新型4G基站的電源系統防雷分析

游麗加

（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引 言

新型4G基站是一種網絡共用移動通信基站，專門負責提供4G服務，是公眾享有4G移動網絡通信服務的基礎。其包括直接接地、直流供電以及交流供電幾個子系統，涉及了蓄電池、開關電源、低壓變壓器、交流配電屏以及有機發動機等多個模塊。因交流電力能源供應線路復雜度較高，加之基站建設位置多處于野外，極易遭受雷擊威脅，因此探究新型4G基站的電源系統雷害防護措施具有非常重要的意義。

1 新型4G基站的電源系統雷害分析

近幾年，我國固定寬帶全面邁入光纖時代，移動寬帶4G深入覆蓋城鄉。截止至2020年，FTTH/O光纖普及率已達92.10%，較之2013年提高了近60.1%，同時新型4G基站數量龐大。在新型4G基站數量不斷增多的背景下，其內部電源系統遭遇的雷電危害也不斷增加，致使周邊環境生態及工程效益損失嚴重。2020年中國移動新建設的新型4G基站中，陸續在大暴雨伴隨短時雷擊環境下出現停電和斷網現象，嚴重影響了基站作用的充分發揮，對企業工程建設效益也造成了較大沖擊。

2 新型4G基站的電源系統雷害途徑

2.1 基站機房

對于建立在高海拔位置的新型4G基站，在周邊平均海拔較低的情況下，極易出現雷電環繞擊打情況。具體表現為雷電繞過避雷裝置直接擊打新型4G基站。長此以往，新型4G基站電源系統外部裝置防護效果會逐漸下滑，甚至無法保證外部完整性，出現不可恢復的毀損。

2.2 電磁感應

雷電具有電流量大和放電速度快的特點，可以在接閃器和引下線周邊形成作用極強的瞬時電磁場。在這一磁場范圍內導體可以形成程度不一的感應電壓，對新型4G基站內高集成化和低耐沖擊能力的通信設備造成毀損性威脅[1]。特別是在新型4G基站選擇同軸電纜作為天饋線時，其可以在導體上方感應強烈的電流，經線路直接進入基站系統內部收發信機等設備內，造成相關設備電流供應出現不正常變化，甚至燒毀相關設備。

2.3 架空管線

在雷雨天氣下，雷云會放出電流并形成強大的電場，加之新型4G基站架空管線的自身作用，其鄰近終端會形成一個水平的電場。該電場范圍內高出水平線的物體均易產生感應電荷集中效應，致使架空管線頂端放電反應頻出。在雷電集中于架空管后，可進入新型4G基站內毀損基站通信設備[2]。即便架空管線頂端沒有出現放電反應，雷云也可以在其上附著威脅電源設備安全運行的感應過電壓。

2.4 鐵 塔

新型4G基站大多設置在40.00～60.00 m左右的鐵塔上方，某新型 4G 基站鐵塔雷擊發生情況如表1所示。鐵塔因高度較大，極易成為雷電擊打目標。進而經鐵塔傳播雷擊電流，逐步改變新型4G基站系統電位差，致使基站出現無法恢復的損壞。即便鐵塔已安裝避雷針，但在鐵塔避雷針遭受雷電打擊之后，電流也可以經鐵塔接地裝置分散流入地層表面，促使新型4G基站地網電位在短時間上升并與基站設備之間形成較為顯著的電位差，進而引發電位電流反向傳播，損害基站完整性[3]。

表1 某新型4G基站鐵塔雷擊發生情況

3 新型4G基站的電源系統雷害防控可用措施

3.1 建設地址調整及機房防雷

建設地址調整與機房防雷是新型4G基站建設初期預先防控雷電打擊的主要手段。前者是優先選擇雷電打擊危害較小的區域，如地理位置較低的區域、遠離水域的區域、空氣干燥的區域以及無地下金屬礦藏的地區等。充分利用自然環境條件，降低雷電打擊對新型4G基站電源系統運行效益的不利影響[4]。

機房防雷電則是采取監控系統接地或者光纖通信的方式進行雷電打擊防控。在監控系統的設備信號線與4G通信系統接口連接時，接地方式沒有偏差，此時就可以選擇屏蔽電纜設計或者電纜穿鋼管經屏蔽層和鋼管兩端接地的方式提高雷害防控效果。具體接地時，需要在保證監控系統前端設備處于避雷針防護范圍內，將避雷器設置在設備端口恰當位置[5]。通信機房內部防雷器可以直接將其與專用接地母排相連，而對于通信機房外部防雷器則需要利用就近接地的模式。光纖通信具有顯著的雷擊防控效果，其特殊的玻璃纖維材質對雷電電磁脈沖的感應作用處于一個極小的水平，無法引發光纖電磁感應作用?；诖耍梢詫⒐饫w金屬加強芯埋設在地下適當位置（圖1），兩端就近與光纜終端盒內入戶設施接地木排連接（接地面積在35.00 mm2以上）。與此同時，將高速率數字用戶線路（High—rate Digital Subscriber Line，HDSL）、雙絞線以及脈沖編碼調制（Pulse Code Modulation，PCM）的信號線路兩端可靠接地，結合架空線的就近與機房入口入戶設施接地母排連接，從而達到良好的雷害防控效果。

圖1 光纖金屬加強芯埋地

3.2 避雷線及接地線應用

對于新型4G基站而言，避雷線架設是一種傳統且有效的雷害防控手段[6]。除雷電環繞擊打情況外，避雷線可以發揮保護作用，分流雷電，降低電位及基站絕緣子串上的感應電壓，避免新型4G基站被雷電直接擊中。鑒于以往低壓架空電力線設計固有缺陷極易遭受雷擊侵入，可以選擇直徑超過8.00 mm的鋼絞線，設置在架空電力線上方1.00 m左右且與電力線平行位置[7]。同時控制除終端桿以外的變壓器和基站周邊避雷線架設距離在200.00 m以內，并進行每一支撐桿的可靠接地，最終形成環形地網接地或者輻射形地網接地，保證避雷線效用的充分發揮。

需要注意的是，在新型4G基站地網接地線連接過程中，只有較低的接地電阻才可以保證基站防雷性能的高效利用發揮[8]?；诖?，需參照國家相關標準，控制接地電阻小于10.00 Ω。特別是在新型4G基站總設備架和總匯流排遠距離連接的情況下，需要在站內埋設鋼管包裹的電纜或金屬鎧裝的電纜，進而經星形等電位與多級匯流排連接。若為剩余電流裝置（Residual Current Device，RCD）電源側防雷器安裝，需采取“3+1”接地模式，若為RCD負荷側防雷器安裝，則需要采取“4+0”接地方式，在專用接地母排上進行接地線連接。上述模式可以有效利用金屬外表皮分流電流作用，避免流經新型4G基站電流過大。若無法直接進行電纜埋設，則可以在保證電纜長度大于15.00 m的情況下進行適當削減，結合氧化鋅避雷器與鋼管、電纜外皮的關聯安裝，可以達到良好的雷電防控效果。

3.3 智能電涌保護器

作為一種自然能量，雷電附帶的雷電感應、電磁脈沖以及雷電波侵入具有強大的破壞作用。在新型4G基站運行過程中，基站長時間應用的多種類型電涌保護器因遭受多次雷擊，不可避免地會出現性能下降甚至失去雷擊防御效果的情況，此時就可以立足電涌保護器（Surge protection Device，SPD）領域，進行智能化和網絡化技術的集成應用，實時監測新型4G基站防雷系統和接地系統的運行情況，及時發現問題并制定解決方案[9]。

智能電涌保護器具有運行參數的監測功能、電涌保護功能、故障報警功能、失效預測功能以及通信功能。其中監測功能包括工作漏電流、脫離裝置狀態、電涌參數、系統電壓、性能劣化分析以及壽命預測等?？梢愿鶕讚衾擞刻匦院碗娫措娪勘Ｗo器的運行原理，在新型4G基站中進行電涌動作次數、電涌電流峰值、電涌動作時間以及脫離器動作時間等電源電涌在線性能狀態的有效評估與記錄，并第一時間判定電源電涌性能的劣化。

此外，在中央執行控制網絡設置過程中，除了通用分組無線服務（General Packet Radio Service，GPRS）、低功耗局域網協議ZigBee以及移動無線網（Wireless-Fidelity，WiFi）等方式外，還可應用技術優勢更加明顯的基于蜂窩的窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技術[10]。例如，在智能電涌保護器監測到出現雷電打擊故障時，經NB-IoT物聯網將雷電擊打次數、擊打幅值以及擊打時間傳輸至中央執行控制中心，以圖表+數據的形式直觀分析，實現對新型4G基站電源系統易受雷害的設備的全方位判定、預先警報以及有效處理。

4 結 論

在第四代移動通信技術蓬勃興起之際，新型4G基站也開始投入大面積建設。作為專門提供4G公用移動通信的基站，新型4G基站面臨著較大的雷擊威脅。雷擊攜帶的雷電電磁脈沖耦合能量會嚴重損害電源系統完整性，影響電力資源的順利供應，進而致使基站無法正常發揮功能?；诖耍揪S護管理人員可以采取調整建設地址、架設避雷線、應用接電線、應用智能電涌保護器以及設置中央執行控制網絡等方式，構建嚴密的基站電源系統雷害防控網絡，避免雷電對基站功能正常發揮的不利影響。