浅析基站等电位连接与接地电阻.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除浅析基站的等电位连接与接地电阻 摘 要 简介了基站等电位连接的原则，分析了地电位反击对设备的影响及防范措施，阐述了接地电阻与设备遭受雷害的关系。关键词 等电位连接原则 等电位反击 接地电阻0 引言在移动通信基站的防雷工程中，等电位连接与接地电阻一直是被关注的重点，本文对基站的等电位连接与接地电阻对基站雷害防护的作用作初浅的分析。1 基站的等电位连接规范规定，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接地网上分别引入。同时，移动通信基站地网由机房地网、铁塔地网和变压器地网组成。基站地网应充分利用机房建筑物的基础（含地桩）、铁塔基础内的主钢筋和地下其它金属设施作为接地体的一部分1。由此组成的地网是等电位连接的基础，其目的是为了在出现雷击时，基站内的所有设备、设施，它们的电位同时提高，以确保安全。等电位连接的作用是显而易见的，下面举一个简单例子加以说明：在移动通信发展初期，当时模拟移动通信刚起步，组网模式是大区制，不少基站建在电信局机房内，铁塔就建在局房旁，而且机房的接地电阻很小，有的只有零点几欧姆。但是，由于没有把铁塔的地网与机房的地网相连，结果基站设备屡遭雷害。下面简单分析设备损坏的原因，原来在雷电流经铁塔入地时，也通过天线馈线外导体把高电位引入机房设备外壳，也即保护地，而此时机房设备的工作地还处于低电位，设备的工作地与保护地之间的电位差超过了设备的承受能力，对设备就造成危害。如果将铁塔地网与机房地网相连，机房地网的电位随着铁塔（通常是雷电流入地途径）电位大体上一起升高，那么设备的工作地与保护地之间的电位差就减小，也就减少了雷击对设备的危害。但是，等电位连接也并非没有选择地、无规则地任意连接，下面举一个反面例子。同样是移动通信发展初期，诸暨市郊的一个模拟基站，该站设在半山腰处，天线与电视台共用一个铁塔，电视台的天线设在铁塔上部，移动的天线在铁塔高度的三分之一处，基站的机房与电视台的机房就一墙之隔。该基站曾连续两年遭受雷击，机房内的设备严重受损，而电视台的设备完好无损。其原因是天线馈线的室外走线架，一端接在塔身上，另一端穿过机房的馈线口与室内的走线架直接相连，后来把这个走线架在馈线孔处锯断并做隔离，走线架的室外部分，在馈线口室外侧引接地线与地网相连。就这一小小的改动，直至多年后该基站退网一直没有遭受雷害。 1.1 等电位连接的原则从上面二个例子说明，等电位连接对防雷而言，是一把双刃剑。有时需要加强等电位连接，有时不能连接，而在某些必须等电位连接的场合，却要减弱耦合的程度。从这三种情况引出了等电位连接的以下三个原则。1.1.1 建立联合地网将机房地网、铁塔地网和变压器地网在地下广泛互连，并包括机房建筑物的基础（含地桩）、铁塔基础内的主钢筋和地下其它金属设施组成一个联合地网，这是基站等电位连接的基础。1.1.2 各类接地线应从接地汇集线或接地网上分别引入机房内有工作地和保护地，机房外有雷电流引下线、铁塔、机房建筑物内的钢筋等金属构件组成的防雷地。规范要求，工作地、保护地和防雷地应该分别接至地网，如果机房内设有接地汇集线，机房内的工作地和保护地通过接地汇集线接至地网1，在这里，关键是要理解“分别”的含义，问题的实质是工作地、保护地与防雷地之间需要有充分地隔离。1.1.3 控制机房接地引入线与雷电流引下线在联合地网引接点的距离机房接地引入线与雷电流引下线（包括铁塔，下同）同接于联合地网（下简称地网）的原因前面已经提到，为了在发生雷击时，基站内的所有设备、设施，它们的电位同时提高，以确保它们的安全。但是为了克服雷击时地电位反击对设备的危害，必须控制机房接地引入线与雷电流引下线在联合地网引接点的距离。规范要求雷电流引下线（包括铁塔基础）在地网上的连接点与机房接地引入线在地网上的引接点相互距离不小于5m，条件允许时，宜取1015m1。其目的是为了减弱地电位反击对设备的影响。下面对地电位反击作进一步分析。1.2 地电位反击在本文中提及的地电位反击是指在已作了联合接地系统后出现的反击。首先要明确两点，一是雷击前接于地网上的所有设备、设施是真正等电位的；二是发生雷击的时候，接闪过程中包括塔身、地网以及与地网相连的所有设备、设施，它们的电位是不等的。地电位反击是指接闪时，随着地电位突然升高，对设备的影响。在具体分析地电位反击对设备影响前，先谈一下电位反击的问题。1.2.1 电位反击我们可能有不小心被电“打”了一下的经历。这通常发生在你站在干燥的绝缘地板上，或穿着绝缘的皮鞋、胶鞋、布鞋，总之，身体对地是绝缘的。此时你一只手不小心碰了市电的相线，就会被电“打”一下，手本能地缩回来。其实道理很简单，在人体对地绝缘情况下，当我们的手逐步靠近市电的相线时，由于静电感应的结果，在靠近市电相线附近的手及肢体上，感应了与相线上相反的电荷，而远离相线的肢体部分呈现与相线上相同的电荷，当手与裸露的相线足够近的时候，通过两者间的间隙放电，当在手和肢体上因静电感应产生的异极性电荷与相线上的电荷中和后，手及全身呈现了与相线上极性一致的电荷，此时两者同性相斥，手就电“打”了。从上面例子可以看出，人体接近一个带电体时，尽管人体与地绝缘，未构成电流的通路，但人体内有电流，这是电位反击的基本形式。在此，我们会联想到电力检修人员在几万、几十万伏高压线上带电作业。当然，如果人体已经带上与高压线等电位的电压，进行带电检修没有问题，问题是人体如何克服电位反击，安全地加载上高电压。1.2.2 电位反击的预防为确保作业人员的安全，电力部门采取的措施是让高压带电作业的等电位作业人员穿上屏蔽服，也称均压服。屏蔽服是用均匀分布的导线材料和纤维材料等编制成的服装，成套的屏蔽服包括上衣、裤子、帽子、手套、短袜和鞋子，以及相应的连接线和连接头。作业时必须戴均压帽和均压手套、穿均压衣裤、穿均压袜子，并用导线连接起来2。所谓等电位的原理，就是等电位作业人员的身上带有与带电导体相等的电位（使电位差等于零）。首先让作业人员穿上全套均压服，借助于绝缘软梯、硬梯或绝缘台等绝缘工具与大地绝缘。这是作业人员从零电位过度到高电位之间的桥梁。然而，我们知道当人体在接触带电导线的瞬间，有一个较大的突变的充电电流流向人体充电，而充电电流主要在均压服中流动，于是流经人体的电流，就降低到人不能感觉的数值2。在这里我们可以看到屏蔽服有两个作用，一是在高压线区域中对强电场的屏蔽作用。二是对人体接触带电导线的瞬间产生的突变充电电流进行分流，一般全套屏蔽服的最大电阻平均值不大于20，而人体电阻约为1500。因此，绝大部分电流流经屏蔽服，而流经人体的电流仅为流经屏蔽服电流的1/75。这样小的电流对人体不会产生危险或不舒服的感觉2。上面分析的两个例子，属于市电的高电压对人体的电位反击，反击中均有电容电流。1.2.3 电位反击的理论分析在电工学中我们知道，由电阻、电容、电感、电源等部件用导体连接成闭合回路，如果电路中的某两处间出现电位差，电路中就产生了电流。通常认为导体中出现电流有两个条件，一是导体和元器件有一个闭合回路，二是有电位差即电源。如果将一根导线只是一端接在电路中的某处，而另一端腾空，即使该处的电位不为零，都认为这根导线上没有电流，理由是导线两端没有电位差，这从电工学分析稳态电路理论的角度是正确的。从电场理论知道，导体在没有外部电场作用的情况下，导体内也没有电场，导体中的电荷作无规则的热运动，如果在导体的一端加上正电荷，这时就出现了以正电荷为中心向四周发散的电场，此时导体中的正电荷在电场的作用下移动到导体的另一端（实际上是电子作反方向运动），一直到导体另一端积聚的正电荷形成的电位与始端的电位相等，这就是所说的等电位，而在达到等电位之前有一个电荷流动过程。下面比照市电的电位反击分析雷击时地电位反击对设备的影响。1.2.4 地电位反击的形成在基站中避雷针、雷电流引下线、塔身与地网连成一体作为一个完整的雷电接闪系统。如果把避雷针、雷电流引下线和塔身比作“树干”，地网的接地体（包括塔基的钢筋、机房的基础）相似“树根”。即基站的接闪系统呈树干和树根相连状的金属体。在机房内工作地和保护地，它们与地网相连。其连接方式自设备端通过接地线至接地汇集线，再经接地引入线与地网的接地体相连。即机房的设备工作地的接地支路可看作上述“树根”中细而长的一根。我们知道，导体电阻远小于土壤的流散电阻，在分析地电位反击时，可视为接地体与土壤是绝缘的。 在分析地电位反击前，先对雷击过程作一展开。直击雷是指带电的云块通过基站的接闪系统直接向大地放电。雷云对地的放电过程如下：带电的云块对大地产生静电效应，此时云块的下端大地感应出电荷。当云中某一电荷密集处的电场强度达到2530kV/cm时，就会由云向地产生先导放电（少数情况下，特别当地表有突出物时，雷电先导由地表向上发的，至于高山之峰和高塔，则上行先导更为常见）。这时雷云与地间形成一个大电容，当先导到达地面或与地面的先导相遇，通过电荷中和而产生强大的主放电电流即雷击电流。地闪放电通常都不是单次的，首次闪电的波头在0.110s，多数为24s3。雷电电流一般在几十至上百（最大至数百）kA。下面以常见的负极性放电为例进行说明：首先是带负电的云块逐步靠近铁塔时，铁塔附近区域的地面被感应上正电荷，而此时避雷针和塔身上部被感应呈正极性，塔身下部和地网（包括塔基的钢筋、机房的基础，下同）呈负极性。这个感应的过程取决于带电云块的运动速度，是一个比较缓慢的过程。这时在带电云块与塔顶之间、塔身的埋地部分、地网与土壤之间均出现电场。随着带电云块不断地靠近地面，上述两处的场强都逐渐增大，在其过程中，显然后者即塔身的埋地部分、地网与土壤之间先被击穿，产生火花放电。其击穿的场强与土壤的电阻率有关，也即与地网的接地电阻大小有关，接地电阻越大，击穿电压越高，地电位也就越高，这是雷击的第一阶段。随后，在地网与土壤之间的电流通路建立后，随着带电云块进一步靠近地面，将带电云块与塔顶之间绝缘击穿，通过电荷的中和而产生强大的主放电电流即雷击电流，完成了放电的第二阶段 。从前面分析知道，电位反击产生的影响是电容电流。在地电位反击的第一阶段，虽然地网与土壤之间产生火花放电，由于过程比较缓慢，同时地网与土壤之间击穿电压相对较低，因此不会造成危害。下面分析第二阶段，雷电电流对地放电的影响。在分析前先对一个问题进行说明，前面把基站的接闪系统比喻成由金属树干和树根组成的“大树”，而在雷击的第一阶段已经完成了地网与土壤之间的火花放电，两者之间已构成电流回路，能否把地网与土壤当作统一的导体来考虑？不能。其原因，一是金属导体与土壤是两种不同的介质，具有不同的导电特性，二是金属导体的电阻远小于流散电阻。所以在分析地电位反击第二阶段时，仍可以认为接闪系统的金属体与土壤是绝缘的。通过上面的分析，带电云块在第二阶段对接闪系统的放电过程与等电位作业人员离开地面后上高压线的情况十分相似，此时由带电云块与接闪系统之间的电容引起的电容电流随着发生，产生了地电位反击。1.2.5 地电位反击对设备的危害地电位反击产生的电容电流的一部分通过设备工作地与地网的连接通路流向设备。这个电容电流是否会对设备安全构成危害，从表明上看，设备的电源正、负极电位随着地电位升高而同步升高，似乎不会影响到设备安全。对此，应该这样理解：在电气上设备内的电子电路与外面的接地装置是连成一体的，电子电路是由许多电子元器件、包括大规模集成电路等脆弱元件组成。发生雷击时，地电位反击出现的电容电流要将设备内电子电路中的所有元器件的电位都提高，以达到新的等电位，在这过程中，电路中的元器件不可避免有电容电流流过，当电流超过元器件的承受极限，设备中的某些元器件将被损坏。1.2.6 地电位反击的预防措施地电位反击对设备造成危害的是电容电流的冲击，我们不能像保护等电位作业人员那样给设备穿上“屏蔽服”进行分流。在此必须说明一点：通信设备一般都有封闭的机壳，机壳与保护地相连，工作地和保护地同接于接地汇集线或地网。在这里，机壳对外界电磁波的屏蔽作用是显而易见的，但是，由于通信设备内电子电路的电阻一般远小于设备外壳的电阻，使设备外壳对地电位反击的电容电流 的分流作用并不明显。为解决地电位反击出现的电流冲击对设备的危害，可采取以下措施：a）控制机房接地引入线与雷电流引下线在联合地网引接点的距离如1.1.3节所述，控制机房接地引入线与雷电流引下线在联合地网引接点的距离，可增大电流流过途径的阻抗，使地电位反击出现的电流冲击得到抑制，以减弱对设备中元器件的负面影响。b）增加辐射式接地体前面我们把避雷针、雷电流引下线和塔身比作“树干”，把地网接地体比作“树根”，如果“树根”越多，从“树干”下来电流的分支也越多，每一根分支上的电流则减少。因此，以雷电流引下处为中心，向四周和下方增加接地体的数量，可减少每一根接地体上的冲击电流，那么，同样也减少了那根接有工作地的接地体上的冲击电流，降低了对设备的危险性。2 基站的接地电阻 在基站的防雷工程中，接地电阻的概念根深蒂固，为达到接地电阻要求，花费了大量的精力和财力。正确地理解接地电阻的作用，合理的设置地网，对基站的防雷是十分必要的。2.1 接地的由来历史上首先提出接地的是富兰克林所主张的防雷接地，目的是供闪电入地消散能量，那时尚未建立电压、电流强度和电阻的概念4。1884年摩尔斯完成有线电报试验工作。在两地传输信号，利用大地作为回路，送信机和受信机均需接地4。1876年贝尔发明电话。为避免架空线网遭受雷击，使用了避雷器。避雷器的一端接地，它与避雷针相似，是为了把线网上的闪电能量泄放入地4。19世纪90年代，电力大发展，当时接地的主要目的是为了人身安全。例如最初发电厂送电到用户要经过配电变压器降压，其副边的低压输电线对地是绝缘的（次级不接地）。可是运行中，配电变压器的原次级间的绝缘常出现损坏，以至原边的高电压进入副边线路中。造成触电事故，甚至发生火灾。从此，各国均实行变压器副边中心点接地的措施。这时接地点有可能出现大电流入地，入地点的地面的电位升高，沿地面会产生很大的跨步电压。要减小跨步电压，就必须降低接地点区域的大地土壤的电阻率，由此出现了接地电阻这个概念4。如果把电力部门对接地的研究成果应用到防雷领域，尤其是通信设施的防雷是不妥的。2.2 对基站接地电阻一些观点国内外的一些资料统计显示，包括微波站、基站在内的通信站遭受雷害与接地电阻大小无关。下面列举两例：a）目前建在郊区或山区的移动通信基站有各种各样的地网，其接地电阻值从几欧至几十欧姆不等（这主要由基站所处的地理环境、土质以及站址所在地区土壤电阻率决定），但实践证明：“接地电阻的大小对基站设备技术参数以及信号传输没有任何影响”5。b）日本曾对与移动基站类似的419个微波中继站经三年雷电损害调查发现，损害仅与雷暴日数、海拔高度呈正相关关系，而与站的接地电阻几乎无关6。2.3 接地电阻对基站雷害影响分析为分析接地电阻对基站雷害影响，首先分析移动基站遭受雷害的途径，主要包括以下几个方面：a）从天馈线（包括塔灯线、智能天线控制线等）引入； b）从电力线路引入；c）从传输线路引入；d）雷电地电位反击；e）雷电电磁波对设备和通信设施的电磁感应。在上述雷电入侵途径中，只有雷电的地电位反击似乎与接地电阻有关。通常认为接地电阻越大，雷击时地网的地电位就越高，地电位反击也就越厉害，设备容易损坏，由此必须降低降低电阻。为了分析接地电阻对基站雷害的影响，下面对1.2.4节有关雷击在第一阶段的情况展开分析。雷击的第一阶段是指在带电云块与大地电场的作用下，在带电云块与接闪系统未放电前，地网的接地体与土壤之间在电场的作用下，先击穿产生火花放电。由于地网与土壤之间结构紧密、接触面大、介质成分复杂，同时又由于土壤的化学成分的区别、含水量的不一致、土壤的紧密度差异，其击穿电压具有分布参数的性质，使火花放电是一个逐步积累的过程，而且在雷击的第一阶段未产生雷电电流，地网与土壤之间的电场增强不是一个突变的过程，因此第一阶段接闪系统与大地的导电是一缓变的过程。由此产生的地电位反击生成的电容电流很小，不会对设备造成危害。因此，在雷击的第一阶段，接地电阻的大小与基站设备遭雷击受损无关。下面再分析雷击的第二阶段，在1.2.4节中提到，在第二阶段，地网与土壤之间已完成火花放电，两者之间虽然已构成电流通路，但是，由于金属与土壤导电特性的差异和导体电阻远小于流散电阻，在分析地电位反击时可不考虑地网的影响。从以上分析可知，在雷击的整个过程中，接地电阻与雷电地电位反击几乎无关。而地电位反击对设备造成危害是唯一似乎与接地电阻有关的因素，可见，基站接地电阻的大小与设备遭受雷害无关。2.4 对基站地网设置的几点建议根据上面分