小的保護(hù)空開如20A或32A，認(rèn)為這樣既防

9、雷又安全。實(shí)際上，在所有基站設(shè)備發(fā)生過壓損壞的雷擊事故中，由于防雷器保護(hù)空開的斷路作用，防雷器并沒有完全起到泄放雷電、限制電壓的作用。這種事例從反面證實(shí)了應(yīng)該選用較小設(shè)備的保護(hù)空開，并且使防雷器緊靠被保護(hù)設(shè)備安裝，使被保護(hù)設(shè)備與防雷器具有相同的安全級別。 納秒級的雷電波在對地泄放中產(chǎn)生的地電壓反擊和雷電波侵入作用時間可能被延長級甚至更長，我們在選用防雷器和設(shè)備的保護(hù)空開時，應(yīng)根據(jù)防雷器的最大允許熔絲電流和線路的進(jìn)線允許短路電流以及設(shè)備的負(fù)荷電流綜合考慮，一般應(yīng)按如下標(biāo)準(zhǔn)選擇： 設(shè)備的總保護(hù)空開額定電流>設(shè)備的負(fù)荷電流； 設(shè)備的總保護(hù)空開額定電流<=防雷器的最大允許熔絲電流；設(shè)備的總

10、保護(hù)空開額定電流<<電路進(jìn)線的允許短路電流。五、實(shí)現(xiàn)分級防雷 防雷器的殘壓是保護(hù)基站設(shè)備的重要參數(shù)，一般來講，泄流能力強(qiáng)的防雷器，響應(yīng)時間長，殘壓高。世界上沒有任何一種防雷器能滿足所有混合雷電沖擊波、殘壓以及響應(yīng)時間指標(biāo)的要求，所以應(yīng)根據(jù)下面表1中基站電源設(shè)備的絕緣等級劃分防雷層次，實(shí)現(xiàn)多級防護(hù)，對雷電能量逐級減弱，使各級防雷器殘壓相互配合，最終使過電壓值限制在設(shè)備絕緣強(qiáng)度之內(nèi)。應(yīng)結(jié)合YD507898通信工程電源系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)定和基站的實(shí)際情況，從交流電力網(wǎng)高壓線路開始，根據(jù)基站主要電源配套設(shè)備的耐雷電沖擊指標(biāo)和防雷器殘壓要求，采取分級協(xié)調(diào)的防護(hù)措施，進(jìn)行基站的防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。具體基

11、站主要配套設(shè)備的耐雷電沖擊指標(biāo)和防雷器殘壓要求如表1所示。 表1 基站主要配套設(shè)備的耐雷電沖擊指標(biāo)和防雷器殘壓要求 防雷級別基站設(shè)備名 稱額定電壓（V）模擬雷電沖擊波（1.2/50us)電壓峰值(kV)模擬雷電沖擊波(8/20us)電流峰值(kA)避雷器殘壓峰值要求值(kV)直流1mA參考電壓(V) 備 注A電力變壓器10000>=75>=20<=45 5 23000變壓器高壓側(cè)B電力變壓器交流穩(wěn)壓器220/380>=6>=3<=2.6 1.5600/1200變壓器低壓側(cè)和低壓供電進(jìn)戶端C交流配電箱220/380>=4>=2<=1.3 1.

12、5600/1200基站內(nèi) D開關(guān)整流器220/380>=2.5>=1.25<=1.3 1.5600/1200基站開關(guān)電源、空調(diào)E直流配電屏48>=1.5>=0.75安裝在直流屏后、直流設(shè)備前 實(shí)現(xiàn)各級防雷器的能量分配與電壓配合的要點(diǎn)在于利用兩級防雷器之間線纜本身的感抗。電纜本身的感抗有一定的阻礙電流及分壓的作用，使雷電流更多地被分配到前級泄放。當(dāng)保護(hù)地線與其它線纜緊貼敷設(shè)或處于同一條電纜之內(nèi)時，要求兩級防雷器之間線纜長度在15m左右，當(dāng)防雷器接地線與被保護(hù)電纜有一定距離（>1m）時，要求線纜長度大于5m即可。在一些不適合采用線纜本身作退耦措施的，如兩級防雷器

13、靠近或線纜長度較短時，可利用專門的退耦器件，此處沒有距離方面的要求。 當(dāng)電力變壓器在站內(nèi)時，在變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)的三相線應(yīng)分別對地加裝無間隙氧化鋅避雷器，作為供電線路的A級和B級過電壓保護(hù)；當(dāng)220/380V低壓供電線路直接進(jìn)入基站時，應(yīng)首先進(jìn)入一樓進(jìn)行B級過電壓保護(hù)，在一樓設(shè)置B級過電壓保護(hù)有困難時，應(yīng)在機(jī)房所在樓層配電箱處設(shè)置B級過電壓保護(hù)，此時須保證B級與C級電源避雷器之間的供電線路有15m以上的距離，以確保B級避雷器的正常響應(yīng)。如果距離太近，勢必造成C級防雷器響應(yīng)超前于B級防雷器，B級防雷器沒動作，C級防雷器可能被燒毀?；镜慕涣鞣€(wěn)壓器應(yīng)該安裝在B級防雷器的后面，C級防雷器的前面。

14、市電進(jìn)入基站機(jī)房后，應(yīng)在機(jī)房內(nèi)配電箱的輸出端加裝相應(yīng)的C級電源避雷器，C級電源避雷器技術(shù)參數(shù)如下： 雷電通流量>=2kA; 響應(yīng)時間<=25ns; 殘壓峰值<=1.3kV(標(biāo)稱放電電流為1.5kA等級)。 為了進(jìn)一步防止雷電過電壓的危害級當(dāng)供電線路發(fā)生故障時造成的危害過電壓，需在開關(guān)電源等交流負(fù)荷電源進(jìn)線端的空開后加裝D級防雷器，在直流配電屏的輸出端上安裝浪涌吸收裝置（直流避雷器），作為電源線路的E級過電壓保護(hù)，并在直流負(fù)荷設(shè)備的電源入口處安裝浪涌吸收裝置。 對于雷害嚴(yán)重的地區(qū)或有雷害史的移動通信基站可考慮多加裝一級交流電源避雷器，確保供電線路的防雷安全。交流配電箱、開關(guān)電源

15、等所有負(fù)荷設(shè)備的內(nèi)部防雷器接地端子應(yīng)與機(jī)殼就近連接。如果負(fù)荷設(shè)備的內(nèi)部防雷器與上一級避雷器之間的距離太近，無法達(dá)到15m，則負(fù)荷設(shè)備的內(nèi)部防雷器則可采用串聯(lián)型避雷器，即去除耦合電感。六、“3+1”防雷器更適合于基站電源系統(tǒng) 防雷器連接形式與基站低壓供電系統(tǒng)保護(hù)相符合，也是基站防雷不容忽視的問題。目前基站的交流電源無論是自建變壓器還是轉(zhuǎn)供電都屬于TT系統(tǒng)，過去我們通常使用4x1防雷器，即四只相同的防雷器分別接在相線和中性線上，盡管防雷器具有較強(qiáng)的放電能力，但是超載并不能完全排除，其后果是產(chǎn)生LPE間的漏電流，另外設(shè)備或線路的絕緣故障也同樣產(chǎn)生LPE間的漏電流。由于TT系統(tǒng)的接地電阻較大，漏電流不

16、能很快使線路保險熔絲或空開斷開，共用基站接地排的設(shè)備外殼可能帶電，危及人身和設(shè)備安全。排除這個隱患的最佳辦法就是使用“3+1”方案。使用該方案應(yīng)首先給相線和中性線分別接入三個與前面相同的防雷器，在地和中性線之間接入一個總和電流防雷器。當(dāng)相零間防雷器出現(xiàn)漏洞時，漏電流通過中性線回到變壓器，由于中性線電阻較小，所以經(jīng)過一個短暫的時間，防雷器的熱敏開關(guān)斷開這個漏電流。另外，當(dāng)出現(xiàn)地電壓反擊時，地和中性線防雷器之間的防雷器動作很快，可以更有效地保護(hù)單相電源設(shè)備。 眾所周知：U=L .di/dt，線路寄生的電感量與線路長度成正比，與線路的彎曲正相關(guān)，只有降低線路的寄生電感，才能降低雷電流泄放路徑中產(chǎn)生的電壓，因