移動通信基站的防雷保護(hù)

許能文

摘 ?要：移動通信基站防雷保護(hù)是整個無線通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，但是移動通信基站防雷保護(hù)在整個通信建設(shè)中占的比例并不大但卻非常關(guān)鍵。運(yùn)營商在通信基站防雷保護(hù)主要是根據(jù)接地電阻來要求建設(shè)接地網(wǎng)大小，而接地網(wǎng)的大小卻不是越大越有防護(hù)能力，雷電的影響原因復(fù)雜。文章主要針對目前通信基站防雷保護(hù)需要多少接地電阻，需要多大接地網(wǎng)面積，做出可在不考慮接地網(wǎng)不論土壤電阻率、不論接地網(wǎng)的接地電阻大小的概述，并對存在的問題做出相應(yīng)的闡述，通過泄放和均衡來采取雷電防護(hù)系統(tǒng)三部分相應(yīng)的對策。

關(guān)鍵詞：移動通信基站;接地電阻;防雷保護(hù)

中圖分類號：TN929.5 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）36-0057-04

1 ?概 ?述

雷電帶給人類生活很大的影響。在遠(yuǎn)古時(shí)代，雷電所產(chǎn)生的極為壯觀的聲、光、電現(xiàn)象，或因此而引起森林的火災(zāi)，就可能啟發(fā)了人們對火的發(fā)現(xiàn)和利用;由此產(chǎn)生的有機(jī)化合物的合成更可能是地球生命起源物質(zhì)之一。在現(xiàn)代生活中，雷電仍對人類的生命安全有所威脅，對航空、通信、電力、建筑等國防都有重大影響，因此雷電現(xiàn)象的物理機(jī)制及其防護(hù)問題一直為人們所關(guān)注。

通信基站的防雷是我們鐵塔公司目前需要解決的重要問題，它直接影響到三家運(yùn)營商通信設(shè)備運(yùn)行安全，更會有所威脅到基站附近人畜的生命安全。但雷電的產(chǎn)生是一個復(fù)雜的過程，極古老又普遍的現(xiàn)象，國內(nèi)外至今尚無這方面完善的專著。可是閃電放電問題多方面的復(fù)雜性，使得任何人要想通曉所有積累的成果并完全領(lǐng)會它們的意義幾乎是不可能的。

2 ?面臨的問題

筆者只能根據(jù)氣象學(xué)家和物理學(xué)家各自進(jìn)行的許多閃電現(xiàn)象的研究結(jié)果，與設(shè)計(jì)院、施工隊(duì)在以往施工實(shí)踐聯(lián)系起來，談?wù)劰P者個人看法解決我們所面臨的問題。

2.1 ?第一個問題：通信基站接地電阻的問題

按照國家通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：（YD5068-98）5.0.1條文規(guī)定移動通信基站地網(wǎng)的接地電阻值應(yīng)小于5 Ω，對于年暴日小于20 d的地區(qū)，接地電阻值可小于10 Ω。

（GB 50689—2011）6.2.6條文規(guī)定基站地網(wǎng)的接地電阻值不宜大于10 Ω。

對于土壤電阻率大于1 000 Ω·m的地區(qū)，可不限制基站的工頻接地電阻，應(yīng)以地網(wǎng)面積的大小為依據(jù)。

按照以上兩條規(guī)范，那么我們鐵塔公司將面臨著很大的難題。人工接地體在均勻土壤中單一接地體電阻計(jì)算公式。

2.1.1 ?垂直接地體

①管形接地體。

R=■In■

②等邊角鋼接地體。

R=■In■

2.1.2 ?水平接地體

扁鋼接地體：

R=■In■

其中，d為管狀直徑，m;b為角鋼、扁鋼邊長，m;ι為垂直接地極長度，m;t為由地面到管頂埋深，m。

各種土壤的電阻率如下：

①陶粘土、泥炭、泥灰?guī)r、沼澤地、黑土、園田土、白堊土電阻率近似值10～50 Ωm。

②砂質(zhì)粘土、黃土、含沙粘土電阻率近似值100～300 Ωm。

③多石土壤、紅色風(fēng)化粘土、下層紅色質(zhì)巖、表層土類、石下層礫石電阻率近似值400～600 Ωm。

④砂、砂礫、砂層深度大于10 m、地面粘土深度小于1.5 m，底層多巖石電阻率近似值1 000 Ωm。

⑤巖石電阻率近似值5 000～20 000 Ωm。

⑥混凝土電阻率近似值40～18 000 Ωm。

按以上公式計(jì)算：如果我們采用50*50*5（mm）角鋼每根長 2 m埋深0.6 m做接地體，按土壤的電阻率400～600 Ωm計(jì)算， 那么5 Ω接地網(wǎng)就需25～38根。

按每根接地體相隔距離是接地體本身長度的2倍，那么地網(wǎng)占地面積256～416m2。;作為建宏基站征購?fù)恋剡€可以，如果是建微基站、微微基站基礎(chǔ)設(shè)施投資太大也不利于環(huán)境保護(hù)。

2.2 ?第二個問題：通信基站接地電阻的測試問題

（GB 50689—2011）通信局（站）防雷與接地工程設(shè)計(jì)規(guī)范條文：附錄E，接地電阻的測E.0.1地網(wǎng)接地電阻的測試，E.0.1-1或圖E.0.1-測試。E.0.2三極法測試方法應(yīng)按本規(guī)范圖E.0.1-1（a）接線，如圖1所示。且應(yīng)符合下列要求：

①電流極與接地網(wǎng)邊緣之間的距離d13應(yīng)取接地最大對角線長度D的4～5倍，d12的電壓極到接地網(wǎng)距離宜為電流極到接地網(wǎng)距離所占比例的一半左右。測量時(shí)，沿接地網(wǎng)和電流極的連線應(yīng)移動三次，每次移動為d13的5%。

②如果d13取4D—5D有難度，在土壤電阻率較均勻的地區(qū)，可取2D，d12可取D;而在不均勻的地區(qū)，d13可取3D，d12可取1.7D。

③可用三角法和直線法對比互校，如圖2所示，也可采用幾個方向的測量值互相比較。

④電流極和電壓極都需可靠接地。

像這種測試方法只適宜土壤電阻率小于100 Ω。當(dāng)接地電阻值達(dá)不到所需要求值時(shí)，施工隊(duì)繼續(xù)挖溝打接地極擴(kuò)大地網(wǎng)面積，檢測人員又用這種測試方法反復(fù)三次最終還是達(dá)不到要求。不只是勞命傷財(cái)，更破壞了地理環(huán)境。

老百姓深受其害移動挖、聯(lián)通挖、電信挖、廣電挖，挖掉了民心，挖掉了和諧。針對這種情況，我們看看氣象學(xué)家對雷電的研究。

3 ?關(guān)于雷電的相關(guān)研究

3.1 ?雷電活動分布規(guī)律的情況

①從地理緯度上看，赤道最高，再分別向赤道南、北遞減。

②溫濕熱地區(qū)比冷而干地區(qū)雷擊頻率高。

③建筑群中個別潮濕的建筑物（如冷凍庫等）易遭雷擊。

④尖屋頂及高聳建筑物、構(gòu)筑物（如水塔、煙囪天線、旗桿等）易遭雷擊。

3.2 ?雷電活動選擇性的情況

3.2.1 ?土壤電阻率的相對值要小，利于電荷的很快聚積

如大片土壤電阻率就較大，小的地方就容易受雷擊。而土壤電阻率突變的地方最易受雷擊，如一些巖石與土壤的交界處。

3.2.2 ?從地形上看

要利于雷雨云的形成與相遇。雷擊機(jī)會在分布上，突出為山的東坡多于北、西北坡。

①雷擊機(jī)會在分布上，突出為山的東坡多于北、西北坡;

②山中的局部平地受雷擊機(jī)會大于峽谷（這是因?yàn)楠M谷窄不易曝曬和對流，缺乏形成雷擊的條件）;

③湖邊、海邊遭受雷擊機(jī)會較小，但海邊如有山岳，則靠海一側(cè)山坡遭受雷擊機(jī)會較多;

④雷擊的地帶與風(fēng)向一致，風(fēng)口或順風(fēng)的河谷容易遭受雷擊。

3.2.3 ?從地面物體上看

要充分利用雷雨云與大地建立較好的放電通道。

①孤立或建筑群中高聳的建筑物易受雷擊;

②排出導(dǎo)體的廢氣管道容易遭受雷擊;

③層頂為金屬結(jié)構(gòu)，地下埋有大量金屬管道，室內(nèi)裝有大量金屬槽道、走線架及金屬設(shè)備場所易受雷擊。

4 ?物理學(xué)家對雷電危害的研究以及雷電的危害

4.1 ?直接雷：電效應(yīng)、熱效應(yīng)、機(jī)械力

4.1.1 ?直接雷擊

雷電的先導(dǎo)前端到達(dá)地面上10 m左右的地方時(shí)產(chǎn)生閃擊，由此產(chǎn)生的電場強(qiáng)度達(dá)到臨界值，此時(shí)地面上的垂直導(dǎo)體即能激發(fā)出一個短的向上流光，這種現(xiàn)象就是直接雷擊。其電流路徑將從垂直導(dǎo)體流入地下。入地的雷電流持征是波首短而波尾長。

雷云之間、雷云與大地之間的主放電通道產(chǎn)生極大的熱能并由此產(chǎn)生對大自然的破壞就是直接雷擊。而這種雷擊破壞方式多樣，以人畜傷亡、房屋倒塌、森林火災(zāi)等為破壞主要方式。

4.1.2 ?防御的常見方法：避雷針、防雷器、截獲器。

避雷針的方法：將雷電定向引導(dǎo)至接閃器上，以接閃器代替被保護(hù)物受雷擊。

防雷器的方法：以防雷元件特定阻抗來減弱雷電流，并對雷電流脈沖前沿進(jìn)行展寬。

截獲器的方法：其主要機(jī)理是在雷電流作用下，截獲器產(chǎn)生比避雷針大的多數(shù)量級而起到攔截電流到保護(hù)區(qū)域外。如此就可把雷電流從保護(hù)區(qū)域引開。

4.2 ?雷擊電磁脈沖（感應(yīng)雷）

靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、電磁脈沖、雷擊反擊。

4.2.1 ?感應(yīng)雷擊

雷電流在避雷針?biāo)闹墚a(chǎn)生的強(qiáng)大感應(yīng)磁場在金屬導(dǎo)線導(dǎo)體上感應(yīng)出極大的電壓。雷電現(xiàn)象處于先導(dǎo)放電階段時(shí)在金屬導(dǎo)線導(dǎo)體表面感應(yīng)出異性電荷，在主放電階段結(jié)束這部份異性電荷因入地途中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。其他落雷的雷爆和其他操作點(diǎn)的電磁爆也在金屬導(dǎo)線導(dǎo)體上感應(yīng)的過電壓。

感應(yīng)雷擊破壞對象的主要有電子電氣設(shè)備、電子設(shè)備中計(jì)算機(jī)、交換機(jī)、有線無線轉(zhuǎn)換器、干線放大器等。

4.2.2 ?防止感應(yīng)雷擊的辦法

主要采用等電位、隔離、疏導(dǎo)等辦法。

4.3 ?雷電入侵波

產(chǎn)生雷電入侵波的機(jī)理是來自落雷點(diǎn)建筑物雷電高電位的沖擊，還有來自落雷點(diǎn)建筑物雷電反沖擊電流。

引入雷電入侵波的主要路由是：信號線路、傳輸線路、電源線路、接地線路。

防御方法主要采用等電位、隔離、疏導(dǎo)等辦法。

4.4 ?隨機(jī)雷擊

隨機(jī)雷擊是一種隨機(jī)性突發(fā)性破壞性都非常大的雷擊現(xiàn)象（滾地球雷、側(cè)擊雷）。至今無有效防治方法。

雷擊對某一特定對象進(jìn)行破壞時(shí)，其渠道是多種多樣的。有直接雷擊通道、有感應(yīng)雷擊通道、有雷電入侵波進(jìn)雷通道、有地電位反擊通道。

結(jié)合氣象學(xué)家和物理學(xué)家對雷電各自研究方法所得的結(jié)果聯(lián)系起來，用來解決我們面臨問題的條件，是至關(guān)重要的。

筆者認(rèn)為今后各類基站做接地網(wǎng)時(shí)可以根本不用考慮接地電阻值這個問題。因?yàn)榻拥仉娮璐笮〉膯栴}根本解決不了直擊雷。地網(wǎng)面積越大，接地電阻越小，雷電流就越大通過避雷針及其引下線，并在其四周產(chǎn)生的感應(yīng)磁場增強(qiáng)，而此磁場又在引線導(dǎo)體上感應(yīng)出極大的接觸電壓、旁側(cè)網(wǎng)絡(luò)，我們稱之為引雷入地。

5 ?未來的地網(wǎng)模式

5.1 ?平地上塔邊屋宏站地網(wǎng)形式

平地上塔邊屋宏站地網(wǎng)形式，如圖3所示。

5.2 ?塔下屋宏站地網(wǎng)形式

塔下屋宏站地網(wǎng)形式，如圖4所示。

5.3 ?H桿地網(wǎng)形式

H桿地網(wǎng)形式，如圖5所示。

5.4 ?H桿基站等電位的連接

H桿基站等電位連接，如圖6所示。

注：凡鋼鐵過渡條、固定抱箍、平臺、防水雨棚及天線抱桿均應(yīng)與防雷引下扁鋼可靠焊接，其設(shè)備接地扁鋼也須與平臺可靠焊接。

6 ?結(jié) ?語

總之，地網(wǎng)的形狀是根據(jù)地形情況來變化的，但總體接地極宏基站不少于16根，微基站接地極不少于12根（市郊）這樣做不但節(jié)省人力物力更加保護(hù)了環(huán)境。

不考慮所謂的接地電阻，是因?yàn)榇蠹腋静磺宄敖拥仉娮琛钡恼嬲拍罴捌錅?zhǔn)確的測量方法。電阻是加在被測物二端的電壓，此電壓產(chǎn)生的通過被測物的電流強(qiáng)度的比值。按歐姆定律的概念這個比值是恒定的不隨外加電壓而變。大地電阻的所謂接地電阻，這與實(shí)驗(yàn)上用的電阻有很大的差別，它的兩端在何處？一端在接地體上，而另一端則是在哪里？

雷電的主要危害是來自于由雷電引起的電磁脈沖的耦合能量，是通過三個通道產(chǎn)生的瞬態(tài)浪涌：

①自來水管、電源線、天饋線、信號線等金屬線引發(fā)的浪涌;

②地線通道，地電位反擊;

③空間通道，電磁脈沖的輻射能量。

金屬管線通道的浪涌和地線通道的地電位反擊是電子信息系統(tǒng)受損的主要原因，而其最常見的致?lián)p形式是在電力線上引起的雷損，所以應(yīng)把它作為防護(hù)的重點(diǎn)。又由于雷電無孔不入，雷電防護(hù)將是一個系統(tǒng)工程，而其防護(hù)的中心內(nèi)容就是泄放和均衡。

泄放是將雷電與雷電電磁脈沖的能量通過大地泄放，并且采用層次性原則，盡可能多且遠(yuǎn)地將多余能量在引入通信系統(tǒng)之前泄放入地。

均衡是使系統(tǒng)各部分不產(chǎn)生足以致?lián)p的電位差的表現(xiàn)，即系統(tǒng)所在環(huán)境及系統(tǒng)本身所有金屬導(dǎo)電體的電位在瞬態(tài)現(xiàn)象時(shí)保持基本相等，實(shí)質(zhì)上是基于均壓等電位連接而成的。

所以，地網(wǎng)要有一定的規(guī)模，不論土壤電阻率、不論接地網(wǎng)的接地電阻大小，只要做到雷電防護(hù)系統(tǒng)三部分：

①由接閃器、引下線、接地體組成的外部防護(hù)可將絕大部分雷電能量直接導(dǎo)入地下泄放。

②由均壓等電位連接、過電保護(hù)組成的內(nèi)部防護(hù)可均衡系統(tǒng)電位，限制過電壓幅值。

③由合理的屏蔽、接地、布線組成的過渡防護(hù)可減少或阻塞通過各入侵通道引入的感應(yīng)。

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