高山通信基站雷電防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究與分析

湘西土家族苗族自治州氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心 梁忠武 黃耀磊 周?chē)?guó)軍 尹 娟

高山通信基站的雷電防護(hù)對(duì)減少基站雷電危害意義重大，本文重點(diǎn)分析探討了雷電防護(hù)技術(shù)中的接地技術(shù)、機(jī)房等電位連接、電源系統(tǒng)浪涌保護(hù)技術(shù)等。高山通信基站的接地應(yīng)采用共用聯(lián)合接地系統(tǒng)，接地電阻值在很難達(dá)到規(guī)范值要求時(shí)應(yīng)保證其他雷電防護(hù)措施的完整性和有效性；通信機(jī)房等電位連接基本結(jié)構(gòu)包含S型和M型，機(jī)房?jī)?nèi)所有設(shè)備設(shè)施應(yīng)做好等電位連接處理，大型設(shè)備接地連接線(xiàn)不少于2根，并保證良好的接地效果；高山通信基站應(yīng)安裝多級(jí)浪涌保護(hù)器，并且第一級(jí)浪涌保護(hù)器應(yīng)選用大通流量型號(hào)，浪涌保護(hù)器的接地線(xiàn)應(yīng)盡量短而直；對(duì)于通信鐵塔，高山站直擊雷引下線(xiàn)宜采用專(zhuān)設(shè)引下線(xiàn)，以達(dá)到盡快泄流和減少雷電二次危害的目的。

現(xiàn)代通信技術(shù)高速發(fā)展，移動(dòng)通信基站也不斷的升級(jí)改造，從3G到4G再到新時(shí)代的5G，移動(dòng)通信基站都扮演著重要角色，直接關(guān)系到移動(dòng)通信設(shè)備網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的質(zhì)量。由于信號(hào)發(fā)射和接收的需要，移動(dòng)通信基站大多建于高山、屋頂?shù)纫恍┑貏?shì)較高處，特別是一些高山站，其所在地土質(zhì)條件大都比較差，土壤電阻率高，并且通信鐵塔或信號(hào)桿等都暴露于高處，這些環(huán)境特點(diǎn)使得高山移動(dòng)通信基站比較容易遭雷電危害，一方面雷電直接擊中信號(hào)塔或信號(hào)桿帶來(lái)的危害，另一方面雷電感應(yīng)引起的過(guò)電壓或過(guò)電流給通信機(jī)房?jī)?nèi)部設(shè)備和系統(tǒng)帶來(lái)的危害，因而高山移動(dòng)通信基站需做好雷電防護(hù)措施，完善的雷電防護(hù)技術(shù)措施對(duì)保證通信基站正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)今的移動(dòng)通信技術(shù)已比較成熟，相應(yīng)的通信基站的雷電防護(hù)技術(shù)也比較完善，通信基站雷電防護(hù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生，關(guān)于移動(dòng)通信基站雷電防護(hù)的研究也不少，本文將側(cè)重探究高山移動(dòng)通信基站雷電防護(hù)技術(shù)中的接地、機(jī)房等電位和電源系統(tǒng)浪涌保護(hù)技術(shù)，分析這些技術(shù)的關(guān)鍵要點(diǎn)和合理性。

1 基站接地系統(tǒng)

移動(dòng)通信基站的地網(wǎng)由機(jī)房地網(wǎng)、鐵塔地網(wǎng)和變壓器地網(wǎng)共同組成，并且它們之間焊接聯(lián)通形成一個(gè)聯(lián)合接地網(wǎng)，如圖1所示。機(jī)房的地網(wǎng)一般設(shè)置成環(huán)形接地裝置，并充分利用機(jī)房建筑基礎(chǔ)橫豎梁內(nèi)的鋼筋焊接形成網(wǎng)格接地裝置；鐵塔地網(wǎng)和變壓器地網(wǎng)應(yīng)與機(jī)房地網(wǎng)多點(diǎn)連接，一般每隔3～5m作一次連接；由于高山移動(dòng)通信基站所在地環(huán)境比較惡劣，土壤電阻率高，使得接地電阻值很難達(dá)到規(guī)范值要求，為了實(shí)現(xiàn)降阻和達(dá)到較好的泄流效果，需在聯(lián)合地網(wǎng)的外圍增設(shè)輻射型的外引水平接地體，外引水平接地體的長(zhǎng)度應(yīng)不大于2√ρ，ρ為土壤電阻率。

移動(dòng)通信基站的聯(lián)合地網(wǎng)是基礎(chǔ)地網(wǎng)，除此之外通信基站的接地還包括工作地、保護(hù)地、信息設(shè)備的邏輯地、防雷地等等，這些接地應(yīng)共用基礎(chǔ)地網(wǎng)，形成共用聯(lián)合接地網(wǎng)，相對(duì)于獨(dú)立接地，這種共用接地系統(tǒng)更有利于系統(tǒng)的安全，已被專(zhuān)家學(xué)者認(rèn)可，也廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的接地裝置。

關(guān)于通信基站的接地電阻值，在通信行業(yè)規(guī)范YD5068-98中規(guī)定基站接地電阻值不大于5Ω，后來(lái)在規(guī)范YD5098-2005中放寬到不大于10Ω，除此之外根據(jù)防雷技術(shù)規(guī)范GB50057-2010、GB50343-2012等的要求，采用共用接地系統(tǒng)時(shí)接地電阻值應(yīng)按最小的要求值確定，一般配電系統(tǒng)的接地電阻值為不大于4Ω，重要機(jī)房的接地電阻值可能要求不大于1Ω，這對(duì)于高山站來(lái)說(shuō)很難達(dá)到要求，降到這樣的低電阻值將耗費(fèi)大量的人力財(cái)力物力，非常不經(jīng)濟(jì)，因此高山移動(dòng)通信基站的接地電阻值需結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥离娮杪省⒗妆┤盏葰庀髼l件和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，特殊條件下可適當(dāng)放寬接地電阻值的要求，并強(qiáng)調(diào)其他雷電防護(hù)措施的完整性和有效性。

圖1 通信基站接地裝置簡(jiǎn)圖

2 機(jī)房等電位

由于高山移動(dòng)通信基站的接地電阻值一般很難達(dá)到規(guī)范值要求，此時(shí)做好基站的等電位連接措施顯得尤為重要，等電位連接主要起到均衡電位的作用，通信基站機(jī)房的等電位是重中之重，因而做好高山移動(dòng)通信基站機(jī)房的等電位連接對(duì)減少因電位差引起的雷電危害意義重大。機(jī)房基本的等電位連接結(jié)構(gòu)為S型（星型結(jié)構(gòu)）等電位連接結(jié)構(gòu)和M型（網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)）等電位連接結(jié)構(gòu)，或者這兩種結(jié)構(gòu)的組合形式。S型結(jié)構(gòu)為單點(diǎn)接地形式，機(jī)房?jī)?nèi)所有設(shè)備、設(shè)施的等電位連接線(xiàn)最終通過(guò)一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)連接到接地排上，M型結(jié)構(gòu)可看作多點(diǎn)接地形式，設(shè)備設(shè)施之間通過(guò)等電位連接線(xiàn)相互連接并最終通過(guò)多點(diǎn)連接到接地排上。S型接地結(jié)構(gòu)適用于低頻網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致一些接地線(xiàn)的長(zhǎng)度很長(zhǎng)，由于當(dāng)功能性接地的接地線(xiàn)長(zhǎng)度l為干擾頻率波長(zhǎng)的1/4或其奇數(shù)倍時(shí)將產(chǎn)生諧振，接地線(xiàn)的阻抗為無(wú)窮大，相當(dāng)于一根天線(xiàn)，不再利于接地，因此對(duì)于高頻網(wǎng)絡(luò)（如100MHZ），不再適用S型接地結(jié)構(gòu)，應(yīng)該采用M型接地結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)能使接地線(xiàn)盡量短，如達(dá)到不大于0.5m，為了保證設(shè)備接地達(dá)到良好的效果，通常在設(shè)備對(duì)角作兩根接地線(xiàn)，并且兩根接地線(xiàn)的長(zhǎng)度差控制在20%以?xún)?nèi)。

基站機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備設(shè)施如網(wǎng)絡(luò)柜、交換機(jī)、通信柜、電源柜、配電箱、UPS電池、走線(xiàn)架等等都應(yīng)做好接地處理，等電位接地線(xiàn)的規(guī)格需符合規(guī)范要求，通常匯流排的截面積不小于35mm2，一般設(shè)備接地連接線(xiàn)的截面積不小于16mm2，小型設(shè)備接地連接線(xiàn)的截面積不小于4mm2。除此之外進(jìn)入機(jī)房的各種線(xiàn)纜（如電纜、光纜、信號(hào)線(xiàn)、天饋線(xiàn)）的金屬外層或加強(qiáng)芯都應(yīng)在入戶(hù)處就近做好等電位連接處理；機(jī)房天面上的金屬設(shè)備也應(yīng)就近做好接地或等電位連接處理。

3 浪涌保護(hù)技術(shù)

雷電對(duì)基站的危害一方面來(lái)自直擊雷害，直擊雷害主要通過(guò)安裝接閃器、引下線(xiàn)和接地裝置進(jìn)行防護(hù)，另一方面的危害來(lái)自感應(yīng)雷危害，雷電波、雷電電磁感應(yīng)引起的過(guò)電壓過(guò)電流通過(guò)線(xiàn)路引入到機(jī)房?jī)?nèi)部對(duì)設(shè)備造成破壞，而且由于基站機(jī)房?jī)?nèi)電子設(shè)備較多，感應(yīng)雷危害占實(shí)際雷電危害的絕大部分，防護(hù)感應(yīng)雷除了等電位連接措施，安裝浪涌保護(hù)器也是一重要方面。

浪涌保護(hù)器主要通過(guò)限制瞬態(tài)過(guò)電壓和分走雷電流對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。由于進(jìn)入通信機(jī)房?jī)?nèi)的線(xiàn)路較多，包括電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)、天饋線(xiàn)等，因此需安裝不同類(lèi)型的浪涌保護(hù)器，本文主要分析電源系統(tǒng)浪涌保護(hù)器的安裝。通信基站電源系統(tǒng)雷電過(guò)電壓保護(hù)應(yīng)使用分級(jí)保護(hù)，按照防雷分區(qū)的原則安裝多級(jí)浪涌保護(hù)器，并且各級(jí)之間應(yīng)保持必要的退耦距離或增設(shè)退耦器件。通常第一級(jí)浪涌保護(hù)器安裝在低壓配電輸入端，如變壓器低壓側(cè)或低壓配電室電源入口處，對(duì)于高山通信基站，考慮到雷電環(huán)境惡劣，第一級(jí)浪涌保護(hù)器應(yīng)選用大通流量的浪涌保護(hù)器來(lái)就行分流，如最大通流量不小于120KA；第二級(jí)浪涌保護(hù)器安裝在后級(jí)配電處，如電源配電柜或開(kāi)關(guān)箱等處，主要對(duì)雷電過(guò)電壓進(jìn)行限壓；第三級(jí)浪涌保護(hù)器作精細(xì)保護(hù)，安裝在具體的設(shè)備處，如網(wǎng)絡(luò)柜、控制柜、數(shù)據(jù)柜的電源引入處，進(jìn)一步限制過(guò)電壓到設(shè)備額定耐壓值以下；第四級(jí)或后面級(jí)別的浪涌保護(hù)器用于對(duì)直流設(shè)備或更精細(xì)設(shè)備的保護(hù)。

高山通信基站電源系統(tǒng)浪涌保護(hù)器的安裝，一方面需要安裝多級(jí)浪涌保護(hù)器，通過(guò)多級(jí)分流和限壓達(dá)到保護(hù)設(shè)備目的，另一方面需要注意通流量參數(shù)和電壓保護(hù)水平參數(shù)的選擇，特別第一級(jí)需選用大通流量的浪涌保護(hù)器，電壓保護(hù)水平應(yīng)根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的耐壓值進(jìn)行確定。

4 其他防護(hù)措施

高山通信基站其他雷電防護(hù)措施包括接閃器、引下線(xiàn)及屏蔽措施等。接閃器直接在鐵塔或通信桿頂端利用短針作接閃，鐵塔頂端通信線(xiàn)纜和設(shè)施應(yīng)在避雷針保護(hù)范圍內(nèi)，關(guān)于引下線(xiàn)原則上可以直接利用鐵塔或信號(hào)桿對(duì)雷電流進(jìn)行引流，考慮到鐵塔本身金屬構(gòu)件電氣連接貫通的不確定性，并且為了更快的泄放雷電流，減少雷電流的二次危害，高山站宜采用專(zhuān)設(shè)引下線(xiàn)，對(duì)于鐵塔應(yīng)采用兩根或以上40mm×4mm扁鐵作專(zhuān)設(shè)引下線(xiàn)，引下線(xiàn)與鐵塔之間通過(guò)引下線(xiàn)夾具進(jìn)行固定，上端與接閃短針連接下端與地網(wǎng)連接（如圖2所示）。

圖2 鐵塔專(zhuān)設(shè)引下線(xiàn)簡(jiǎn)圖

結(jié)語(yǔ)：高山通信基站由于所處地理環(huán)境的特殊性導(dǎo)致其比較容易遭受雷電危害，本文分析探討了高山通信基站雷電防護(hù)措施中的接地技術(shù)、機(jī)房等電位連接、電源系統(tǒng)浪涌保護(hù)技術(shù)和直擊雷防護(hù)措施等。高山通信基站的雷電環(huán)境復(fù)雜，雷電防護(hù)措施還應(yīng)具體項(xiàng)目具體考慮，本文對(duì)關(guān)鍵防護(hù)技術(shù)的探討與分析僅供同行參考與借鑒。