移动通信基站防雷安全隐患及基站铁塔对周围电磁环境的影响

移动通信基站防雷安全隐患及基站铁塔对周围电磁环境的影响李伟（四川省內江市防雷中心）摘要：当前，3G移动通信大幕拉开，移动通信基站建设将进入－个新的高潮。我们在移动通信基站防雷安全多年检测中，发现一些常见的基站防雷安全隐患，提出来与大家一起探讨；并将移动通信基站铁塔在遭遇雷击时雷电电磁脉冲对周围电磁环境的影响作一些初探。关键词：移动通信基站防雷安全电磁辐射1.移动通信基站常见的几种防雷安全隐患1.1电源SPD安装不规范：电源SPD至总接地汇流排接线太长(如图1—1、1—2所示)，有的极端情况是其长度甚至超过10m。根据YD/T1429–2006《通信局﹙站）在用防雷系统的技术要求和检测方法》5.6.3.b﹚之规定：“电源用SPD的接线端子与相线或零线间的线长应不大于1m，其接地线长度应不大于1m。”以及YD5098—2005《通信局(站)防雷接地工程设计规范》6.5.2之规定：“采用星形等电位连接时，基站的总接地汇流排，应设在配电箱和第一级电源SPD附近，开关电源以及其它设备的接地排母线均由总接地汇流排引接。”但在检査中有相当一部分移动通信基站的电源SPD的接线不符合上述要求。图1—1电源SPD接地线太长图1—2SPD等效示意图由式UA＝iR+hL0di/dt﹙式1—1﹚式中UA—A点对真实地的暂态电位，单位为kV；di/dt—雷电流波头时间变化率，单位为kA/μｓ；雷电流，单位为kA；R—接地体的冲击电阻，单位为Ω；L0—引下线单位长度电感，单位为μH/ｍ；h—A点到接地体的长度，单位为m。我们知道，当有雷电流从供电系统侵入时，其SPD的残压UC与UA之和加在用电设备或下一级SPD上，在SPD的残压UC一定的情况下，UA越高则对用电设备危害越大。在式1—1中，对UA能人为控制的因素就是R和hL0，在R一定的情况下，控制好hL0这个参量也即SPD至接地汇集排的接线长度就显得尤为重要。1.2野外基站的供电线架空引入。根据YD5098-2005第6.7.1之规定：“移动基站的电力电缆应埋地敷设，使用专用变压器时高压电力电缆的埋设长度不宜小于200ｍ。低压电缆进入基站机房时，其埋地长度不宜小于15ｍ。低压埋地电缆应选用具有金属铠装层的电力电缆或穿钢管埋地引入机房，电缆金属铠装层和钢管应在两端就近与变压器地网连通。”笔者在对某运营商的移动通信基站雷灾调查时，就有雷灾目击者叙述看见雷击时一团火光沿基站架空低压供电线路进入机房内而造成雷灾的案例。1.3接地引下线扁钢走向不规范，焊接的搭接长度不够，两根扁钢搭接成锐角，更有甚者由于接地扁钢下料过长而又怕麻烦就将扁钢绕一个圈使用，造成电感L增大。由式1—1可以看出：在接地电阻Ｒ和其它参量都确定的情况下，电感Ｌ的增大势必使雷电反击的危害增大。1.4野外基站的传输线（光缆）和钢绞线将铁塔作为终端杆而直接捆绑在铁塔上。这样当远端雷击在传输线上时将通过钢绞线产生电磁感应而损坏接入设备或铁塔上的雷电流通过钢绞线窜至机房或其它基站而造成雷灾。1.5野外基站被盗现象严重，被盗的主要是接地铜排、蓄电池、铜线、空调等物品。当接地铜排被盗后，有的就让接地悬空或用一根螺栓把所有接地线穿在一起﹙如图1—3和图1—4所示﹚。接地线悬空必然给防雷安全和设备正常工作带来隐患；将原接地汇流铜排上的接地线用一根螺栓压接在一起。时间稍久，由于氧化等因素必将使接地线的接触电阻加大而影响糸统的正常运行；而空调被盗在夏天由于机房温度太高而影响设备的正常运行；蓄电池和铜线被盗，则在市电停电时使基站不能运行，造成掉站。 图1—3接地线悬空图1—4用螺栓将所有接地线简单地压在一起1.6城市基站接地引下线未加装绝缘防护，根据YD5098—《通信局(站)防雷接地工程设计规范》6.6.2之规定：“接地引入线出土部位应有防机械损伤和绝缘防腐的措施”2.移动通信基站铁塔对周围电磁环境的影响原来在移动通信基站建设中，由于运营商之间的相互攀比，争相建设高铁塔。有的铁塔甚至高度达80米。其实高耸的铁塔由于其本身的金属结构而就是一个引雷塔，使其雷电闪击的几率增大。2.1我们就曾经作过一个80米高的某运营商的移动通信基站铁塔由于修在一个粮食仓库旁﹙如图2—1﹚，在2008年就7次使粮食仓库的仓房粮食温湿度监控系统受到雷灾调査案例。该仓库是一个占地数十亩的国家粮食贮备库，修建于50年代的苏式建筑，属砖朩结构。早几年建移动通信基站时，该仓库还未安装粮食温湿度监控系统，于2008年初才投入使用的该系统就遭遇了7次雷灾，造成监控系统分控箱内集成块损坏。离铁塔越近的仓房受灾越重。这是由于移动通信基站铁塔接闪装置在被雷击后，雷电流在沿铁塔下泄入地的过程中，产生了强烈的电磁辐射所致。根据国外资料介绍0.03高斯的磁场强度可造成计算机误动，2.4高斯即可使电子元件击穿。图2—180米高塔建在粮库旁2.2有－个小学校旁建了一50米高铁塔的某运营商的移动通信基站，基站建成后，学校电教室及办公用微机屡次被雷击坏。经调查后得知，是由于雷电经基站塔顶接闪后，雷电流经塔体下泄入地的过程中，产生电磁幅射经未屏蔽的信息网线窜至微机而造成的。后将信息网线作屏蔽处理和加装信号SPD后才得以解决。2.3某单位一幢长35m、宽10m、高8m的二层办公楼房，位于该区域内的最高处，是一片小高地，北边50m处有一40m高的某运营商的移动通信基站铁塔。在2008年7月31日20时至8月1日06时的雷暴过程中，出现了如图2—2所示的墙面立柱及楼顶天面出现了天女散花般的近百个小爆裂点。经过分析是由于雷电散击造成的。我们都知道，高架避雷针的引雷能力强，移动通信基站铁塔相当于高架避雷针，当侧方运动来的下行雷电先导被避雷针引近而未能在针端接闪时，会出现闪电击中避雷针附近地面的情况，使得高架避雷针附近的地面落雷密度较该处平均落雷密度大，该地面称为散击区，散击区内出现的雷电闪击称之为雷电散击。按我国统计的雷电流幅值最大约为300kA，其对应的雷击高度为408m。取雷击定位高度为400m，可得出不同高度避雷针的保护区和散击区的地表半径如表2—1。表2—1避雷针的高度对其保护区和散击区的影响避雷针高度（m）102030406080100地面保护区半径（m）32455256606060地面散击区半径（m）89127155179219253282图2—2办公楼立柱和楼顶天面上的爆裂点从以上我们不难看出：办公楼正好处于某运营商的移动通信基站铁的保护区（靠近基站铁塔端办公楼的少部分）和散击区（远离基站铁塔端办公楼的大部分）的范围内，而此次雷暴过程的闪击电流都较小（10kA左右），其雷电先导被基站铁塔避雷针吸引而由于电流太小未被基站铁塔避雷针接闪而落在了周围的雷电散击区内，因此办公楼由于在雷电散击作用下使其楼房建筑内钢筋带电，立柱及楼顶天面有钢筋但水泥敷层较薄的地方在电磁力及电热力的作用下产生天女散花般的爆裂点。3.对新建移动通信基站的几点建议3.1今后新移动通信基站建设时，在满足覆盖的前提下，铁塔高度满足需要即可，并非越高越好。3.2加强移动通信基站安防建设。有的运营商采用了红外线防盗，当有非法侵入时，红外线报警装置可给监控中心发送告警信号，以便及时处置。实践证明可使基站被盗大为减少。随着3G的商用，可用实时摄像技术摄下盗贼的影像，供公安机关破案使用。3.3为了便于设备的就近接地，可采用环形接地汇集线，用在机房内沿走线架和墙壁设置环形接地汇集线，环形接地汇集线应多点就近与机房地网连通，站内设备由环形汇集线就近接地(如图3—1所示)。笔者建议采用40×4镀锌扁钢每隔200㎜打φ8㎜的接线孔，采用螺栓加梅花垫片连接，沿墙壁和走线架做成环形接地汇流条，各接地线就接在环形汇流条上，可使接地线尽量短，一方面可减小其电量hL0di/dt分量，另一方面，由于镀锌扁钢和短铜线已失去盗窃的价值而减少被盗。3.4在移动通信基站选址时，应考虑基站铁塔在接闪雷电时，对周围建筑物的电磁幅射影响。如离周围建筑物过近时，除按规范做好移动通信基站的防雷安全和雷电磁屏蔽措施外，就近建筑物要进一步做好雷电磁脉冲防护措施。3.5架空电源线近离移动基站时，按规范要求，改为套金属管埋地引入室内；引下线近地1.7m处要套绝缘管保护；光缆加强筋要接地等电位保护处理。关于移动通信基站接地电阻值的问题，现在有的地方3G基站要求接地电阻值≦1Ω。有无必要？在野外地质条件不好的情况下，比如砂或岩石其土壤电阻率为1000～5000Ω·m。用常规方法要做到接地电阻值≦1Ω是很困难的。如果用防腐离子接地棒在土壤电阻率为1000Ω·m时要达到接地电阻值=1Ω，需用68根；用物理接地模块要达到接地电阻值=2Ω，都需要272只。R＝0.5ρ/√s式4—1图3—1环形接地汇集线与设备及地网连接示意图4．关于移动通信基站接地电阻值问题的思考由式4—1可以看出接地电阻与地网方根成反比，因此要降低接地电阻，就要增大地网面积，如果在大地电阻率ρ为100Ω·m的情况下，要达1Ω的接地电阻，则地网面积要2500m2。其工程量是浩大的，造价是高昂的。根据YD5098—《通信局(站)防雷接地工程设计规范》6.5.2之规定：“移动通信基站所在地区土壤电阻率低于700Ω·m时，基站地网的工频接地电阻宜控制在10Ω以内，当基站的土壤电阻率大于700Ω·m时，可不对基站的工频接地电阻予以限制，此时地网的等效半径应≧20m，并在地网四角敷设20m～30m的辐射型水平接地体。”另外应做好等电位连接。不怕电位高，就怕电位差。5.参考文献：《建筑物防雷设计规范》GB50057—94﹙2000年版﹚《通信局﹙站﹚防雷接地工程设计规范》YD5098—2005《通信局﹙站﹚在用防雷系统的技术要求和检测方法》YD/T1429—2006《移动通信基站防雷安全隐患及建议》赵桂琼李伟《中国防雷》2008No.3《雷电散击案例调查》李伟