移动基站整体防雷解决方案.doc

移动基站整体防雷方案移动基站整体防雷解决方案目 录一、 前言二、 基站基本防雷设施情况简介三、 设计指导思想和理论依据四、 基站整体防雷总述五、 电源系统的避雷与过压保护六、 天馈线系统的过压保护七、 中继传输系统的过压保护八、 接地系统的改造一、前言 移动通信基站通常处于易遭受雷害的环境，为了防止移动通信基站遭受雷害，确保基站内设备的安全和正常工作，确保建筑物、站内工作人员的安全，提高网络运行的安全系数，实施移动通信基站的整体防雷与接地工作是十分重要的。二、 基站基本防雷设施情况简介我公司工程技术人员利用长期为移动通信服务的机会，勘察了相当部分有代表性的基站现场，结合移动公司提供的资料和现场勘察调研的情况，将基站的防雷基本现状总结如下： 1、外部防雷系统和接地系统 全部基站应建有外部防雷系统，包括富兰克林接闪体和引下线，符合规范要求并处在正常工作状态。接地系统需符合行业标准。 2、机房内的接地线路在机房内设立接地汇流排，分别连接到开关电源的直流参考地、设备及走线架保护地、交流地和馈线屏蔽接地。 3、电源系统高山站和郊区站的电力线多为架空引入，交流屏和整流器经常被雷击。开关电源配套相应的电源电涌保护器。 4、天馈系统和数字中继系统 基站包括TACS、GSM900和GSM1800三种类型，依照行业规范要求应作好馈线屏蔽层三点接地，一般基站只作了首末两端接地。几乎所有的馈线均未安装馈线电涌保护器。 基站的数字中继系统分为光纤传输、微波传输、PCM同轴电缆传输三种方式，需安装了信号电涌保护器。 5、基站情况 完善基站的外部防雷和接地系统，应根据实际情况进行综合治理，相应增加对感应雷的防护措施。三、设计指导思想和理论依据 移动基站的整体防雷工程是一项要求高、难度大的综合工程，涉及多方面的因素，需要针对不同的系统分别加以保护，又要考虑多个系统的协调工作，在工程中不能造成对系统的任何影响。因此，在遵守国家和信息产业部有关规范的基础上，引入国际电工委员会的先进防雷技术和标准要求，以达到更好的防护效果。国际电工委员会过电压技术委员会（IEC/TC-81）是权威的国际性标准组织，其防雷技术综合了各国防雷技术的精华，制订的防雷规范对世界各国具有指导意义。本方案参考IEC-61024（建筑物防雷）和IEC-61312（雷电电磁脉冲的防护）的核心内容而制定。标准中，重点提出了防雷分区和等电位连接的概念，根据雷击在不同区域的电磁脉冲强度划分防雷区，并在不同的防雷区界面上进行等电位连接，能直接连接的金属物就直接连接，不能直接连接的如电力线和通信线等，通过不同的避雷器进行等电位连接。实践证明这种分区分级等电位连接的防雷方案是最好的解决问题方法。IEC-1312指出，防雷区是指闪电电磁环境需要限定和控制的区域。各区以在其交界处的电磁环境有无明显改变作为划分不同防雷区的特征。LPZ 0-A 区：本区内的各个物体都可能遭到直接雷击，因此各物体都可能到导走全部电流。本区内的电磁场没有衰减。LPZ 0-B区：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，但本区内电磁场没有衰减。LPZ 1区 ：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流往各导体的电流比0-B区进一步减小，本区内的电磁场也可能衰减，这取决于屏蔽措施。LPZ 2 区 ：根据需要进一步的减小所导引的电流和电磁场，就应引入后续防雷区LPZ 2 。根据防雷分区的概念，结合基站的基本情况，基站的电源系统和信号中继系统都处在LPZ 0-A和LPZ 0-B之间，天馈系统处于LPZ0-B和LPZ 2之间，根据基站防雷区的划分情况，应在分区界面上选择安装符合IEC规范要求的电涌保护器，以将雷电电磁强度逐级降至最低。LPZ 0-ALPZ 0-B雷击天馈线引入LPZ 1监控LPZ2照明LPZ 3LPZ 0-BLPZ 0-B接地均压环电源线路引入LPZ 1信号线路引入墙体钢筋 电涌保护器（直击区） 电涌保护器（感应区）图一、雷电电磁分区及等电位连接示意图设计依据以下标准和规范：(1) 中华人民共和国信息产业部标准移动通信基站防雷与接地设计规范YD5068-98；(2) 中华人民共和国信息产业部标准通信工程电源系统防雷技术规定YD5078-98；(3) 原邮电部标准通信局（站）接地设计暂行技术规定YDJ26-89(4) 国家标准建筑物防雷设计规范GB 50057-94；(5) 原邮电部标准微波站防雷与接地设计规范YD 2011-93；(6) 国际电工委员会（IEC）标准Protection of Structures against Lightning IEC 61024；(7) 国际电工委员会（IEC）标准Protection against Lightning electromagnetic impulse(雷电电磁脉冲的防护) IEC 61312；(8) 国际电信联盟ITU-T SG5相关建议书：K.11（过电压和过电流保护的原则），K.27（电信大楼内的连接结构和接地），K.34（电信设备电磁环境条件分类），K.35（远端小型机房的连接结构和接地），K.40（电信中心对雷电电磁脉冲的防护）。四、基站整体防雷总述移动基站是由电源系统、接收发射系统、天馈线系统、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。基站所处环境的不同，雷击的季节和强度都不一样，所以将需保护的基站作为一个整体，堵塞所有的雷击入侵渠道，实行分区和等电位连接的原则，在工程实施中按规范执行，才能起到全面的保护效果。根据防雷分区的概念可以知道，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，作好屏蔽措施，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就成了雷击的主要通道。作好穿越防雷区的线路上的防雷，无疑是整体防雷的重点。外部接闪体承担大部分的雷电电磁的能量，是整个防雷系统中的最重要一环，表面看起来其同内部防雷区没有关联，但是，强大的下地电流产生的电磁场能在进入内部防雷区的线路上感生出强电势，破坏内部设备。当然，闪电在空中直接接闪时，更会在线路上直接感应到电势差，产生瞬间过电压和过电流。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可通过接地系统。当雷击在地网附近，雷电流通过接地线下地，地网瞬间的高电位可能通过接地线反击设备，造成破坏。由此可以得出，防雷不仅仅包括避雷针和避雷器，还包括屏蔽与接地等其它有助于减少电磁强度的措施。IEC /TC-81将整体防雷总结为：DBSE技术即分流（Dividing）、均压（Bonding）、接地（Earthing）、屏蔽（Shielding）四项技术的综合。如果从设计阶段开始综合考虑四项措施，严格符合基站防雷接地规范，就能起到理想的防护效果。在工程实施中，四项核心技术必须贯穿始终。而有的基站为非标准机房，为租借的普通建筑，屏蔽措施无法达到要求，再整改加强屏蔽不大现实，只有从合理安装电涌保护器器、改善接地系统等角度入手解决问题。五、电源系统的防雷与过压保护 由于电力线大多架空铺设，受雷击或感应的机会相当大，基站电源系统发生的雷电事故也较多。除此之外，位于郊外的基站供电属于TT系统，电网电压波动大，易造成过压损害用电设备。因此电源系统防避雷及过压保护是首要解决的问题。但国家对高压系统的避雷保护有专门规定，归属电力部门负责，因此本方案只针对拉入基站机房内的低压电力线进行保护设计。YD5068-98规范中第3.1.9明文规定要求在低压电力线进入交流屏前，安装可靠的防雷器件，但并未涉及具体需防护雷电的级别和能量的配合。而国际电工委员会防雷技术组织（IEC/TC81）的国际通行规范IEC61312-1给出了防雷保护区概念，并对各级避雷器提出具体技术要求。根据IEC的统计，自然界中首次雷击电流幅值超过200KA的机率不到1%，首次雷击电流波形为10/350s（分别指波头和半值时间）。由于外部防雷的接闪和电磁的衰减，约有50%的雷电能量入地，因此IEC-1312规定了作为处在LPZ 0-A 和LPZ 0-B 防雷区之间的首级避雷器的放电流，应达到15KA （10/350s）。考虑到符合电气安全的设备，其耐过压能力一般是工作电压的2-3倍，因此作为最内部的防雷器的残压要求在600V左右，对精细的电子设备要求更低。由于雷击的强度与设备的耐压水平悬殊，IEC经过实践证明只有分级保护才能达到这一要求。根据设备的不同位置和耐压水平，可将保护级别分为三级或更多。根据多数基站配电的情况未经屏蔽的供电线路穿越各级防雷区，结合设备耐过压能力，采取符合国内和国际规范通行的两级防雷能够达到保护目的。对于部分雷击频繁强烈的地区，可适当增加分级分区的数量。5.1 第一级采用法国CITEL公司的“3+1”电源电涌保护箱：HDS150E/31，即3个DS150E-400分别由三根相线对中线安装，再加上一个DS100EG-600，连接中线和地线。这样可以进行共模、差模的全面保护。第一级电源电涌保护箱固定安装在基站电源总进线开关处，对地并联在三根相线和中线上，直接用25mm2铜缆接地至防雷地汇流排，并不通过交流配电屏接地。这样可防范8/20s、140KA的雷电波，达到最大感应雷防护标准。电涌保护器具有遥控监测触点和损坏报警指示，配合雷击计数器，具备了移动基站防雷技术规范所有功能要求。 HDS150E-N /31技术参数： 产品型号HDS150E-N /31网络类型380V/三相最大持续工作电压Uc440Vrms漏电流（Un时）Ic1mA额定放电电流（8/20s脉冲）In70kA最大放电电流（8/20s脉冲）Imax140kA保护电平Up900V（Iimp时）保护模式共模差模响应时间Tr25ns遥信接点250V/2A电涌计数器4位可存储工作温度-40/+85体积（高宽深）500350150mm35.2 根据IEC 364-4-442，为防止变压器高压侧某一相对变压器壳短路，造成用户侧相线对地产生持续高电势差，建议第二级采用法国CITEL公司的“3+1”电源电涌保护器DS44S-400/G，即3个DS40S-400分别由三根相线对中线安装，再加上一个DS30GS-500，连接中线和地线。这样可以进行共模、差模的全面保护电源第二级电涌保护器安装在交流配电屏处，通过交流配电屏可靠接地（参阅图二），同时具有遥控监测触点和损坏指示窗口，插拔模块结构可以进行不断电的更换操作，标准DIN 导轨安装，也可直接在交流屏内安装。 DS44S-400/G技术参数： 产品型号DS44S-400/G网络类型220V/单相最大持续工作电压Uc440Vrms额定放电电流（8/20s脉冲）In20kA最大放电电流（8/20s脉冲）Imax40kA保护电平Up2kV保护模式共模响应时间Tr25ns遥信接点250V/2A工作温度-40/+855.3 现场第一级电涌保护器与第二级电涌保护器的安装点小于技术要求的10米距离，作为退耦器件，在基站不具备线路施工条件时，可考虑安装专用退耦器。为配合电涌保护器工作，可选用DSH35 来协调两级电涌保护器的能量分配。L1 总开关箱 节点距离10m 交流配电屏L2 开 关L3 电 源N HDS150E/31 DS43S-400 DS30GS-500 雷击计数器CF 01PE图二、 电源系统防雷示意图（标准配置）5.4 在部分内部屏蔽措施不得力，或基站设备距离开关电源距离较长的基站，可以选择安装电源第三级直流电涌保护器DS210-48DC，抑制前级较高的残压对后端弱电设备的干扰。安装在开关电源直流输出处，通过直流配电屏接地，或者直接安装在基站设备和传输设备的电源输入端。 DS210-48DC技术参数： 产品型号DS210-48DC额定直流电压48V 额定交流电压40V最大直流电压56V额定放电电流（8/20s脉冲）In1kA最大放电电流（8/20s脉冲）Imax2kA保护电平Up180V响应时间Tr25ns工作温度-40/+85六、天馈线系统的过压保护YD5068-98规范第3.3条规定，基站天线必须在接闪体的保护范围内，同时依照第3.3.2条规定作好馈线屏蔽层的三点接地。同轴馈线电缆与天线相连，从铁塔或支撑架上引入机房，注意接闪体的引下线要与馈线相隔一定距离。馈线作为雷击感应的主要通道，应在馈线进入室内的防雷区LZP 0-1界面处，安装同轴馈线电涌保护器。6.1 由于移动基站的工作环境比较恶劣，大多数是无人值守机房，根据基站设备的实际情况，选择CITEL公司的PRC822S-716/MF宽频馈线电涌保护器。安装在走线架上、主馈线与下跳线之间的7/16 DIN接口处，通过屏蔽层可靠接地。此类馈线电涌保护器具有寿命长、损耗低、免维护、高功率等特点，有别于传统的气体放电式馈线电涌保护器。PRC822S-716/MF馈线电涌保护器技术参数：产品型号PRC822S-716/MF功率峰值（W）2500阻抗（）50频率（MHz）8002200插损0.15dB驻波比10重量（g）856环境温度（）-40/+85连接方式7/16 male/female6.2 良好的馈线屏蔽层接地是保证电涌保护器工作的基础。行业规范对接地作了严格的三点接地的规定，即馈线上部（馈线顶端与天线接口处）、下部（馈线在铁塔下部折弯前）和经走线架进机房处都要可靠接地。对于超过30米长的馈线或铁塔高度 60米时，依据规范要在铁塔中部增加接地点。基站馈线上部接地下部接地入室处接地 PRC822S-716/MF 防雷接地汇流排图三、天馈线防雷接地示意图七、中继传输系统的过压保护基站的中继系统的传输有三种形式，光纤、微波和PCM电缆，其传输的通道处于LPZ 0和LPZ 1防雷区之间，也是引入雷电波的通道，因此中继传输线路的防雷是整体防雷中不可缺少的部分。YD5068-98规范第3.4条规定在信号电缆进站处加装信号电涌保护器。7.1 光纤由于其传输信号的特殊性，不受雷电干扰，光端机电源得到保护后，做好屏蔽铠甲的接地就可以达到良好的防护效果。7.2 PCM电缆中继线是雷击感应的重点，根据基站地处环境差别大，信号电压低、易干扰等因素，选用尤其能适合于恶劣环境、性能优越的信号电涌保护器：法国CITEL公司的CXC06-B/MF或DL-12D3，安装在中继线入户处、DF架的接口前，并就近接地到防雷接地汇流排。CXC06-B/MF和DL-12D3依据防雷分区的概念，在同一电涌保护器内实现粗保护和精细保护，具有频带宽、插入损耗低、放电流大的优点。CXC06-B/MF技术参数：产品型号CXC06-B/MF标称电压(Un)6V最大持续工作电压(Uc)8V数据传输速率16Mbit/s标称放电电流(In)2.5kA（线对外壳）10kA（外壳对地）电压保护水平25V频率范围0-70MHz驻波比1.35插损0.6dB连接方式BNC (阴头) BNC (阳头)DL-12D3技术参数产品型号DL-12D3保护通道1通道最大线电压12V残压30VI/O连接接线柱额定放电电流（10个8/20s脉冲）10kA最大放电电流（1个8/20s脉冲）20kA7.3微波中继设备采用了比较特殊的接口方式，由于微波的传输频率较高，具有一定的对雷电衰减的能力，在规范中未涉及此项内容，根据实际经验，将微波馈线（信号电缆）全屏蔽并根据接口不同情况安装信号或馈线电涌保护器即可。八、接地系统所有电涌保护器的保护原理是在雷击瞬间保证设备、大地、建筑物及其附属设备之间构成等电位体，从而避免过电压的损害，其中最关键的就是接地系统。从防雷保护的原理不难理解，等电位的构成需要各系统共同接地，否则可能因为地电位反击而形成二次破坏效应。YD5068-98规范中第4.1条明确指出：基站使用联合接地网。8.1 理想的接地装置（包括从接闪器、接地线到接地体）是没有电阻的，当雷击时，不论雷电流有多大，接地装置上任何一点对大地的电势差为零，这样对人和设备是绝对的安全。事实上这样的接地装置是不存在的，而在实际工程中，就要求接地阻值应尽可能地小，规范YD5068-98要求，基站地接地电阻值一般应小于5欧姆。8.2 为了保证移动通信基站稳定可靠的工作，防止寄生电容耦合干扰，保护设备及人身的安全，解决环境电磁干扰及静电危害，都必须有良好地接地系统。在共用地网时，各种功能地接地既相互联系，又相互排斥，瞬时干扰及接触部分产生电磁波会给信号线带来辐射噪声，引起误码和存储器信息丢失，所以要注意信号电路、电源电路、高电平电路、低电平电路地应采用并联式直接接地，而避免接在同一点上。如图五所示： VA VB VC VB RA RB RC RD I1 I2 I3 I4 （接地铜排440mm）图四、联合接地方式示意图（室内） 各点电位为：VA=RAI1 VB=RBI2 VC=RCI3 VD=RDI4由以上公式可知，各设备地接点电位只与本设备地工作电流和接点电阻有关，各点间的的电位差小，并且消除了公共接地线的阻抗，各设备间的参考点也不易改变。8.3 按照IEC整体防雷技术的接地要求，保证设备在雷击瞬间应处在等电位状态。由于部分基站的信号地、保护地相对独立，从“节约、实效”的原则考虑，将各地网简单相连。在地网施工中，接地体应依照YD5068-98规范第4.2条要求采用热镀锌钢材，连接使用铜缆。在地网改造的施工中，不仅要将地阻值降低，而且要注意合理地设计地网结构，以保证大电流下地时均匀快速地向大地分散。8.4 图五说明了接地和等电位连接的工作原理。在雷击瞬间由于电涌保护器件的快速导通和大电流的泄放，使设备内部线路器