通信基站防雷檢測關(guān)鍵問題及接地要點(diǎn)分析

祁 征，胡煜華，陳 強(qiáng)，牛年增（.中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；.中國聯(lián)通浙江分公司，浙江杭州 3005）

0 前言

移動(dòng)通信基站分布廣、站址環(huán)境惡劣，由于基站信號發(fā)射的特點(diǎn)，樓頂、山頂?shù)纫自饫讚魠^(qū)域極易成為基站站址。這類地區(qū)的基站有雷擊頻繁、雷擊侵入途徑多等不安全因素，因此通信基站設(shè)備很容易遭受雷擊而損害并且給運(yùn)營維護(hù)者帶來很大的困擾。

為了減少基站的雷擊損失，國內(nèi)通信運(yùn)營商投入了相當(dāng)?shù)娜肆?、物力和?cái)力進(jìn)行防雷檢測和改造等工作，但是，由于很多地區(qū)缺乏基站防雷的系統(tǒng)知識(shí)和正確的指導(dǎo)方案，導(dǎo)致現(xiàn)有防雷系統(tǒng)仍然存在很多不足，存在很多諸如接地系統(tǒng)混亂、防雷器安裝不規(guī)范等問題。

本文將以實(shí)際案例來說明通信基站在線防雷接地系統(tǒng)檢測的要點(diǎn)，以及基站中常見的防雷接地誤區(qū)。

2017年中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院有限公司某防雷檢測項(xiàng)目對某省十幾個(gè)地（市）共計(jì)1 560個(gè)基站進(jìn)行了防雷接地系統(tǒng)安全檢查，依據(jù)《通信局（站）在用防雷系統(tǒng)的技術(shù)要求和檢測方法》（YD/T 1429-2006）對每個(gè)基站進(jìn)行了文件檢查、接地網(wǎng)符合性檢測、接閃器檢查、引下線檢查、通信局站進(jìn)站電纜雷電防護(hù)檢查、等電位連接檢測、內(nèi)部過電壓保護(hù)檢測等7個(gè)大項(xiàng)的檢測。

1 基站防雷檢測的誤區(qū)

有部分維護(hù)人員認(rèn)為基站防雷檢測就是測量地阻，接地電阻值小于10 Ω 基站就算合格了。但是，有研究表明“根據(jù)某地區(qū)數(shù)百個(gè)遭受雷擊損壞設(shè)備的基站接地電阻的統(tǒng)計(jì)：10 Ω 以上的占7%，5 Ω 以下的占74%，5～10 Ω 的占19%?！边@只是說明雷害和基站的接地電阻值并沒有必然的聯(lián)系，而不是說明接地電阻值越大越好。基站防雷效果和接地電阻并沒有直接的關(guān)系，而與設(shè)備間存在的電位差有關(guān)。

設(shè)備損壞的通常原因：由于機(jī)房內(nèi)某些設(shè)備的電源線、信號線遭受直擊雷或者由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生過電壓時(shí)使自身電位抬高，而其他設(shè)備仍處于低電位的狀態(tài)。由于機(jī)房內(nèi)通信設(shè)備相互之間或通過電源線或通過信號線均有聯(lián)系，于是各設(shè)備間就形成了電位差，這種電位差大到一定程度就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備絕緣及內(nèi)部元器件擊穿。

如圖1所示電源線引入的雷電流通過避雷器由開關(guān)電源接地線入地，由于開關(guān)電源接地線較長，造成開關(guān)電源與其他設(shè)備間產(chǎn)生較大電位差。

圖1 雷電流引起的電位差

假設(shè)：雷電流為10 kA，接地線長度為10 m，接地導(dǎo)線感抗為1 μH/m，則接地電纜壓降為：

因此，基站的防雷是一個(gè)系統(tǒng)性工程，基站的防雷檢測不僅僅是檢測接地電阻值。

2 防雷檢測要點(diǎn)分析

2.1 鐵塔、通信桿及地網(wǎng)檢測

2.1.1 檢測情況統(tǒng)計(jì)

鐵塔的檢測主要是對塔頂避雷針、避雷針保護(hù)范圍，塔身引下線，塔基接地等方面進(jìn)行檢測。

根據(jù)現(xiàn)場檢測，鐵塔部分的問題主要集中在塔基或鐵塔引下線未接地，有一些處于無地網(wǎng)狀態(tài)或者原有地網(wǎng)被破壞。

按基站所處的位置可分為樓頂塔和落地塔。無地網(wǎng)情況主要集中在樓頂塔，被破壞的地網(wǎng)或地網(wǎng)不符合要求的主要集中在落地鐵塔。樓頂塔未接地主要原因是運(yùn)營商建設(shè)基站時(shí)未考慮接地情況，造成一部分基站自開通之時(shí)就處在無接地情況。落地塔主要是地網(wǎng)經(jīng)檢測不符合要求或現(xiàn)場判斷自建設(shè)時(shí)就無地網(wǎng)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，本次檢測項(xiàng)目共計(jì)213個(gè)基站地網(wǎng)不符合要求，地網(wǎng)不符合率約為13.7%，需要重新建設(shè)或整改。

2.1.2 小結(jié)

基站地網(wǎng)通常由機(jī)房地網(wǎng)、鐵塔地網(wǎng)、變壓器地網(wǎng)組成。

機(jī)房地網(wǎng)由機(jī)房建筑基礎(chǔ)（含地樁）和外圍環(huán)形接地體組成。環(huán)形接地體應(yīng)沿機(jī)房建筑物散水點(diǎn)外敷設(shè)，并與機(jī)房建筑物基礎(chǔ)梁柱內(nèi)2根以上主鋼筋焊接連通。機(jī)房建筑物基礎(chǔ)有地樁時(shí)，應(yīng)將各地樁主鋼筋與環(huán)形接地體焊接連通。如專用電力變壓器設(shè)置在機(jī)房外，且距地網(wǎng)邊緣30 m以內(nèi)時(shí)，應(yīng)用水平接地體與地網(wǎng)焊接連通。距地網(wǎng)邊緣大于30 m時(shí)，可不與地網(wǎng)連通。

對于接地電阻值偏大的基站應(yīng)根據(jù)以下情況分別處理。

a）首先檢測土壤電阻率，如果土壤電阻率大于1 000 Ω·m，可不限制基站的地網(wǎng)接地電阻值，而應(yīng)以地網(wǎng)面積的大小為依據(jù)。地網(wǎng)等效半徑不宜小于10 m，地網(wǎng)四角宜敷設(shè)10～20 m的熱鍍鋅扁鋼作輻射型接地體（見圖2），且應(yīng)增加各個(gè)端口的保護(hù)和提高SPD通流容量、加強(qiáng)等電位連接等措施予以補(bǔ)償。

圖2 輻射型接地體示意圖

b）如果土壤電阻率小于1 000 Ω·m，也可用擴(kuò)大地網(wǎng)面積、增設(shè)水平接地體的方式降低接地電阻值。

2.2 機(jī)房檢測

2.2.1 機(jī)房外防雷檢測

機(jī)房外防雷檢測主要集中在饋線窗處無室外匯流排、室外匯流排未接地、室外匯流排接地不符合要求等情況。

由于室外匯流排經(jīng)常被偷盜?，F(xiàn)場檢測室外匯流排存在大量問題；基站無室外匯流排數(shù)量為627個(gè)，有室外匯流排，未接地或者接地不符合要求的數(shù)量為139個(gè)，室外排不符合率約為49.1%。

圖3示出的是無室外匯流排。

圖3 無室外匯流排

室外匯流排的作用是給天饋線金屬外皮接地用，國標(biāo)GB 50689-2011對于天饋線接地有如下規(guī)定。

“6.4.1鐵塔上架設(shè)的饋線及同軸電纜金屬外護(hù)層應(yīng)分別在塔頂、離塔處及機(jī)房入口處外側(cè)就近接地；當(dāng)饋線及同軸電纜長度大于60 m時(shí)，則宜在塔的中間部位增加一個(gè)接地點(diǎn)。室外走線架始末兩端均應(yīng)接地，接地連接線應(yīng)采用截面積不小于10 mm2的多股銅線。

6.4.2 饋線及同軸電纜應(yīng)在機(jī)房饋線窗處設(shè)一個(gè)接地排作為饋線的接地點(diǎn)，接地排應(yīng)直接與地網(wǎng)相連。

6.4.3 接地排嚴(yán)禁連接到鐵塔塔角?！?/p>

由于雷擊時(shí)位于塔頂（或建筑物樓頂）的天線電位會(huì)遠(yuǎn)高于機(jī)房內(nèi)的匯流排，因此，天饋線很容易將雷電引入機(jī)房。由天饋線進(jìn)入的雷電流會(huì)引起無線發(fā)射機(jī)入地雷電流增大、地電位升高，使無線發(fā)射機(jī)與傳輸、電源等相關(guān)設(shè)備間產(chǎn)生較大的電位差，造成雷害故障。采用饋線分流接地措施，可以減少進(jìn)入機(jī)房的雷電流。

圖4示出的是天饋線接地示意圖。

圖4 天饋線接地示意圖

2.2.2 室內(nèi)防雷檢測

根據(jù)全省檢測情況，機(jī)房內(nèi)問題主要集中在室內(nèi)匯流排上。主要存在以下幾種情況。

a）機(jī)房內(nèi)無室內(nèi)匯流排或室內(nèi)排被盜。

b）室內(nèi)匯流排接地方式錯(cuò)誤。

其中無室內(nèi)匯流排的基站數(shù)量為67個(gè)，室內(nèi)匯流排未接地或者接地不符合要求的基站數(shù)量為319個(gè)，室內(nèi)匯流排不符合率約為24.7%。

2.2.3 設(shè)備接地

基站內(nèi)設(shè)備主要有開關(guān)電源、交流配電箱、電池、機(jī)架、信號發(fā)射主設(shè)備、光纜、天饋線系統(tǒng)等。

本次檢測問題主要集中在室外天饋線接地和室內(nèi)光纜加強(qiáng)芯接地上。

由于前期運(yùn)營商在進(jìn)行光纜與機(jī)房內(nèi)機(jī)柜連接時(shí)未對光纜加強(qiáng)芯提出接地要求，所以現(xiàn)場檢測基本上光纜加強(qiáng)芯和外護(hù)層都未接地處理。

2.2.4 電源系統(tǒng)檢測

電源系統(tǒng)的檢測是通信基站防雷檢測的重點(diǎn)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，雷擊造成的損壞90%以上都與基站電源端口有關(guān)。

a）專用變壓器。因?yàn)榍捌谑┕ぴ蛭磳Ｓ米儔浩鞯鼐W(wǎng)提出過要求，所以專用變壓器未做地網(wǎng)是一個(gè)普遍存在的現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場檢測幾乎沒有對變壓器單獨(dú)做地網(wǎng)或所做的地網(wǎng)不合格，也未與機(jī)房地網(wǎng)可靠連接，所以變壓器損壞的情況經(jīng)常發(fā)生。根據(jù)本次檢測情況，有509個(gè)變壓器無地網(wǎng)，占全省總量的32.6%。

b）交流配電箱。根據(jù)現(xiàn)場檢測，交流配電箱處電源第一級防雷器存在大量的問題。一般分為防雷器量級小、燈號指示顯示不正常、防雷器損壞、未安裝第一級防雷器等幾種常見情況。全省第一級防雷器不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的基站數(shù)量為667個(gè)，未安裝的基站數(shù)量為354個(gè)，不符合率為65.4%。

c）開關(guān)電源。經(jīng)過本次檢測發(fā)現(xiàn)開關(guān)電源內(nèi)交流電源第二級防雷器出現(xiàn)損壞，缺少模塊，不符合要求等情況，全省共計(jì)檢測出279個(gè)需要更換的防雷器，不符合率為17.9%。

2.2.5 小結(jié)

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，雷擊造成設(shè)備損壞90%以上都是與電源端口有關(guān)。而相對于基站前端的交流配電箱的接地，開關(guān)電源的接地更容易出錯(cuò)。在現(xiàn)場檢測中，通常遇到2種接線方式（見圖5）。

模式A三地合一，接地參考點(diǎn)在開關(guān)電源內(nèi)部，是大多數(shù)基站防雷的接法，也是國標(biāo)和行標(biāo)推薦的做法。少數(shù)基站選擇模式B的接法，三地分別另外拉了接地線到總接地排，參考點(diǎn)在3～5 m外的總接地排，工作地和保護(hù)地分別串聯(lián)高頻抑制器，認(rèn)為這種方式能夠隔離地電位升的反擊。模式B的C級保護(hù)器則通過很長的接地線接到了總接地排。下面分2個(gè)部分進(jìn)行分析。

2.2.5.1 接地參考點(diǎn)分析

在模式B中，按照防護(hù)模型圖中的接線方式，開關(guān)電源的工作地、保護(hù)地和防雷地分別接地，相當(dāng)于大V型接地，接地線長度不可能完全相等，流入的雷電流也不會(huì)完全相同，并且由于保護(hù)地線和工作地線分別串聯(lián)了線圈接地，將導(dǎo)致工作地、保護(hù)地、防雷地三者電位不同，產(chǎn)生很大的電位差。

假設(shè)接地線流入的雷電流相同均為10 kA，由于串電感效應(yīng)，線圈電感量為10 μH，接地線長差距1 m，電感為1.5 μH，則由Ua=Ldi/dt，得

假設(shè)防雷地與保護(hù)地相距0.2 m（相當(dāng)于小v型接地），則由Ub=Ldi/dt，得

從以上計(jì)算中可以看出2種接法電位差相差38倍，小v型接地明顯更安全。

在模式B方案中，開關(guān)電源的工作地、保護(hù)地和防雷地分別接地，并不等電位（如圖6（a）所示）。當(dāng)開關(guān)電源交流側(cè)有雷電流侵入時(shí)，雷電流通過C級防雷器和接地線流入大地。由于C級防雷器的殘壓和雷電流通過接地線上形成的殘壓將使開關(guān)電源交流側(cè)抬升很高的電壓，產(chǎn)生安全隱患。

而對于圖6（b）所示的三地合一的接法，由于接地參考點(diǎn)被提高到了開關(guān)電源內(nèi)部，基于水漲船高的原理，只要內(nèi)部等電位，外部電位的抬升對開關(guān)電源內(nèi)部影響不大。

假設(shè)侵入的雷電流為20 kA，接地線電感為1.5 μH/m，開關(guān)電源防雷器的接地線長為5 m，銅導(dǎo)線電阻為1 mΩ/m，則

2.2.5.2 高頻抑制器分析

在模式B方案中，部分設(shè)備的接地是通過高頻抑制器接地的，而高頻抑制器是一種感性元件，當(dāng)接地系統(tǒng)串聯(lián)電感接地時(shí)，會(huì)在雷電流通過時(shí)產(chǎn)生很高的電壓，可能造成設(shè)備損壞。

圖5 接地模式

圖6 接地方式

假設(shè)流過高頻抑制器的雷電流為20 kA，雷電流波形為8/20 μs，接地引下線電阻忽略不計(jì)，串聯(lián)的線圈為100 μH，則

計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)接地線串聯(lián)電感線圈時(shí)，將使電位抬高250 kV，再考慮到機(jī)房內(nèi)各個(gè)設(shè)備并沒有等電位，機(jī)房內(nèi)設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)大為增加。

綜上所述，建議采用模式A進(jìn)行接地。

3 總結(jié)

從本案例的檢測情況來看，出現(xiàn)的防雷安全問題比較嚴(yán)重，因此建議各通信運(yùn)營商每年應(yīng)委托具有防雷檢測資質(zhì)的檢測單位對轄區(qū)基站進(jìn)行檢測，務(wù)必按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對有安全隱患的基站進(jìn)行改造，并且還應(yīng)完善以下工作。

a）加強(qiáng)對維護(hù)人員防雷知識(shí)培訓(xùn)，維護(hù)人員應(yīng)具備基站防雷基本知識(shí)。

b）定期檢查避雷器并確保避雷模塊沒有明顯發(fā)熱，對顯示失效的避雷模塊及過了有效期的避雷器應(yīng)及時(shí)更換。

c）定期巡查基站室內(nèi)、外匯流排是否完整，發(fā)現(xiàn)缺失及時(shí)補(bǔ)充。

d）雷雨季節(jié)基站的巡檢：應(yīng)檢查避雷器的失效指標(biāo)是否在正常狀態(tài)并檢查避雷器的斷路器是否斷開，尤其要檢測空氣開關(guān)是否跳開。