移動通信基站的防雷技術(shù)研究

趙文哲

（內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰 025000）

0 引 言

在過去的10年中，無線行業(yè)發(fā)展迅速，通信網(wǎng)絡(luò)遍布全國，移動基站的正常運(yùn)行是順利進(jìn)行移動通信的保證。本文結(jié)合過去移動通信基站遭到雷擊的特性分析，首先給出了雷擊的類型和其危害特點(diǎn)，其次簡要介紹了用于通信基站的基本設(shè)施，再次分析了移動基站遭受到雷擊的主要原因，最后詳細(xì)討論了移動通信基站防雷的技術(shù)方法[1,2]。從中給出了移動通信基站的準(zhǔn)確內(nèi)外部防雷技術(shù)，其中外部防雷包括直擊雷防護(hù)、防雷接地技術(shù)以及通信線纜雷電防護(hù)等，內(nèi)部防雷包括等電位連接、通信基站的屏蔽方法以及供電系統(tǒng)的防雷方法[3]。

1 移動基站基本設(shè)備

移動通信在中國發(fā)展十分迅速，自1987年以來，中國的移動互聯(lián)網(wǎng)市場迅速增長，GSM網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以人們所沒有想到的速度迅速擴(kuò)張，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)外全面國際漫游[4]。21世紀(jì)初，中國在移動通信領(lǐng)域的科學(xué)研究與設(shè)備生產(chǎn)方面取得了長足進(jìn)步，也正因?yàn)檫@樣，移動通信基站的防雷安全變得十分重要。

移動通信基站是移動通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，它包括模擬移動電話網(wǎng)基站、數(shù)字移動電話網(wǎng)基站、集群通信基站、無線尋呼基站及其他無線通信站。通信基站一般分為傳輸系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)以及天饋系統(tǒng)等幾個(gè)系統(tǒng)，其中的設(shè)備包括SDH設(shè)備、光纜、電纜、蓄電池、BTS主設(shè)備、交流柜、開關(guān)電源柜、BTS設(shè)備柜、綜合架、電池組以及其他輔助設(shè)備等。

2 雷電形式及對移動通信基站的危害

2.1 直擊雷

帶電的云團(tuán)和地面目標(biāo)之間的劇烈放電過程被稱為直擊雷。隨著攜帶著電荷的云團(tuán)接近地面時(shí)，地面上突出的目標(biāo)會感應(yīng)出不同種的電荷。當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到25～30 kV/cm時(shí)，空中帶電的云團(tuán)將向地面釋放大量電能，而這個(gè)過程也被稱為先導(dǎo)放電。先導(dǎo)放電不是以直線形式發(fā)生的，而是一個(gè)跳躍的過程，一旦通信基站被雷擊并且沒有安裝合格的避雷裝置，那么基站就會遭到十分嚴(yán)重的破環(huán)[5]。

2.2 感應(yīng)雷

當(dāng)雷擊產(chǎn)生時(shí)會釋放大量的能量，并在電源和數(shù)據(jù)傳輸線以及金屬管道上感應(yīng)產(chǎn)生過電壓，這被稱為感應(yīng)雷。在帶電的云團(tuán)釋放出的閃電擊中其他物體之后，架空線中的導(dǎo)線或者導(dǎo)電物體突起頂部中的電荷失去了約束，就會以高壓電能沖擊波的形式沿導(dǎo)線或?qū)щ娢矬w極快地?cái)U(kuò)散。當(dāng)在具有防雷裝置的建筑物中被雷擊時(shí)，高能電流會通過防雷通道釋放到地面，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬變磁場，并釋放出具有巨大能量的電磁脈沖，對通信設(shè)備具有十分嚴(yán)重的危害性[6]。

2.3 雷電波侵入

雷電波的侵入是指雷電對架空導(dǎo)線或金屬管道的入侵，雷電波可以沿著這些導(dǎo)電線路進(jìn)入房屋，這是由沿著電纜或管道朝著的兩個(gè)方向快速擴(kuò)散的過點(diǎn)壓波[6]。當(dāng)傳輸電纜或者金屬導(dǎo)管連接的通信設(shè)備被雷電波入侵后，雷電波會在此過程中產(chǎn)生瞬變磁場，在一定的范圍內(nèi)對通信設(shè)備產(chǎn)生電磁作用[7]。

3 基站防雷常存在的問題

一是通信天線與避雷針之間的距離不夠。通信塔的避雷針和天線之間的相距過近，沒有一個(gè)適當(dāng)?shù)陌踩嚯x，當(dāng)避雷針接收到閃電時(shí)，天線也會接受到電磁力，從而導(dǎo)致通信設(shè)備連接裝置被損壞[8]。二是接地電阻不標(biāo)準(zhǔn)。接地電阻較大且不能符合標(biāo)準(zhǔn)，無法完全將雷電引入到地面。三是天線不符合規(guī)格。部分通信基站的鐵塔過高，天線未接地或天線和通信端口沒有安裝浪涌保護(hù)器[9]。

4 基站綜合防雷技術(shù)方案

4.1 外部防雷

4.1.1 直擊雷防護(hù)

在中國大多數(shù)移動通信基站中，主要有兩種完成通信基站鐵塔安裝的方法。第一種是將塔架移至基站側(cè)面，第二種是將塔架移至基站建筑物的上方，要求在移動通信基站的正常工作狀態(tài)期間，沒有人可以接觸鐵塔，以防止由人為因素致使防雷裝置受到損壞。這種方法可以確保每個(gè)防雷設(shè)備在移動通信基站中都能發(fā)揮最大作用，并確保移動通信基站在雷電和雷雨天氣中可以安全使用[10]。

4.1.2 防雷接地技術(shù)

接地是為防范雷擊災(zāi)害的重要防控技術(shù)，能十分有效將雷擊的電能引導(dǎo)入地，從而減弱引線上的電壓。我國規(guī)定移動基站的地阻值必須要低于5 Ω以下，對于一些高土壤電阻率的地區(qū)來說，防雷接地技術(shù)中的控制接地電阻率的措施主要有4種。一是采取多支線的外引接地設(shè)備，外引的長度保證不超過有效長度，二是接地體要埋到深度較大的低電阻率土壤之中，三是采取降阻劑，四是進(jìn)行換土操作[11]。

4.1.3 通信線纜雷電防護(hù)

基站通信電纜一般會分為埋地電纜和架空線纜，被雷擊的電纜一般會出現(xiàn)直擊、地電位反擊以及感應(yīng)過電壓3種情況。其中最為容易遭受到雷擊的電纜是在偏遠(yuǎn)山區(qū)與海島埋設(shè)于地面中的電纜，這種情況下，在確定電纜埋設(shè)的位置時(shí)應(yīng)盡可能沿平坦的地區(qū)埋設(shè)電纜[12]。在設(shè)計(jì)埋設(shè)電纜的區(qū)域時(shí)，周邊不應(yīng)有孤立且突出的其他建筑物，而且最好沿電阻率較小的區(qū)域埋設(shè)。

4.2 內(nèi)部防雷

4.2.1 等電位連接措施

等電位連接是電感式雷電防護(hù)的重要措施，成本較低，但防雷效果明顯。由于感應(yīng)雷和雷電波的入侵以及地電位反擊會損害基站計(jì)算機(jī)室中的通信設(shè)備，因此基站計(jì)算機(jī)室必須等電位連接[13]。一般情況下，通信基站電腦室中的等電位分為兩種，一種是穩(wěn)態(tài)等電位，另一種是瞬態(tài)等電位，兩者有各自獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。只有在通信基站中將這兩種等電位的連接做好，基站中的設(shè)備才能有效地抵抗電磁干擾和感應(yīng)過電壓等雷擊災(zāi)害中造成的破壞。

4.2.2 移動通信基站屏蔽

基站的移動通信屏蔽是在兩個(gè)空間區(qū)域之間布置金屬隔離層，這樣可以有效控制兩個(gè)區(qū)域之間的電場以及磁場和電磁波產(chǎn)生的感應(yīng)與輻射。屏蔽是減少電磁干擾的基本措施，其中外部屏蔽將線路鋪設(shè)在適當(dāng)?shù)穆窂街小τ诶纂姰a(chǎn)生的電磁波，屏蔽是最有效的保護(hù)措施[14]。

4.2.3 供電系統(tǒng)的防雷電波入侵

電源供應(yīng)系統(tǒng)是移動基站的“心臟”，也是基站防雷的工作中最為重要的一環(huán)[15]。一旦基站的電源系統(tǒng)損壞，其他通信設(shè)備將失去電力供應(yīng)而無法正常工作。同時(shí)，突然斷電還會影響電子設(shè)備的磨損程度，從而減短設(shè)備的使用壽命。嚴(yán)重情況下，設(shè)備還會直接受到不可逆轉(zhuǎn)的損毀，如果沒有及時(shí)有效的維護(hù)，那么很容易出現(xiàn)大范圍的通信中斷和不可彌補(bǔ)的損失。

5 結(jié) 論

很多通信基站所處在的區(qū)域相對來說地形較為復(fù)雜的同時(shí)，氣候也較為惡劣，一旦遭受到雷擊災(zāi)害難以在很短的時(shí)間內(nèi)得到及時(shí)且妥善的處理。而且基站塔普遍要高于地面，遭到雷擊的可能性很高，基站機(jī)房中的設(shè)備也更容易因?yàn)槭艿嚼讚舳鴵p壞，所以對通信基站對防雷技術(shù)和設(shè)備的要求很高。因此研究基站防雷技術(shù)是確保網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備安全性的關(guān)鍵的一環(huán)。為確保通信基站防雷工作的順利開展，必須不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提高基站防雷技術(shù)水平和綜合防雷能力。