移動通信基站防雷與接地技術(shù)的研究

朱 明，曾明育，于 瀟

（廣西欽州市氣象局，廣西 欽州535000）

近十年，移動通信行業(yè)迅速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國，而移動通信基站的正常運行是移動通信暢通的保障。長期以來，移動通信基站遭受雷擊損壞設(shè)備、影響信號發(fā)射等情況頻繁發(fā)生。特別是在雷暴日數(shù)多和雷暴強度較高的地區(qū)，雷電災(zāi)害事故更為嚴(yán)重。工業(yè)與信息化部郵電設(shè)計院（現(xiàn)中訊郵電咨詢設(shè)計院）曾對全國十幾個省市通信局（站）遭雷擊情況進行過調(diào)查統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)雷擊造成通信設(shè)備損壞的事故中，有75%左右是因為雷電過電壓侵入移動基站供電系統(tǒng)而引起的。移動通信基站的供電系統(tǒng)和站房內(nèi)設(shè)備的正常運行，是保證信號正常發(fā)射和接收的基礎(chǔ)，因此做好移動通信基站的防雷措施特別是天饋系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和站房內(nèi)設(shè)備的防雷安全至關(guān)重要。

1 雷電形式及對移動通信基站的危害

雷電主要有直擊雷、感應(yīng)雷、雷電波侵入和雷擊電磁脈沖等四種形式。

（1）直擊雷

直擊雷是指閃電直接擊在建筑物、大地或防雷裝置上，產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機械效應(yīng)。直擊雷的危害是巨大的，基站一旦遭受直擊雷，而又沒有安裝合格的防直擊雷裝置，則會擊毀基站的鐵塔、房屋、通信設(shè)備，以及傷害工作人員。

（2）感應(yīng)雷

感應(yīng)雷又稱雷電感應(yīng)，它是通過雷云之間或雷云對地放電，在附近的線路，管道、構(gòu)架等類似傳導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，又叫二次雷效應(yīng)。雷電感應(yīng)又分為靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。它主要會對移動基站內(nèi)的設(shè)備造成危害，危害程度雖然沒有直擊雷嚴(yán)重，但其發(fā)生的概率卻比直擊雷高得多。

（3）雷電波侵入

雷電波侵入指由于雷電對架空線路或金屬管道的作用，雷電波可能沿著這些管線侵入屋內(nèi)。它是由雷擊在通信線路或金屬管道上產(chǎn)生的沖擊電壓沿線纜或管道向兩個方向迅速傳播的過電壓波。當(dāng)通信設(shè)備與傳輸線纜金屬管道有直接連接時，便有可能發(fā)生雷電波入侵通信設(shè)備。閃電在空間的通道或閃電進入地上建筑物的避雷針系統(tǒng)以后產(chǎn)生的瞬變電磁場，都會在空間一定范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁作用。

（4）雷擊電磁脈沖

雷擊電磁脈沖指閃電直接擊在建筑物防雷裝置和建筑物附近所引起的效應(yīng)。絕大多數(shù)是通過連接導(dǎo)體的干擾，如雷電流或部分雷電流、被雷電擊中的裝置的電位升高以及電磁輻射干擾。后兩種雷害都會對基站內(nèi)的設(shè)備造成損害。

2 移動通信基站的防雷措施

2.1 基站天饋系統(tǒng)的防雷

移動通信基站的天饋系統(tǒng)是移動通信系統(tǒng)的重要組成部分，其性能優(yōu)劣對整體移動通信質(zhì)量的影響至關(guān)重要。因此無論基站建在什么地方，天線一定要在接閃器的保護范圍內(nèi)，即在直擊雷保護區(qū)內(nèi)。依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057—2010），直擊雷保護系統(tǒng)由接閃器、引下線、接地裝置組成。為了達(dá)到更好的通信信號發(fā)射和接收效果，移動通信基站的鐵塔一般都裝設(shè)得很高，因此鐵塔頂部的避雷針建議采用直徑為16 mm的鍍鋅圓鋼。塔身可以作為防雷引下線使用。在鐵塔底部宜用兩根直徑不小于10 mm鍍鋅圓鋼沿對角分別與接地裝置連接。天饋線應(yīng)安裝在鐵塔的保護范圍內(nèi)。

天饋系統(tǒng)除了要作直擊雷防護外，還應(yīng)包括對感應(yīng)雷、雷電波侵入和雷擊電磁脈沖的防護。天饋線宜用雙層屏蔽電纜或單層屏蔽電纜套金屬管在鐵塔中央敷設(shè)，屏蔽層應(yīng)在鐵塔上端和下端各接地一次，入戶處再接地一次。鐵塔高度超過60 m時中間再接地一次。處于中雷區(qū)以上且饋線較長時，在機房入口處宜安裝天饋線電涌保護器。架空電纜吊線的兩端和架空電纜線路中的金屬管道應(yīng)接地。信號電纜應(yīng)采用屏蔽電纜或護套電纜穿金屬管埋地進線，應(yīng)安裝信號電涌保護器（信號SPD）。電涌保護器、電纜金屬層應(yīng)接地，空線對應(yīng)短接并接地。光纖屏蔽層和加強芯應(yīng)接地。

所選擇安裝的信號電涌保護器，一是要達(dá)到能順利有效地釋放天饋線上的雷擊電流，保護通信設(shè)備免受雷擊。選擇信號SPD時，必須根據(jù)移動通信基站所在地的年雷暴日數(shù)設(shè)雷電電流大小等具體情況來選擇確定安裝在天饋線上的信號SPD技術(shù)參數(shù)，并將信號SPD安裝在通信設(shè)備的饋線入口附近，將信號SPD的保護地就近連接到機房內(nèi)等電位連接端子板上。二是要保證整個天饋系統(tǒng)的良好匹配，使信號的傳輸穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確。如果信號SPD與天饋系統(tǒng)不匹配，就會降低發(fā)射機的有效功率，縮小單基站的有效覆蓋面積，使用手機是會出現(xiàn)接收電平低、回聲、上網(wǎng)速度慢等現(xiàn)象。防雷是移動通信基站建設(shè)中的一個輔助工程，建站建設(shè)最重要的是考慮網(wǎng)絡(luò)覆蓋、通信質(zhì)量因素，不允許因為防雷工程中安裝了SPD而使單站的有效覆蓋面積縮小和使通信質(zhì)量下降。依據(jù)《通信局（站）雷電過電壓保護設(shè)計規(guī)范》（YD/T5098—2001）中5.4.1規(guī)定：“同軸型SPD的插入損耗≤0.2 dB，電壓駐波比≤1.2”。因此，移動通信基站的信號SPD應(yīng)滿足以上要求，保證信號SPD與天饋線匹配。

2.2 基站電源系統(tǒng)的防雷

根據(jù)《移動通信基站防雷與接地設(shè)計規(guī)范》（YD5068—98）要求，基站交流供電系統(tǒng)應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的TN—S系統(tǒng)。依據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB50343—2004）的規(guī)定，基站電源系統(tǒng)應(yīng)分四級浪涌保護。第一級保護是電源SPD，用于從雷電防護區(qū)的用戶LPZ0B區(qū)到LPZ1區(qū)的用戶主配電柜的雷電防護，安裝于電源線進入基站總配電箱處。標(biāo)稱放電電流應(yīng)大于80 kA（8/20μs），電壓保護水平Up等于2.0kV，此處的SPD主要是泄放大部分電流，并在一定程度上降低雷電過電壓。第二級保護應(yīng)裝在進入機房交流屏的入口處（LPZ1區(qū)與LPZ2區(qū)界面交界處），標(biāo)稱放電電流應(yīng)大于40 kA（8/20μs），電壓保護水平Up等于1.8 kV，此級的作用是進一步降低電壓幅度。第三級應(yīng)裝在被保護電子設(shè)備的電源線入口端，標(biāo)稱放電電流應(yīng)大于20 kA（8/20μs），電壓保護水平Up等于0.8 kV，使電壓箝位在被保護電子設(shè)備的耐受電壓范圍內(nèi)。第四級保護，對于直流電源線路應(yīng)裝在直流電源供電前端，對被保護電子設(shè)備能作精細(xì)保護。

2.3 建筑物（站房）的防直擊雷措施

移動通信基站房一般不是很大，高度一般是3 m左右，可以參考第三類防雷建筑物要求設(shè)置防直擊雷裝置。不過為了更好地起到防雷效果，建議在建筑物四角各設(shè)置一根引下線與接地裝置連接。引下線明敷時可以選用直徑不小于8 mm的鍍鋅圓鋼，利用建筑物本身的柱筋或暗敷引下線時則應(yīng)選用直徑不小于10 mm的鍍鋅圓鋼。建筑物屋頂上宜沿屋檐設(shè)置一圈避雷帶，避雷帶材型宜選用直徑不小于8 mm的鍍鋅圓鋼，另在檐角位置設(shè)置避雷針，用材為直徑不小于12 mm的鍍鋅圓鋼。避雷針、引下線、接地裝置宜采用焊接連接，焊接部位應(yīng)做刷漆或鍍鋅等防腐處理。其搭接長度應(yīng)滿足下列規(guī)定：雙面焊接，圓鋼與圓鋼搭接為圓鋼直徑的6倍；單面焊接，圓鋼與圓鋼搭接為圓鋼直徑的12倍。

2.4 建筑物（站房）和線路的屏蔽

在發(fā)生雷擊時，由雷電暫態(tài)電流產(chǎn)生的暫態(tài)電磁脈沖變化是很快的，能使在其附近一定范圍內(nèi)的未屏蔽電子設(shè)備受到干擾和損壞。由國外進行的摸擬實驗表明：在不加屏蔽的條件下，使電子設(shè)備（計算機）失效的脈沖磁感應(yīng)強度Bt＝0.007×10－4T，使電子設(shè)備元器件損壞的脈沖磁感應(yīng)強度Bd＝2.4×10－4T。參考這些數(shù)據(jù)，可以進一步估計雷電脈沖磁場對電子設(shè)備引起的工作失效率和元件器損壞率。

屏蔽是一種直接而有效地控制電磁干擾的方法。屏蔽是指用良導(dǎo)體將干擾源或敏感體（受干擾的設(shè)備或部件）包圍起來，以隔離被包圍部分與外界電的、磁的或電磁的互相干擾。屏蔽措施不是孤立的，必須和其它防雷措施結(jié)合起來，良好的接地是屏蔽措施的關(guān)鍵。對于移動通信基站應(yīng)分為站房屏蔽接地與線路屏蔽接地兩部分。

2.4.1 建筑物（站房）的屏蔽

建筑物的屏蔽，它指的是利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋（建筑物內(nèi)地板、天花板、墻面及梁、柱內(nèi)的鋼筋等），在相交處電氣連接，并與金屬門框焊接，在門窗上分別加裝金屬網(wǎng)并與門窗實施有效的電氣連接，使其構(gòu)成一個六面體的網(wǎng)籠（籠式避雷網(wǎng)），從而實現(xiàn)屏蔽。該屏蔽籠在導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上雖然是稀疏的，但它可以構(gòu)成對電磁脈沖輻射的初級屏蔽。金屬導(dǎo)體、電纜屏蔽層及金屬槽（架）等進入站房時，應(yīng)做等電位連接。

2.4.2線路的屏蔽

變壓器低壓側(cè)電力線應(yīng)采用帶金屬絕緣層的埋地電纜并穿入金屬管內(nèi)埋地敷設(shè)。需要保護的信號線纜，宜采用屏蔽電纜，且應(yīng)在屏蔽層兩端及雷電防護區(qū)交界處做等電位連接并接地。為了防止由多點接地所產(chǎn)生的低頻干擾，可將電纜穿人金屬管內(nèi)或采用雙屏蔽電纜，將金屬管或雙屏蔽電纜的外屏蔽層的兩端與兩電子設(shè)備外殼分別連接并就近接地，金屬管內(nèi)的電纜單屏蔽層或雙屏蔽電纜的內(nèi)屏蔽層可以采用一端接地，這樣既可以保證安全，又有利于抑制低頻干擾。

2.5 等電位連接

等電位連接是感應(yīng)雷防護的一個重要措施，花費少，防雷效果卻很明顯，其目的是減少電磁輻射感應(yīng)出來的雷電流所引起的電位差。等電位連接的方法是在站房內(nèi)，圍繞站房四周，在地上設(shè)置接地母線，此母線在四角與站房處的接地線連接，連接點間距不大于18 m。房內(nèi)各種電纜的金屬外皮、金屬外殼、各種金屬管道、金屬門柜、金屬進風(fēng)管、走線架、設(shè)備防靜電接地、安全保護接地、浪涌保護器（SPD）接地端等均應(yīng)以最短距離與環(huán)行的接地母線連接，這樣，電子設(shè)備和導(dǎo)線即處在一個“法拉第籠”內(nèi)。

3 接地系統(tǒng)的做法

移動通信基站和站房的地網(wǎng)應(yīng)圍繞鐵塔和建筑物做成環(huán)形閉合網(wǎng)格狀地網(wǎng)，鐵塔地網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸不大于3 m×3 m，鐵塔地網(wǎng)、建筑物防雷地網(wǎng)、變壓器地網(wǎng)應(yīng)3 m～5 m連接一次，且連接點不少于兩處。防雷地、工作地、防靜電地、安全保護地、防感應(yīng)雷地必須共用同一接地裝置。接地體距地面不小于0.7 m，在人行道附近不小于1.0m。垂直接地體長度為1.5 m～2.5 m，間距為1.5～2.5倍。

站房接地引入線應(yīng)使用截面積不小于95 mm2的多股銅絞線或≥40 mm×4 mm的扁鋼，長度不宜超過30 m。接地引入線從地網(wǎng)中心部位就近引出，引出點避開防雷引下線和鐵塔塔腳。當(dāng)基站建在辦公樓或大型公用建筑上時，接地引入線可從機房柱筋或鄰近預(yù)留接地端子引出。站房內(nèi)環(huán)行接地匯集線應(yīng)使用截面積不小于90 mm2的銅材或160 mm2扁鋼，并應(yīng)就近與建筑鋼筋多點連通。采用星形連接方式的站房，總匯流排應(yīng)為不小于400 mm×100 mm×5 mm的銅排。如采用二級接地匯流排的，兩級匯流排之間的連接線應(yīng)采用不小于70 mm2的多股銅線。

4 結(jié) 語

移動通信基站的防雷系統(tǒng)是保證信號正常發(fā)射和接收的基本措施。在基站設(shè)計施工時，防雷系統(tǒng)應(yīng)遵循層層設(shè)防、多級分流保護原則，采取多層與多類防護措施相結(jié)合的綜合防護措施，這樣才能較好地減少雷電給移動通信造成的影響。

［1］ 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范（GB50057－2010）［S］.北京：中國計劃出版社，2011.

［2］ 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范（GB50343－2004）［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］ 通信局（站）雷電過電壓保護工程設(shè)計規(guī)范（YD/T5098－2001）［S］.北京：中國信息工業(yè)出版社，2001.

［4］ 移動通信基站防雷與接地設(shè)計規(guī)范（YD/T5068－98）［S］.北京：中國信息工業(yè)出版社，1998.

［5］ 李姜宏，黃樹燕，林鉑岷.移動通信基站防雷設(shè)計與接地技術(shù)［J］.氣象研究與應(yīng)用，2009，30（3）：81－83，90.

［6］ 劉 庭.移動通信基站防雷優(yōu)化設(shè)計［J］.無線通信技術(shù)，2009，（1）：25－27.