移動(dòng)基站的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

郭光

摘 要：文章介紹了移動(dòng)基站的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，指出了移動(dòng)基站潛在的雷擊風(fēng)險(xiǎn)，以及基站遭受直擊雷時(shí)對(duì)周圍電磁環(huán)境造成的影響，并提出降低雷擊風(fēng)險(xiǎn)的相應(yīng)措施，對(duì)拓展雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究領(lǐng)域具有重要作用。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)基站；雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；雷電電磁脈沖

1 概述

隨著我國移動(dòng)用戶的不斷增加和對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)精益求精的需求，移動(dòng)基站的密度越來越大，由于移動(dòng)基站天線塔較高，而且大多數(shù)移動(dòng)基站位于郊區(qū)或者高山上，雷雨天氣時(shí)極易遭受雷擊，對(duì)基站內(nèi)的通信設(shè)備造成損害，同時(shí)移動(dòng)基站附近頻繁的落雷還惡化了周圍的電磁環(huán)境，對(duì)基站附近的電子信息系統(tǒng)也構(gòu)成一定的危害，因此，有必要對(duì)移動(dòng)基站做出科學(xué)而合理的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，將雷擊基站的風(fēng)險(xiǎn)降到最低點(diǎn)。

2 雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法介紹

雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是根據(jù)雷電及其災(zāi)害特征進(jìn)行分析，對(duì)可能導(dǎo)致的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失程度與危害范圍等方面的綜合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，為建設(shè)工程項(xiàng)目選址和功能分區(qū)布局、防雷類別與防雷措施確定等提出建議性意見的一種評(píng)價(jià)方法。

雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要任務(wù)包括：識(shí)別組織面臨的各種風(fēng)險(xiǎn)（R）；評(píng)估損害風(fēng)險(xiǎn)概率（P）；評(píng)估損害的損失率（L）；可能帶來的經(jīng)濟(jì)損失（Re）；確定組織承受風(fēng)險(xiǎn)的能力（RT）；確定雷電電磁脈沖屏蔽的效能（SE）；推薦風(fēng)險(xiǎn)消減對(duì)策（方案a、方案b）[1]。

同其它類型的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估一樣，風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算主要包含三個(gè)重要的方面：雷擊損壞的概率和損失率，而損壞概率又是與年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N，密切相關(guān)，直接決定著風(fēng)險(xiǎn)的大小。上述因子通過某種關(guān)系組織在一起，構(gòu)成了風(fēng)險(xiǎn)值R。

3 移動(dòng)基站的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

本評(píng)估方法的前提是沒有給移動(dòng)基站提供任何特殊的保護(hù)措施，這種保護(hù)措施包括基站自身組成的部分或者線纜外部自身的保護(hù)裝置。但是，現(xiàn)實(shí)中總有一些因子減小了雷電對(duì)基站的影響，所以破壞發(fā)生的可能性總比理論要低一些。

3.1 移動(dòng)基站雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的公式

移動(dòng)基站的風(fēng)險(xiǎn)R依然由雷擊損壞的頻率F，和損失率δ，且存在下列關(guān)系[2]：

R=∑F·δ

3.2 移動(dòng)基站的組成及其雷電損害成因

移動(dòng)基站由基站建筑物、電力線纜、電信線纜、基站設(shè)備和鐵塔天線組成。根據(jù)雷電的破壞途徑和規(guī)范，直接或者間接對(duì)移動(dòng)基站造成的損壞成因可以分為四種：雷擊建筑物或天線直接造成損壞；雷擊鄰近建筑物電流泄放入地時(shí)通過電阻或電感耦合對(duì)移動(dòng)基站內(nèi)設(shè)備造成的損壞；雷擊入戶設(shè)備（電力、電信線纜）造成的損壞；雷擊與基站連接的鐵塔天線時(shí)造成的損害。

3.3 雷擊損壞的頻率F

風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域包含組成基站的各個(gè)構(gòu)筑物的單獨(dú)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域部分，應(yīng)該注意到不同的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域可能會(huì)重疊在一起，當(dāng)計(jì)算總的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域時(shí)應(yīng)注意這點(diǎn)，也就是說要單獨(dú)計(jì)算每部分的實(shí)際等效面積。

高的天線鐵塔在一定程度上可以保護(hù)比它矮的移動(dòng)基站的機(jī)房免受直擊雷損害，一般直擊雷引起的破壞要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于感應(yīng)雷引起的破壞。因此，對(duì)于入戶的線纜要比地面附近需要保護(hù)的區(qū)域優(yōu)先考慮。

四個(gè)表達(dá)式分別描述了直擊雷對(duì)基站造成的損害d，雷擊基站附近引起的損害n，雷電擊中線纜或線纜附近引起的損害s，雷擊與機(jī)房連接的鐵塔，對(duì)基站造成的損害a。在大多數(shù)的情況下，第三種引起的損害是占主要地位的，但是對(duì)比較大的建筑或者有移動(dòng)鐵塔的建筑，來自其它幾種的影響占主導(dǎo)地位的。

在計(jì)算等效面積時(shí)將各種因素單獨(dú)分開計(jì)算，有利于識(shí)別保護(hù)失敗的原因，并提出最有效的方法。

3.4 損害概率P的估算

不同的概率P取決于用于降低損壞可能性的已經(jīng)存在或?qū)⒁扇〉拇胧?，所以影響P的各種因子可以分為兩類，一類是本身自然具有的保護(hù)措施的因子，如建筑物的材料、天線、地網(wǎng)；另一類是給建筑物或者線纜提供的特殊的保護(hù)裝置的因子，如SPD、線纜屏蔽。概率P不能大于1。

同建筑物雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的損害概率P一樣，移動(dòng)基站的損害概率P也由幾個(gè)分項(xiàng)組成，分別是基站內(nèi)部及外部的地表類型、基站的結(jié)構(gòu)類型、基站外部的保護(hù)裝置、基站內(nèi)部的保護(hù)裝置和入戶線纜的特性。這些概率值應(yīng)該基于計(jì)算或者長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐得出，但是當(dāng)無法確定時(shí)，可以采取下列表格中的參考數(shù)據(jù)，當(dāng)基站滿足同一個(gè)表格內(nèi)的多項(xiàng)時(shí)，應(yīng)將各因子相乘得出風(fēng)險(xiǎn)值，因?yàn)椴扇〉拇胧┰蕉啵瑩p害的概率就越小。

3.5 損壞的風(fēng)險(xiǎn)R

移動(dòng)基站可以承受的一系列的風(fēng)險(xiǎn)可以用下式表示：R=（1-e-F·t）·δ，可以簡(jiǎn)化為R=F·δ=∑Fi·δi

權(quán)重因子δ表示由于雷擊移動(dòng)基站附近或相應(yīng)的入戶線纜造成的間接破壞的影響。它表示沒有保護(hù)的基站的年預(yù)計(jì)損害與被保護(hù)對(duì)象的總價(jià)值之間的關(guān)系。權(quán)重因子δ應(yīng)該根據(jù)不同的損害類型采取不同的方法。

3.5.1 人員傷亡

人員安全是防雷保護(hù)設(shè)計(jì)和安裝的關(guān)鍵問題。人身安全風(fēng)險(xiǎn)存在于絕緣體擊穿或由于在安裝和維護(hù)與線路連接的設(shè)備時(shí)發(fā)生的浪涌。為了防止發(fā)生嚴(yán)重的人員傷亡，人員傷亡的權(quán)重因子δ定為1。

3.5.2 服務(wù)設(shè)施損失

雷擊造成服務(wù)設(shè)施的潛在損壞經(jīng)常是很難估計(jì)的，舉一個(gè)例子，假如一個(gè)移動(dòng)基站在工作了24小時(shí)后被損壞了，一種嚴(yán)重的情況是在這段時(shí)間內(nèi)或者更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無法正常工作，比如附近的移動(dòng)天線被雷擊了。在這個(gè)假設(shè)下，δ=24/8760，但是，大多數(shù)情況下， 服務(wù)設(shè)施的損害僅僅是網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的一部分，損害的后果減小到nx/ntot，nx是因損害受影響的用戶數(shù)量，ntot是連接到交換機(jī)或者遠(yuǎn)程站點(diǎn)的總用戶數(shù)。

3.5.3 物理傷害

移動(dòng)基站的內(nèi)的硬件設(shè)備即使在沒有保護(hù)的情況下也是很少損壞的。通常是連接到外部網(wǎng)絡(luò)接口的部分會(huì)損壞，例如各種網(wǎng)絡(luò)和通訊端口。對(duì)于硬件的損害，對(duì)應(yīng)δ的典型值為0.2，更高的值用于雷電直接擊到網(wǎng)絡(luò)線纜時(shí)的選擇。直擊雷對(duì)移動(dòng)基站機(jī)房或鄰近設(shè)施，尤其是鄰近的天線將會(huì)造成比浪涌侵入線路更為嚴(yán)重的損壞。對(duì)于沒有保護(hù)的移動(dòng)基站，δ值最高取到0.8已經(jīng)算是比較現(xiàn)實(shí)了。

3.6 可接受的風(fēng)險(xiǎn)Raccept

保護(hù)措施的目的是為了減小損害的數(shù)量，把損害的風(fēng)險(xiǎn)降低到可以承受的范圍之內(nèi)，如果要考慮經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)的話，可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平要由移動(dòng)運(yùn)營商來決定。當(dāng)可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平確定以后，降低損害或用戶服務(wù)設(shè)施的損害應(yīng)該占決定性因素了。它包括不可用的設(shè)備、計(jì)算機(jī)、其他信息設(shè)備的直接費(fèi)用。服務(wù)中斷，可能也會(huì)影響到企業(yè)的生產(chǎn)力和收入，緊急服務(wù)由于操作失誤造成的簡(jiǎn)介損失可能會(huì)更大，必須要給予高度的重視。排除經(jīng)濟(jì)損失外，移動(dòng)基站的損壞主要包括兩個(gè)方面：物理損失和服務(wù)設(shè)施損失。因此對(duì)應(yīng)的可接受的風(fēng)險(xiǎn)也包括兩個(gè)，可接受的物理損壞的風(fēng)險(xiǎn)和服務(wù)設(shè)施損壞的風(fēng)險(xiǎn)，該風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)由移動(dòng)通信運(yùn)營商給出，下表給出了參考值：

3.8 雷擊大地密度Ng

Ng是雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)非常重要的一個(gè)因子，原則上該因子應(yīng)該由雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)雷電為依據(jù)計(jì)算得出，可以采用這樣的方法，將某地區(qū)的移動(dòng)基站全部用GPS定位，然后將基站的位置反定位到地圖上，并且通過調(diào)閱雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的雷電資料，對(duì)移動(dòng)基站附近三公里范圍內(nèi)的地閃次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用公式并且計(jì)算出移動(dòng)基站的雷擊大地密度：

3.9 磁場(chǎng)評(píng)估

雷電在形成和發(fā)生階段，由于雷電感應(yīng)原理可以形成兩種干擾源，分別為靜電場(chǎng)、雷電電磁脈沖。兩種干擾中，雷電電磁脈沖對(duì)電子系統(tǒng)的危害最大。雷電電磁脈沖是發(fā)生地閃或云閃時(shí)產(chǎn)生的一種時(shí)變電磁波，通過傳導(dǎo)干擾和電磁輻射干擾兩種方式對(duì)信息系統(tǒng)造成危害。對(duì)于傳導(dǎo)干擾，一般是在相應(yīng)線路上安裝浪涌保護(hù)器，對(duì)設(shè)備的線路端口進(jìn)行保護(hù)，而電磁輻射干擾，必須采用電磁屏蔽的方式，從靜電屏蔽和雷電電磁脈沖屏蔽入手，利用屏蔽體阻止電磁場(chǎng)在空間傳播而達(dá)到消減電磁場(chǎng)強(qiáng)度的目的。

評(píng)估移動(dòng)基站的屏蔽效能時(shí)，可以用屏蔽體電磁效能測(cè)試系統(tǒng)的振蕩器產(chǎn)生接近首次雷擊或后續(xù)雷擊的電磁波頻率，測(cè)試現(xiàn)有建筑物和機(jī)柜的屏蔽效能，根據(jù)測(cè)試結(jié)果和設(shè)備對(duì)電磁騷擾的抗擾度進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)。

屏蔽體的屏蔽效能用下面公式表示：

SEH=20lgH0/HS（H0：屏蔽前某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，HS：屏蔽后某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度）。

實(shí)驗(yàn)室表明，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大于0.07高斯時(shí)，裸露的電路板會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作，大于2.4GS時(shí)裸露的電路板會(huì)發(fā)生永久性損壞。因此，屏蔽效能的評(píng)估也是雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中非常重要的一個(gè)項(xiàng)目。

4 結(jié)束語

隨著雷擊事故的不斷發(fā)生，雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估已經(jīng)受到各個(gè)行業(yè)的關(guān)注?，F(xiàn)有雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估還停留在建筑行業(yè)，對(duì)于特殊行業(yè)如化工、基站、風(fēng)電、油輪的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估還處于空白狀態(tài)，文章提供的移動(dòng)基站的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估給出的方法和思路，依然遵循建筑物雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的常規(guī)方法，可為其它特殊用途的生產(chǎn)、生活場(chǎng)所提供雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估新的思路，完善防雷減災(zāi)工作，為重大項(xiàng)目的決策提供一個(gè)科學(xué)的依據(jù)。

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