移动GSM基站对雷击灾害的预防及解决方案

[摘要]文章通过分析现阶段GSM基站防雷和接地存在的主要问题，分别就直击电、基站供电线路、移动基站共用(联合)接地系统等几个方面提出了防雷的解决方案，指出接地是防雷系统的最重要环节，做好接地对于基站的防雷意义重大。

[关键词]GSM基站　防雷　接地　雷击　天线

1　概述

我国移动通信经过十几年的发展，从初期的第一代模拟通信发展到第二代数字通信。以及现在的3G网络，从小规模、小范围覆盖发展到今天的大规模、覆盖全国所有地市及村村通工程。微电子技术是移动通信基站电子设备的核心。这些设备很脆弱，雷电易对它们产生破坏，将造成通信中断和严重经济损失。移动GSM基站有城区站、郊外站和高山站，其通信天线一般都有金属塔支撑，因覆盖需求机房所处地势也较高，通信铁塔容易成为雷云对地放电的接闪通道，从而导致基站容易遭受雷击。过电压尤其是功率强大的雷电电磁脉冲对基站电子设备硬件的损坏是呈逐年上升趋势。现在大有移动基站建到哪里雷电的侵害就跟踪到那里趋势。因此，加强移动通信基站对雷电的防御能力，减小雷击灾害损失，其防雷与接地措施必须结台基站建筑物及基站通信专业的特点，做到综合治理、系统防雷。

2　基站防雷和接地问题分析

实践中，GSM基站防雷与接地通常存在以下问题：

(1)天线与避雷针距离太近：天线虽然在滚球半径范围内。但铁塔避雷针与天线的垂直、水平距离太近，避雷针接闪时，天馈线上的雷电感应电压过高，对通信设备端口造成危害。

(2)接地电阻不符合规范：有的基站避雷针在机房屋顶虽然接地，设备也有接地，但接地电阻太大，不利雷电流泄流。

(3)天馈接地不符合规范：有的基站铁塔高度大于或等于60m，天馈线中间和进入机房前都没有接地；有的馈线与通信机端口未设置馈线避雷器。

(4)供电线路敷设不规范：有的基站供电线路没有从地下敷设进站，而是架空直接进入二楼机房，把雷电波直接引入房间。

(5)地网制作不规范：有的基站天线铁塔地网和机房地网没有形成联合接地；有的基站机房内通信设备接地不规范，直接与屋顶女儿墙上避雷带相连，基站遭雷击时致使通信设备严重损坏；独立铁塔旁的机房或铁塔下面的机房通信设备接地不规范，只用一根扁钢从铁塔一个角引到机房作通信设备接地。

(6)光纤线路接地不规范：光缆进入基站机房后。金属层和金属芯及光端机未接地，使光端机损坏。

3　基站防雷和接地解决方案分析

由于各GSM基站的环境和建设方式不同，对基站防雷与接地不能一概而论，应根据具体情况采取防雷与接地措施。建议新建基站在选址时，要考虑防雷与接地有利的地形，不宜选用高土壤电阻率的岩石地带，要考虑做地网的问题；独立铁塔与机房不能靠得太近。铁塔地网与机房有3m～5m间距。

YD5068-98《移动通信基站防雷与接地设计规范》和GB50057-94《建筑物防雷设计规范》(2000年版)是目前移动基站防雷工程设计的直接依据。结合几年来防雷工程的实践，浅谈基站防雷与接地方面的一些问题。

3.1　直击雷的防护

为保护GSM基站通信天线免遭直接雷击，基站无论建在什么地方，天线应有直击雷的防护措施，应在接闪装置保护范围之内，即天线处于LPZOB区内。安装接闪装置或天线时，应注意天线顶部与接闪装置顶部有3～5m的垂直距离，天线与塔身水平距离应保持2.5m。在设计接闪装置时应按GB50057-94中滚球法确定，其滚球半径应为45m。接闪装置与铁塔作可靠的电气连通。铁塔建在建筑物楼顶时，接闪装置应纳入建筑物直击雪防护系统，塔脚与避雷带在两个方向焊接连通。

GSM基站同轴电缆馈线的金属外护层，应在上部、下部和经走线架进机房入口处接地，当铁塔高度大干或等于60m时，同轴电缆馈线的金属外护层还应在铁塔中部增加一处接地。以此增加雷电流的入地途径，并使馈线上的过电压分割成多段承担。加强分流和均压效果。通过至少三次接地，直接使雷电能量在进入机房机架前泄入大地，从而达到保护机架及设备安全的目的。

同轴电缆馈线进入机房后与通信设备连接处应安装馈线SPD，以防来自天馈线引入的感应雷。馈线SPD接地端应引接到室外馈线入口处接地线上，选择馈线SPD时应考虑连接器、阻抗、工作频段、衰耗等指标与通信设备相适应。

GSM基站机房应有直击雷防护措施，屋顶应设避雷带、避雷网，而且该网与避雷带应按一定间距焊接连通。

3.2　基站供电线路的雷电防护

GSM基站交流供电方式应采用三相五线制以解决交流零线上的不平衡电流通过联合接地体对移动通信的干扰问题。

从防雷角度考虑，目前作为电源线路的防护广泛使用过电压保护装置(SPD)并采取分级保护的原理。一般通信电源都有三级防护措施，即B、C、D三级防护，B级一般设在电源线进机房处，主要泄放大部分雷电流，并在一定程度上降低雷电过电压；C级一般设在通信电源的交流配电单元，在于进一步降低电压幅度；D级设在整流模块内部。通过级保护的手段，将雷电流泄放入大地，从而扼制雷电流的入侵，将瞬态过电压幅值降低到设备可以承受水平，起到保护电子设备的作用。

仅有完善的三级保护还不够，有些移动基站的低压电力线路是架空引入的，很容易遭到感应雷击沿线路一直传到机房将设备损坏。电源线架空入室，有可能遭到直接雷击，这是引雷的重要途径，应该从加强屏蔽的角度去保障系统的安全，采用屏蔽电缆穿铁管埋地敷设进基站，YD5068-98第3.1.6条规定：“进入移动通信基站的低压电力电缆宜从地下引入机房，其长度不宜小于50m(当变压器高压侧已采用电力电缆时，低压侧电力电缆长度不限)。”埋地敷设的电力电缆，在进基站机房前边距离大于10m的室内配电箱处安装第一级限压型SPD1，其通流容量为60KA～100KA；在机房内安装第二级限压型SPD2，其通流容量为20KA～40KA。为了实现第一级与第二级SPD之间有效配合，在SPD1和SPD2之间线距小于10m时，必须在这两级间串入解耦电感器。SPD的选择应考虑各级之间的能量分配和电压配合，在许多因素难以确定时，建议在机房内采用组合型串并式电源SPD。串并式是根据现代雷电防护中应用场合、保护范围、层次区分等特点提出的。其实质是经能量配合和电压分配的多级放电器与滤波技术的有效组合。直流电源线路应安装直流电源SPD对线路进行保护。

3.3　移动基站共用(联合)接地系统

接地是分流和排泄直接雷击和雷电电磁脉冲能量最有效的手段之一。没有接地装置或者接地不良的避雷设施就成了引雷入室的祸害。

YD5068-98规定移动基站铁塔地网、机房地网、变压器地网进行妥善连接，站内实行联合接地，并要求工频接地 电阻值应小于5Ω，对于年雷暴日小于20天的地区，接地电阻值可小于10Ω。经实践证明这是行之有效的规定。铁塔地网是泄放直击雷大电流的地网，直击雷电流是冲击电流，其地网用冲击接地电阻表示，而冲击电位在入地后是在地下不太深的地层中沿半球体成指数曲线衰减，越靠近直击雷电流引下线入地的地方其冲击电位越高。离开雷电流引入点愈远的地方，接地体上的电位就愈低，任何情况下，机房电子设备的接地引入线接地点与直击雷电流引下线入地点应有足够的间隔距离，YD5068-98规定相互离开5m以上，条件允许时应离开10m～15m，否则雷电冲击高电位将对弱电设备造成反击而受损。因此，机房电子设备的接地应从机房地网上引入地线。基站的环境有不同，但都要做机房地网，并用导体引接到机房去，机房内应设置局部等电位连接带，是LPZ1与LPZ2区界面处的等电位连接带；而机房地网应属于总等电位连接带的接地网，是LPZOB区与LPZ1区界面处的等电位连接。

机房内各种线缆的金属外层、设备保护接地、工作接地、金属构件、各种箱件、壳体、机架、屏蔽网等均以最短距离与局部等电位连接带连接。采用的是S型星形结构或M型网形结构的等电位连接网络，在这一连接处，电源系统可采用第二级电涌保护器(SPD)进行连接。

设置GSM基站地网有以下几种情况：

(1)基站建于城市现代建筑物的顶层

天线用铁塔支持，铁塔建在楼顶屋面上，避雷带、避雷网与现代钢筋混凝土建筑结构相结合，天线与铁塔的接地直接与避雷带、避雷网连接，防直击雷应纳入建筑物防直击雷系统。这种建筑物有庞大基础的接地网(包括与之相连的自然接地体)，基站机房的局部等电位连接带与共用接地系统的连接，可以从楼层中部的辅助等电位连接带或接地端子板上用接地线引入，亦可用接地干线与总等电位连接带连接后引至机房。

(2)租用民房建的基站

租用民房建立的基站如图1所示。铁塔在楼顶，两个方向接避雷带，其引下线的地电阻应小于10Ω。必须再做一个机房地网地电阻小于10Ω，两个地网间在0.6m地下用扁钢连成联合地网，相距应大于5m。机房内局部等电位连接带的引入线应从机房地网上引接。基站电源系统SPD1的接地线也应从该地网上另用导线引接，不能直接从防雷引下线的地网上引入。要因地制宜进行联合接地。

(3)机房设在铁塔旁的GSM基站

在某些平原地区或山上建立的移动基站，机房设在铁塔旁边时，要做好铁塔地网，泄放直击雷大的冲击电流。并做好机房地网进行等电位连接，为泄放小的雷电流提供通路。在建铁塔时，应充分利用塔基地桩内两根以上主钢筋作为铁塔地网的垂直接地体。当地网的接地电阻值达不到小于10Ω要求时，可扩大地网面积。在地网增设1圈环形接地装置或采用其他降阻措施。环形接地装置由水平接地体和垂直接地体组成，水平接地体周边为封闭式。也可在铁塔四角设置辐射状延伸接地体(如图2所示)。

机房地网应沿机房建筑物散水坡外设置环形接地装置，同时还应利用机房建筑物基础内两根以上主钢筋组成机房地网。当机房地网的接地电阻值达不到小于10Ω要求时，应沿环形接地装置设置人工垂直接地体或辐射状延伸接地体。

两个地网做好后再用扁钢连接成联合接地网。机房内局部等电位连接带应在铁塔地网较远处的机房环形接地网上引接。

(4)机房在铁塔下建的GSM基站

按照机房建在铁塔旁的情况做好铁塔地网，仍然应在铁塔侧5m外做一个机房地网，其接地电阻值应小于10Ω，并与铁塔地网连接成联合接地地网(如图3所示)。

在机房地网的中心用金属导体穿钢管屏蔽，从地下或离地平面0.5m的地上引进机房，钢管一端接地。机房内设置S型星形接地排。

(5)GSM基站地网优化设计

目前基站有各种各样的地网，接地电阻从几欧～十多欧不等，这主要是基站所处的地理环境和土质及站址所在地区土壤电阻率所决定。从理论上讲，防雷接地用有接地电阻越小越好，这是因为接地装置上流过的雷电流会使接地点的地电位升高，产生过高的接触电压和跨步电压，机房内的反击电压也高，因此地网的设计主要是从防雷的角度考虑，尽可能降低接地电阻。但对于山区基站实际所处的地理位置与雷电的活动区域有着一定的关系，而且土质很差，多为碎石土壤、风化岩或花岗岩石，表面土仅十几，几十厘米厚，土壤电阻率极高，要使基站地网接地电阻做的很小是很困难的。这种情况应对基站地网采用优化设计的办法降低其接地电阻值。仍然应做好铁塔地网和机房地网，从机房地网上引入接地线作局部等电位连接带(接地排)。地网的组成如图4所不。

它为环路互联联合的接地形式，有利于均衡基站地电位，增加雷电流散流能力，接地电阻主要决定于接地网的面积。作为复合接地体以水平接地体为主，且边缘闭合，其工频接地电阻的计算式R约为：R≈0.5p/A

R――工频接地电阻(Ω)：

p――土壤电阻率(Ω・m)

A――接地网的总面积(m2)

增大接地网的面积是降低接地电阻的主要因素，这时对接地电阻数值起主要作用的是接地体的外环部分，而不是网格内部接地体的数量。以外环水平接地体为主和垂直接地体为辅的环路组成，而环路外形由站址所处的地理环境所决定。

实践证明，接地是防雷系统的重要因素。往往采取了各种防雷措施还遭雷害，其主要原因是接地没有做好，或乱引接地线造成的。

移动基站还应注意建筑物和机房的屏蔽措施，非LPZ2区的机房不宜有大孔洞的窗户，以防御空间雷电电磁脉冲辐射能量对电子设备的损坏。