移動通信基站的防雷保護

許能文

摘 ?要：移動通信基站防雷保護是整個無線通信網(wǎng)絡的關(guān)鍵基礎設施，但是移動通信基站防雷保護在整個通信建設中占的比例并不大但卻非常關(guān)鍵。運營商在通信基站防雷保護主要是根據(jù)接地電阻來要求建設接地網(wǎng)大小，而接地網(wǎng)的大小卻不是越大越有防護能力，雷電的影響原因復雜。文章主要針對目前通信基站防雷保護需要多少接地電阻，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的闡述，通過泄放和均衡來采取雷電防護系統(tǒng)三部分相應的對策。

關(guān)鍵詞：移動通信基站;接地電阻;防雷保護

中圖分類號：TN929.5 ? ? 文獻標識碼：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。在遠古時代，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，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)象的物理機制及其防護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營商通信設備運行安全，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?？墒情W電放電問題多方面的復雜性，使得任何人要想通曉所有積累的成果并完全領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)氣象學家和物理學家各自進行的許多閃電現(xiàn)象的研究結(jié)果，與設計院、施工隊在以往施工實踐聯(lián)系起來，談談筆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)標準：（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。;作為建宏基站征購土地還可以，如果是建微基站、微微基站基礎設施投資太大也不利于環(huán)境保護。

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）防雷與接地工程設計規(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按本規(guī)范圖E.0.1-1（a）接線，如圖1所示。且應符合下列要求：

①電流極與接地網(wǎng)邊緣之間的距離d13應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，沿接地網(wǎng)和電流極的連線應移動三次，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。當接地電阻值達不到所需要求值時，施工隊繼續(xù)挖溝打接地極擴大地網(wǎng)面積，檢測人員又用這種測試方法反復三次最終還是達不到要求。不只是勞命傷財，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。雷擊機會在分布上，突出為山的東坡多于北、西北坡。

①雷擊機會在分布上，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會大于峽谷（這是因為狹谷窄不易曝曬和對流，缺乏形成雷擊的條件）;

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

④雷擊的地帶與風向一致，風口或順風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、走線架及金屬設備場所易受雷擊。

4 ?物理學家對雷電危害的研究以及雷電的危害

4.1 ?直接雷：電效應、熱效應、機械力

4.1.1 ?直接雷擊

雷電的先導前端到達地面上10 m左右的地方時產(chǎn)生閃擊，由此產(chǎn)生的電場強度達到臨界值，此時地面上的垂直導體即能激發(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：將雷電定向引導至接閃器上，以接閃器代替被保護物受雷擊。

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行展寬。

截獲器的方法：其主要機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區(qū)域外。如此就可把雷電流從保護區(qū)域引開。

4.2 ?雷擊電磁脈沖（感應雷）

靜電感應、電磁感應、電磁脈沖、雷擊反擊。

4.2.1 ?感應雷擊

雷電流在避雷針四周產(chǎn)生的強大感應磁場在金屬導線導體上感應出極大的電壓。雷電現(xiàn)象處于先導放電階段時在金屬導線導體表面感應出異性電荷，在主放電階段結(jié)束這部份異性電荷因入地途中產(chǎn)生感應電壓。其他落雷的雷爆和其他操作點的電磁爆也在金屬導線導體上感應的過電壓。

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

4.2.2 ?防止感應雷擊的辦法

主要采用等電位、隔離、疏導等辦法。

4.3 ?雷電入侵波

產(chǎn)生雷電入侵波的機理是來自落雷點建筑物雷電高電位的沖擊，還有來自落雷點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、疏導等辦法。

4.4 ?隨機雷擊

隨機雷擊是一種隨機性突發(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行破壞時，其渠道是多種多樣的。有直接雷擊通道、有感應雷擊通道、有雷電入侵波進雷通道、有地電位反擊通道。

結(jié)合氣象學家和物理學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。

筆者認為今后各類基站做接地網(wǎng)時可以根本不用考慮接地電阻值這個問題。因為接地電阻大小的問題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)生的感應磁場增強，而此磁場又在引線導體上感應出極大的接觸電壓、旁側(cè)網(wǎng)絡，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與防雷引下扁鋼可靠焊接，其設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了環(huán)境。

不考慮所謂的接地電阻，是因為大家根本不清楚“接地電阻”的真正概念及其準確的測量方法。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，這與實驗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，所以應把它作為防護的重點。又由于雷電無孔不入，雷電防護將是一個系統(tǒng)工程，而其防護的中心內(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)本身所有金屬導電體的電位在瞬態(tài)現(xiàn)象時保持基本相等，實質(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，只要做到雷電防護系統(tǒng)三部分：

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

②由均壓等電位連接、過電保護組成的內(nèi)部防護可均衡系統(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可減少或阻塞通過各入侵通道引入的感應。

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