线通信基站雷害防护原理与工程设计.doc

无线通信基站雷害防护原理与工程设计摘要：本文从雷击的产生出发，简介了基站引入雷害的主要途径，着重讨论了BTS防雷工程的主要措施,以及在移动通信基站工程建设中雷害防护的设计方法和基本参数，并列表说明了GSM基站防雷接地系统的构成。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关键词：基站 防雷 接地0 引言电闪雷鸣是一种自然现象，所释放出的巨大能量而造成的通信局所和站点中断，损坏通信设施，其破坏性和经济损失都是十分巨大和灾难性的；在通信行业竞争日益加剧的今天，雷击造成通信中断、系统瘫痪，以及使企业社会效益所蒙受的影响就更加难以估量。所幸的是，从1749年美国科学家Franlin研究雷电并发明避雷针至今，人类对雷击破坏性的研究和探索，在采取预防措施方面，已经有了一套较成熟的理论，只要掌握规律，进行有效的设计，就能将雷电的危害性降到最低点。移动通信系统包含有无线设备：机房、站点、铁塔、天馈线等，且天馈线系统架设较高，很容易引入雷电。因此移动通信基站的雷害防护就显得尤为重要。1、 移动通信基站引入雷害的主要途径以负雷云为例，由于电云负电的感应，使附近地面积累正电荷，地面与雷云之间形成强大的电场，当某处积累的电荷密度很大，激发的电场强度达到空气游离状态（空气击穿）的临界值时，雷云便开始向下梯级式放电，接近地面物体达到一定的距离时，地面物体在强电场作用下产生尖端放电，形成向雷云方向逐渐向上先导放电，二者汇合形成雷电通路，异种电荷剧烈中和形成很大的雷电流并发出强烈的闪电和雷击。其雷害通常有以下几种表现形式：直击雷带电的云层与大地、树木、建筑物或其它设施之间的放电，从而使雷电流在建筑物或设施上产生热效应作用和电动力作用；感应雷在直击雷的放电过程中，雷电流产生静电感应和电磁感应作用，强大的脉冲电流在周围产生瞬时强磁场，对周围的导线或金属物产生电磁感应，感应电动势，本质上与雷电流陡度有关，感应出的高电压以致发生闪击的现象；雷电侵入波雷电发生时，雷电流经架空线路或空中金属管道等金属物体产生冲击电压，随物体走向而迅速扩散，形成危害。在移动通信站点的防雷上，应有针对性地认识雷电成因和危害，找出基站引入雷害的主要途径。1.1 电力线或其它架空线引入雷害：移动通信系统的基站的架空缆线，为引入雷害的一个重要途径之一。一方面架空电力线路在靠近终端时，主要成分是水平电场；又根据静电理论，面电荷分布与曲率半径的关系为“”，即表面突出曲率半径较小处，面电荷密度较大，所以出现在电场中的突出物体最易出现感应电荷的集中，使其周围电场强度显著增加，架空电力线路或其它架空线的突兀部分就会发生尖端放电而被雷电击中，将雷电侵袭的过电压引入基站机房，很可能烧毁基站主设备。另一方面，当发生雷击放电时，即使是对地放电，根据电磁场理论也会在架空电力线路上感应出较高的电压，从而对设备造成威胁，特别容易引起基站交直流电源盘的损坏；同理，有其它架空线时也可能产生出类似的感应过电压。1.2 基站铁塔和天馈线引入雷害：移动通信系统的基站天线一般架设在较高的铁塔上，当铁塔超过一定高度之后，受雷击的概率将显著增加，根据原CCITT防雷手册的资料，铁塔每年受雷击次数的计算式为：（次/年）其中ng地面落雷密度；C地形系数，山顶铁塔取0.10.3，周围为开阔地及陡坡时取0.3；否则取0.1；介于之间取0.2；非山顶铁塔取0.050.1，平地铁塔取0；H塔所在位置与周围1Km范围内地平面之间平均差值；h塔高；D年平均雷暴日。当铁塔的避雷针受到直接雷击时，雷电流通过铁塔经其接地装置散流入地会使地网地电位升高，如图1所示，A点对地电压，是铁塔电感，是雷电流，为铁塔对地电阻，假设=510-6H，=2，雷电流=40KA，持续时间8s，由此可得105KV，如此高的电压极可能将间空气击穿，此高电压向设备放电造成损坏。另一途径是如果天馈线为同轴电缆，在其内导体上会感应出较强的感应电流，整个同轴电缆上的感应电流为，如果有条同轴电缆从铁塔天线进入基站机房，则进入合分路单元CDU及收发信单元TRX的总感应电流为（如图2所示），将可能毁坏BTS设备。1.3 站点机房引入雷害：如果机房位置的海拔高度很高，虽然有避雷针保护，但有时直击雷可能从横向及侧面发生，出现所谓绕过避雷针，再侧击到设施的绕击现象。特别地，有时误认为站点机房在避雷针保护范围之内，而未在建筑物顶（或机房顶）安装或设计避雷带以形成法拉第笼，会使侧面雷击发生概率增加。此外房屋金属门窗、室内走线架等也是雷电二次感应的重要途径。2、 站点防雷接地系统的设计根据电磁理论原理，采取泄流、消峰、均压、屏蔽等综合防护措施，可以将雷害对无线站点的影响最大限度控制，但这些措施都依赖于有效的防雷接地系统设计。大地是导电体，当接地电极与大地接触时，便会以接触点为球心形成地电场，球面积，电阻，因此相距接地点越远（r越大），越小，使电流能经电极迅速向大地扩散，一般在离接地点20m以上时，两点间便不再产生压降，成为真正的地电位。2.1 防雷接地系统的构成和基本要求：防雷接地系统是由大地、接地电极、接地引入线、地线汇流排、接地配线五部分组成的整体。其中：大地具有导电性和无限大的容电量，是良好的公共地参考电位；接地电极是与大地电气接触的金属带等，用于使电流扩散入地；接地引入线是在接地电极与室内地线汇流铜排之间起连接作用的部分；地线汇流排为汇集接地配线所用的母线铜排；接地配线是连接设备到地线汇流排的导线，如图3所示。防雷接地系统的要求主要体现在以下两个方面，接地电阻的要求：接地电阻主要包括土壤电阻、土壤和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为电压降，单位；为雷电流，单位：；为接地装置电阻，单位 ；为单位长度的电感，约为1.5；为引下线的长度，单位 ；为雷电流的陡度，单位。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，雷电时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4、天馈线金属屏蔽层4、信号避雷器10、电源避雷器4、安全保护地4、通信机房1。系统设计时要正确规划、符合规范参数。联合接地的要求：IEC（国际电工委员会）和ITU-T（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。2.2 前期勘测，收集资料，试算接地电阻：收集通信站点所在地的地形地貌、地质结构、土壤性质、含水层情况、当地雷暴情况等，其关键有：接地电极周围的土壤电阻率，电阻率季节修正系数，具体参数可参见有关电力工程手册等资料，得出不同季节的土壤电阻率。当一定时，接地电阻就仅与接地电极的形状、埋设方式有关，常用的管形（或板状）垂直电极的接地电阻为，为电阻率，为电极长度，为电极埋深，为管电极直径，一般。当采用多电极并联接地时，能够进一步降低接地电阻。如果有多接地系统并存时，那么不同接地系统之间的接地电极至少应间距在25m以上，以防止相互产生干扰。2.3 设计接地方案，优化接地设计：接地电极的选择可以灵活多样，因地制宜，如水平埋设沟电极、垂直打入土壤的垂直棒电极、以及多接地电极并联形成多极接地体都是常用方案。除此而外，降低土壤电阻率也是优化接地设计中的一个重要方面，常用的方法，如换土法将接地体周围14m范围内土壤换为小电阻率的优质土；层叠法在接地体周围交替铺上小电阻率的优质土壤（或混入木炭）及食盐68层，浇水夯实；降阻剂法使用长效降阻剂敷设填充于电极周围土壤，可以有效降阻。3、 基站防雷移动通信BTS机柜主要通过如下途径与外界相连：电源线与供电设备连接；传输中继线与BSC连接；馈线电缆（或跳线软电缆）与天馈系统连接。因此基站的防雷主要是电源防雷、中继线防雷、天馈线防雷和机房的防雷四个方面。3.1 电源和电力线防雷：BTS机柜支持交流220V、直流-48V、直流24V三种电源方式，在防雷方式上主要考虑交流电源防雷设计和直流电源防雷设计。交流电源防雷设计：高压部分电力局有专用高压避雷装置，380V低压线路按国家规范分三级进行过压保护，一级保护为高压变压器后端到楼宇总配电盘间的电缆芯线对地加避雷器；二级保护为楼宇总配电盘至楼层配电箱间的电缆芯线对地加避雷器；三级保护为重要、精密设备以及UPS前端对地加避雷器。BTS设备的交流防雷主要是防直击雷和感应雷，其交流防雷器基本功能框图如图4所示，采用了两级防雷，电感的作用是抑制电流突变，使压敏电阻充分发挥作用，正常状态下空开闭合，交流指示灯亮，一旦遭受直击雷或雷电侵入波，则压敏电阻呈低阻（短路）特性，空开断路，指示灯灭。直流电源防雷设计：一是-48V直流供电时，供电设备直流电源的接地点与通信设备的接地点位置不同，则雷击发生时有可能在两点间的瞬时电位差造成直流电源正极到通信设备接地点间的浪涌电流；二是供电设备端接地和通信设备端接地，若其最终在某点汇集，则直流电源正极线与两设备接地线构成的闭合环路将在雷击的交变磁场中产生感应电流；三是浪涌电流从交流电源线引入经一次电源输送到直流电源线。如图5所示为直流防雷器功能图，为三级防护，最后一级使残压钳位的作用。出入通信站点（局所）的电力缆线，分级保护要严格按规范实施，尤其租用民房时，交流电力一定要加装电源避雷箱再引入设备，通流用量按设备负荷选取。3.2 BTS中继线防雷设计：BTS支持的中继线有75同轴E1、120双绞线E1、光纤（SDH）等，其中光纤方式为尾纤接入基站，不考虑防雷问题。对于其它方式，防雷将在DDF上实现，如图6所示，DDF为铁质，使用时用粗导线将机房的地排和DDF的地线连在一起；如果是75同轴电缆，可以将避雷器直接串接上去；如果是120双绞线，将该中继线的地线接在DDF的机壳上，信号线用打线刀打在相应位置，由于各连线单元为常开，必须将保安单元插入才能使线路闭合，当中继线上电流大到一定程度时，保安器自毁断路，从而达到保护BTS设备的目的。（实际上，华为BTS除了外加E1线避雷器外，在基站BIE单板内也设计了专门的防雷保护电路）。3.3 BTS天馈线防雷：基站天馈线防雷主要在以下三个方面进行设计。一是铁塔（架）：铁塔顶部天线平台处，塔身中部及塔基处应预留接地孔，铁塔为楼顶塔时，在屋顶防雷引下线或在相同作用的建筑物主钢筋上分别就近焊接，焊点做防护处理且要保证连接点的数量和分散性；铁塔为落地塔时，铁塔应建地网，在其四周埋设镀锌扁钢带，扁钢带每隔打地桩一个（地桩可用的圆钢），此外还可在铁塔四角入地埋设垂直地桩，四角外四周再设环形闭合接地体形成多点连接，即地网面积应延伸到塔基四角以远的范围，网格尺寸应不大于，周边为封闭式，最后铁塔地网与机房地网之间，应每间隔相互焊接连通（至少两处相互连通）。当不建铁塔而直接采用抱杆安装天线时，每根抱杆应分别接至楼顶避雷带，焊点作防锈蚀处理；楼顶避雷带有严重锈蚀损坏，或其引下线、地网情况无详细设计资料时，最好用地阻仪测量，必要时须另设地网和避雷引下线。二是天线的安装方面：移动通信天线应有防直击雷的保护措施，如天线铁塔设避雷针与塔可靠焊接，确保避雷针有良好的接地线，以保证雷电流泄放；天线安装的位置应在避雷针的保护区内，其保护区如图7所示，保护角取，多数保护设计取。三是馈线问题：馈线屏蔽层应在塔顶、离开塔身的转弯处、进入机房前等处妥善接地，实际施工中如果塔不是太高，塔顶一点可不予考虑；但如果馈线较长（如超过），则相应增加接地点，实际工作分为两个基本原则：一是在离两种不同物质接口或拐弯1.5m-2m处接地；二是直线长度超过45米处接地，原则上不能直接利用塔梯作为接地点；馈线进入室内加装避雷器时，避雷器应尽可能靠近进入建筑物的入口处（一般在，），同时注意避雷器的安装方向，设备端与防雷端不能装反；室内走线架应每隔接地一次，走线架接地处应除去防锈漆才装接地线，接好后再涂上防锈漆；馈线接头和馈管接地处要做防水处理，先裹半导电自溶胶（防水胶）、然后是密封胶（自溶胶）、最后再裹PVC绝缘胶，缠绕防水胶带时，首先应从下往上逐层缠绕、然后从上往下逐层缠绕、最后再从下往上逐层缠绕，上一层覆盖下一层三分之一左右，这样可防止雨水、湿气渗漏，影响接地效果；避雷接地夹接地线引向应由上往下，顺势引出，与馈管夹角以不大于为宜，不可成U型直弯形状。此外CDU除外加的天馈避雷器，本身也内置有扼流电感。3.4 站点机房防雷：机房单独建设时，机房屋顶应设避雷网，形成“准法拉第笼”，其网格尺寸不大于，并与屋顶避雷针（带）按间距一一焊接连通。机房屋顶四角设避雷电流引下线，该引下线可用镀锌扁钢，其上端与避雷带、下端与地网焊接连通。机房屋顶上其它金属设施分别就近与避雷带焊接连通。机房为租用民房时，应找到房屋本身的接地引下线或建筑物中起防雷作用的主钢筋，用镀锌扁钢焊接引入机房周围形成一圈密闭接地环。一般是建筑物的主钢筋上端与楼顶避雷网、下端与联合接地网、中