移动通信基站防雷目标及防护措施

时间:2022-09-25 11:20:20

移动通信基站防雷目标及防护措施

摘要:分析了移动通信基站雷击途径,防雷系统应以防止地电压反击和雷电波侵入为主要目标,并在此基础上详细介绍了移动通信基站铁塔和通信机房防雷、架空管线防雷、天馈线防雷、等电位连接以及降低接地电阻值等雷电防护措施,使防雷方案的制定做到技术可靠、经济合理。

关键词:通信基站;防雷系统;引入途径;防护措施

移动基站防雷是一个复杂的系统工程,由于移动通信基站分布范围广,位置处于制高点,容易遭受雷击灾害。雷电具有很强的破坏性,一旦通信基站遭受雷击,容易造成通信设备损坏,通信信号中断,给社会带来较大的经济影响,因此做好移动通信基站的防雷是一项重要的工作。

一、雷击移动通信站的主要途径

1.1雷电通过基站铁塔和天馈线侵入

一般的基站铁塔高度为40~60m,有些高达70~90m。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,使地网地电位升高,导致基站地网与设备之间产生很高的电位差而形成地电位反击,对通信设备造成损坏。如果天馈线为同轴电缆,在导体上感应出较强的感应电流,即为同轴电缆的感应电流。感应电流经同轴电缆从铁塔天线进入基站机房,进入收发信机,烧坏移动通信设备。

1.2雷电通过架空管线侵入

移动通信系统基站的架空管线是引入雷害的重要途径。当雷云放电时,其空间形成强大的电场,在架空管线靠近终端时,主要成分是水平电场,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着增加,架空管线很容易发生尖端放电而被雷电击中。当架空管线遇雷电侵袭时,将过电压引入基站机房,很可能烧坏基站的通信设备。雷云对地放电也会在架空管线上感应过电压,该过电压也会对电源设备造成威胁。

1.3雷电电磁感应影响

接闪器在接闪过程中,雷电流强度大,放电时间短,在接闪器和引下线周围将产生较大的瞬时电磁场。在强磁场作用下,处于磁场中的导体将产生高达几千至几万伏的感应电压,如此之高的感应电压势会造成通信设备的损坏。移动通信设备是集成化较高的设备,耐冲击力相对较差,因此受雷电感应的影响较大。

1.4基站机房引入雷电

当移动基站机房建在山顶上,机房位置的海拔高度很高时,直击雷可能绕过避雷针从横向及斜面击中被保护物,这种现象叫雷电绕击。在这种情况下,孤立的避雷针往往已不能防御雷电对机房的直击。因此,基站机房必须采取必要的防雷措施。

二、防雷系统目标

为了提高基站防雷系统的泄流能力,我们通常选用了80kA甚至100kA的大型防雷器,但是防雷效果却不令人满意,而且防雷器都是检测合格的入网产品。通过调查统计某市近两年来的雷击事故,得出一条重要数据:基站内设备被直击雷和雷电感应破坏的概率为零。这是因为基站设备(包括基站室外电力变压器)的位置普遍较低,完全处于建筑防雷设施、铁塔以及架空线路避雷系统的保护之下,雷电流只能沿铁塔避雷系统、架空线路避雷系统和建筑防雷等的避雷系统泄放,所以基站设备很难遭到直击雷损害。另外基站内的设备外壳、天馈线、走线架等金属物全部安装了接地保护,再加上与室外的雷击点和避雷器接地引线有足够的距离,所以雷电感应也很难发挥作用。几年来雷击事故的主要现象为:基站B级防雷器保护空开动作,部分单相交流设备和直流设备损坏。从中不难看出地电压反击和雷电波侵入是造成基站设备损坏的主要原因,所以基站防雷系统应以防止地电压反击和雷电波侵入为主要目标。

2.1防止地电压反击

地电压反击是当雷电流沿基站附近的避雷器对地泄放时,由于接地电阻的存在引起基站的地电位升高,基站直流负荷如BTS电源、开关电源的监控单元、基站的动力环境监控器等设备相对远端地一般都存在寄生电容,这些设备一端与工作接地相连,无流的远端地与基站的工作接地间存在电位差,因而产生差模脉冲电压,当超过设备的容许限度时必然造成设备的损坏。基站的单相交流负荷如基站空调、照明等设备的零线接在变压器的交流地上,当雷电流沿基站附近的避雷器对地泄放时,变压器的交流地和交流重复接地的电位也会升高,因此基站的单相交流设备也同样存在地电压反击的问题。

如何避免地电压反击造成的损失?一般很自然会想到使用交流过压保护器和直流浪涌抑制器,即在交流变压器的低压侧、基站交流配电箱的地零间加装交流过压保护器;在直流负载的电源输入端加装浪涌抑制器。所有交流过压保护器和直流浪涌抑制器必须靠近被保护的设备安装,避免被保护设备由于接地或电源引线过长引起脉冲反射。另外一个非常重要的问题就是将基站的工作接地与室外避雷器接地在基站地网上的引接点分开焊接,这样可以大大降低基站工作接地母排的电压浪涌幅值。通常雷电电流沿地网泄放时,在避雷器引下线与地网连接点附近土壤内形成一个强电位场,距离越近电压越高,将基站工作接地与室外避雷器接地分开,可以大大降低基站的反击电压。所以YD5068-98《移动通信基站防雷与设计规范》明确指出:基站工作地与防雷地在基站联合接地网上的引接点距离不应小于5m,条件允许时宜间距10m~15m。实际上除电力线路外,基站的铁塔遭雷击次数最多,与铁塔共用接地网的基站经常受到地电压反击的损害,如果铁塔地网边缘距离基站大于5m,应在基站附近另建环形工作接地网;条件差的基站可以沿铁塔地网与基站工作接地的引接线,补设接地桩;只能利用铁塔地网的基站也应把铁塔避雷接地的引接点与工作接地的引接点分别安装在对角塔基上。对于山顶基站尤其应注意将基站的工作接地与铁塔避雷接地及基站室外接地分开,因为山顶基站的接地电阻较大,接地引线较长,雷电流泄放相对缓慢,所以地电压反击比较严重。

降低接地电阻也有利于防止反击事故。接地电阻较大的山上基站,可利用塔基钢筋、蓄水池、无爆炸电击危险的金属管路等自然接地体降低接地电阻,埋设地桩有困难的山上基站也可从塔基沿山体的自然沟壑(最好选择阴暗潮湿的地方),制作横向辐射接地网,辐射接地网长度应小于30m,塔基四周辐射的横向接地网越多越有利于雷电散流。

2.2、适当选用电源线路保护空开防止雷电波侵入

避雷器的响应特性有软硬之分:气体放电管和火花间隙防雷器是基于斩弧技术的角形火花隙和同轴放电火花隙,当线路电压超过防雷器的击穿电压后,防雷器的绝缘电阻立刻急剧下降,放电能力较强,残压相对较高,恢复电压低于原来的击穿电压,属于硬响应特性;属于软响应特性的是压敏电阻和浪涌抑制二极管,其特点是响应时间短,放电电流小,残压低而且恢复电压基本不变。避雷器的直流1mA参考电压是我们选择避雷器的绝缘要求,硬响应的防雷器的工频后续电流和防雷器绝缘劣化可能造成线路短路,所以防雷器前面应该配置过流保护空气开关或熔丝,其额定电流应小于防雷器的最大短路允许强度。如果主电路保护空开大于防雷器的最大保险丝强度,应设避雷器分路保护空开。

雷电波的脉冲宽度为纳秒级,所以一般防雷器均以响应时间达到纳秒为标准,有人就把基站的防雷系统按照纳秒级防雷时间进行设计,比如在C级防雷器上加装了很小的保护空开如20A或32A,认为这样既防雷又安全。实际上,在所有基站设备发生过压损坏的雷击事故中,由于防雷器保护空开的断路作用,防雷器并没有完全起到泄放雷电、限制电压的作用。这种事例从反面证实了应该选用较小设备的保护空开,并且使防雷器紧靠被保护设备安装,使被保护设备与防雷器具有相同的安全级别。

纳秒级的雷电波在对地泄放中产生的地电压反击和雷电波侵入作用时间可能被延长至毫秒级甚至更长,我们在选用防雷器和设备的保护空开时,应根据防雷器的最大允许熔丝电流和线路的进线容许短路电流以及设备的负荷电流综合考虑,一般应按如下标准选择:

设备的总保护空开额定电流>设备的负荷电流;

设备的总保护空开额定电流≤防雷器的最大允许熔丝电流;

设备的总保护空开额定电流

三、通信基站的综合防雷措施

3.1铁塔的防雷

铁塔顶部天线平台处,塔身中部及塔基处应预留接地孔,或将附近塔身紧固螺栓改用加长紧固螺栓作接地点。因铁塔较高,上述相邻2个接地点之间距离超过60m时,需在该网点之间增加1个接地点。一定要保证连接点的数量和分散性,以利于分散雷电流。铁塔为落地塔时,其铁塔地网与机房地网之间应每间隔3~5m相互焊接连通1次,且至少有2处相互连通。铁塔四脚与其他地网就近焊接连通。移动通信天线应有防直击雷的保护措施。天线铁塔设避雷针并与铁塔焊接。天线安装位置应在避雷针的防雷保护区内。避雷针与铁塔焊接的目的就是确保避雷针有良好的接地线,以保证雷电流及时流入大地。

3.2架空管线的防雷

连至机房的电力线、光缆等架空管线不能直接进入,应分类穿入金属管埋地后进入机房。若路程较长,则电力线、光缆两端均应加装保护装置。金属管两端分别与地线焊接,焊点要作防腐处理,电力线与信号线不能混合走线。各系统的接地应按照安装要求,分别接至各自的接地汇流排,再统一接至室内接地排。机房内直流电源接地线从室内地线排上引入,与保护地各自独立,再接入接地汇流排上,且不共用引线。

3.3天馈线的防雷

馈线屏蔽层应在塔顶、馈线离开塔身至机房转弯处上方0.5~1.0m处、进入机房入口后的内侧3点妥善接地。当长度超出60m时,应在其中间增加接地点,使相邻2个接地点间距离不超过60m,室内走线架应每隔5~10m接地1次。某些厂家要求馈线进入室内后加装避雷器,避雷器的安装位置应尽可能紧靠馈线进建筑物的入口处。

3.4通信机房的防雷

对于通信机房的防雷问题应包括机房的建筑物防雷接地、机房设备和供电系统的防雷接地。一是建筑物的防雷和接地。通信机房天面应按规范要求设置避雷网,机房四角应设引下线,机房屋顶上金属设施应分别就近与避雷带焊接连通。当通信站点天线铁塔位于机房旁边时,铁塔地网与机房地网之间,应每间隔3~5m相互焊接连通1次,且至少有2处相互连通。当通信站点天线铁塔位于机房屋顶时,其四脚应在屋顶与雷电流引下线分别就近连通。建筑物金属窗框、电缆屏蔽层、设备外壳等也应与主钢筋作可靠连接,形成等电位体[4-5]。二是供电系统的防雷和接地。通信机房内等电位接地端子板之间应采用螺栓连接,其连接导线截面积应采用不小于16mm2的多股铜芯导线,穿钢管敷设。出入机房的电缆金属护套在入站处应作保护接地,电缆内芯线在进站处应加装避雷器,电缆内的空线对亦应作保护接地。机房内的走线架应每隔5m接地1次,走线架、吊挂铁件、机架(或机壳)、金属通风管道、金属门窗以及其他金属管线均应良好接地并相互连通。通信机房的供电电力变压器不宜与通信机房在同一建筑物内,若其安装在通信机房内时,高压电力电缆长度应不小于200m,在与架空电力线的接头处,电缆金属外护层应就近接地,电缆内3根相线应分别对地加装氧化锌无间隙避雷器。

3.5等电位连接

移动通信基站地网应按均压、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,基站内各类接地线应从接地汇集线或接地网上分别引入。对于高土壤电阻率地区的高山基站地网,除了要降低其地阻值外,最重要的是进行等电位连接、屏蔽以及均压处理,以达到各部分之间的电位分布均匀,使电位差为“零”,从而确保雷电流不会对各部分造成高压反击及减小电磁干扰。

3.6实现分级防雷

防雷器的残压是保护基站设备的重要参数,一般来讲,泄流能力强的防雷器,响应时间长,残压高。世界上没有任何一种防雷器能满足所有混合雷电冲击波、残压以及响应时间指标的要求,所以应根据基站电源设备的绝缘等级划分防雷层次,实现多级防护,对雷电能量逐级减弱,使各级防雷器残压相互配合,最终使过电压值限制在设备绝缘强度之内。我们认为应该结合YD5078-98《通信工程电源系统防雷技术规定》和基站的实际情况,从交流电力网高压线路开始,根据基站主要电源配套设备的耐雷电冲击指标和防雷器残压要求,采取分级协调的防护措施,进行基站的防雷系统设计。

实现各级防雷器的能量分配与电压配合的要点在于利用两级防雷器之间线缆本身的感抗。电缆本身的感抗有一定的阻碍电流及分压的作用,使雷电流更多地被分配到前级泄放。当保护地线与其它线缆紧贴敷设或处于同一条电缆之内时,要求两级防雷器之间线缆长度在15m左右,当防雷器接地线与被保护电缆有一定距离(>1m)时,要求线缆长度大于5m即可。在一些不适合采用线缆本身作退耦措施的,如两级防雷器靠近或线缆长度较短时,可利用专门的退耦器件,此处没有距离方面的要求。

当电力变压器设在站内时,在变压器高压侧和低压侧的三相线应分别对地加装无间隙氧化锌避雷器,作为供电线路的A级和B级过电压保护;当220V/380V低压供电线路直接进入基站时,应首先进入一楼进行B级过电压保护,在一楼设置B级过电压保护有困难时,应在机房所在楼层配电箱处设置B级过电压保护,此时须保证B级与C级电源避雷器之间的供电线路有15m以上的距离,以确保B级避雷器的正常响应。如果距离太近,势必造成C级防雷器响应超前于B级防雷器,B级防雷器没动作,C级防雷器可能被烧毁。基站的交流稳压器应该安装在B级防雷器的后面,C级防雷器的前面。

市电进入基站机房后,应在机房内配电箱的输出端加装相应的C级电源避雷器,C级电源避雷器技术参数如下:

雷电通流量≥2kA;响应时间≤25ns;残压峰值≤1.3kV(标称放电电流为1.5kA等级)。

为了进一步防止雷电过电压的危害及当供电线路发生故障时造成的危害过电压,需在开关电源等交流负荷电源进线端的空开后加装D级防雷器,在直流配电屏的输出端上安装浪涌吸收装置(直流避雷器),作为电源线路的E级过电压保护,并在直流负荷设备的电源入口处安装浪涌吸收装置。对于雷害严重的地区或有雷害史的移动通信基站可考虑多加装一级交流电源避雷器,确保供电线路的防雷安全。交流配电箱、开关电源等所有负荷设备的内部防雷器接地端子应与机壳就近连接。如果负荷设备的内部防雷器与上一级避雷器之间的距离太近,无法达到15m,则负荷设备的内部防雷器则可采用串联型避雷器,即去耦合电感。

四、总结

基站防雷系统是个整体防御性工作,需要各个环节紧密配合,保证通信网络畅通、人员和设备安全,涉及基站铁塔、天馈线、土建、供电、设备安装以及周围建筑等许多方面,需要我们树立长远的战略目标,不断总结经验,从实际情况入手,不断提高防雷技术水平和基站的防雷能力。

参考文献

[1]YD5098-2005通信局(站)防雷与接地工程设计规范[S].北京:北京邮电大学出版社,2006.

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