移動通信基站防雷技術(shù)探討

劉玉娜

（唐山港信科技發(fā)展有限公司，河北 唐山 063000）

引言

目前移動通信技術(shù)的發(fā)展十分迅速，通信基站的數(shù)量也隨之增多，相對應有關(guān)通信基站的研究也隨之豐富起來。在移動通行基站的發(fā)展歷程中，雷電災害對基站設(shè)施的破壞占有很大比例，特別是在雷電災害高發(fā)地區(qū)，雷擊導致通訊設(shè)備中斷、機房火災等，對基站造成的影響，甚至是給企業(yè)帶來不可挽回的損失。

1 會損壞通信基站的雷電類型

雷擊事故與氣候條件聯(lián)系緊密，在雷雨較多的地區(qū)，設(shè)備被雷擊的事件時有發(fā)生。同時如果設(shè)備接地不良，也會引發(fā)雷擊事故。對移動通信基站造成破壞的主要有四種類型：其一是直擊雷。顧名思義它是一種直接對防雷設(shè)備或是建筑物發(fā)生作用的雷電，在一定程度上會引發(fā)電、熱和機械效應的雷電方式。對通信基站直擊雷擊中線路并沿導線或電纜流過大量的雷電流，同時引起幾萬伏的過電壓直接加到線路裝置和電源設(shè)備上，持續(xù)時間達若干微秒，電流值達幾十千安。如果移動通信基站被直擊雷打中時沒有安裝防范直接雷的設(shè)施，那么基站的鐵塔、設(shè)施以及工作人員會受到極大的傷害。其二是雷電感應。這是指當導體周圍雷電影響后會發(fā)生靜電和電磁感應，此種雷電的傷害程度不及直擊雷，但它發(fā)生的頻率確遠遠高于直擊雷，容易在附近的線纜或用電設(shè)備等導體上產(chǎn)生感應過電壓，給基站內(nèi)部的設(shè)施帶來破壞。其三是雷電波。此類雷電會跟著被雷電擊中的電線和金屬類管道進如基站內(nèi)部，進而對設(shè)施造成破壞。其四是雷擊電磁脈沖。是指當雷電擊中防雷設(shè)施或者周圍的時候發(fā)生的干擾源反應，與雷電波進入基站的相似之處是都會對基站內(nèi)部設(shè)備造成的傷害偏大。據(jù)統(tǒng)計，在造成移動通信基站的事故中，被損壞的設(shè)備基本上是感應雷引起的電力線、電源設(shè)備、與外界有線纜聯(lián)系的信號電路及接口設(shè)備。針對此類情況，應在移動通信基站設(shè)置完善的防雷地網(wǎng)聯(lián)合接地的基礎(chǔ)，按照整體防護原則進行系統(tǒng)防護，做到綜合治理城城設(shè)防保證基站內(nèi)的過電壓保護和接地系統(tǒng)完好[1-3]。

2 雷電如何侵入通信基站

2.1 通過基站鐵塔和天饋線侵入

一般情況下，當雷擊中塔的避雷針時，雷擊的電流會通過塔，然后通過避雷針的接地設(shè)施再次散流侵入地下，從而導致地網(wǎng)地電位升高，進而使基站地網(wǎng)與設(shè)施之間的電位差變高，對基站的通訊設(shè)施造成危害。如果天線的饋線是同軸電纜，當導體感應到電流強時，再從鐵塔的天線侵入機房設(shè)備，進而侵入收發(fā)信機或其他通信設(shè)備，就會導致移動通行基站的通信設(shè)施出現(xiàn)損壞。

2.2 通過架空管線侵入

當雷電發(fā)生時，雷云里會產(chǎn)生很大的電場，而當架空管線距離終端較近時，會導致四周電場的強度明顯上升，容易發(fā)生架空管線被雷擊中的現(xiàn)象。當遭遇雷電侵入的時候，會使雷電過電壓侵入機房，使通信設(shè)施被燒毀。雷云在對地放電的時候，也會使架空管線上感受到雷電的過電壓，同樣會對電源設(shè)施帶來危害。

2.3 受雷電電磁感應影響

避雷針頭上有直接防雷的接閃器。雷擊時，由于雷電電流強度大，但放置時間短，會使接閃器與引下線附近產(chǎn)生較大的瞬時電磁場。由于有如此強的磁場，基站內(nèi)部的電壓會出現(xiàn)幾千甚至幾萬伏的電壓，基站的通訊設(shè)備必然會受到影響。因為移動通信基站的通信設(shè)施屬于高度一體化的設(shè)備，受沖擊能力不強，雷擊對通信設(shè)備的影響很大[4]。

2.4 由基站機房引入

如果移動通信基站建在山頂上，機房的海拔就相對較高，所以直接雷擊不會通過避雷針進入地下，只是會繞開防雷接地，從斜坡或橫著打中物體。這類狀況稱為雷電繞擊。在這類狀況下，針對雷的防御力早已失靈了，因此通信基站主機房的遭雷擊防御力必須另做計劃。

3 移動通信基站的防雷電技術(shù)

3.1 屏蔽技術(shù)

此項技術(shù)的主要能達到的效果是使用控制導電的材料，實現(xiàn)屏蔽電磁，導致變磁場穿透某一部分的情況變少，如圖1 所示。此項技術(shù)可以降低雷電在發(fā)生時，由于交變調(diào)磁場的形成對通信設(shè)施帶來損害的情況，保證設(shè)施能夠正常運行。使用該項基礎(chǔ)將一區(qū)域?qū)嵤┢帘?，那么在技術(shù)發(fā)生作用的范圍內(nèi)，磁場的強度數(shù)值會從H0下降至H1（其中H0是指還沒有使用此技術(shù)的磁場強度；H1是使用技術(shù)之后的磁場強度），H1=H0/10SF/20，其中SF就是屏蔽的系數(shù)，它的大小是由場內(nèi)材料的結(jié)構(gòu)以及其性質(zhì)決定的。

3.2 接口保護

可降低甚至消除雷擊過電壓，以確保通訊設(shè)備的正常運行，如圖2 所示。在基站內(nèi)，通訊設(shè)施的四個接口被雷擊侵入并產(chǎn)生影響，即電源接口、信號端口、饋線接口和接地接口。接口保護措施的目標是減少接口處的電位差。

3.3 等電位的連接

此項技術(shù)能使設(shè)施外殼在與雷電產(chǎn)生的高電位物體的電氣連接的時候，可以維系著外露可導電和設(shè)施外可導電位置的點位相同，預防由于部分電位高而出現(xiàn)反擊現(xiàn)象，從而實現(xiàn)保護金屬管道的目標，如圖3 所示。

3.4 絕緣配合

絕緣配合技術(shù)的主要目的是為了確保電壓在設(shè)施中所經(jīng)受的電壓沖擊在能夠承受的范疇之中，如圖4 所示。

4 移動基站防雷

4.1 供電系統(tǒng)的防雷

4.1.1 交流電源引入部分

根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計，有60%～80%的雷電入侵波來自傳輸線路的防雷措施應做好層層設(shè)防保護原則，一般都采取兩級防護措施。第一級防護措施采用氧化鋅避雷器，一般都安裝在基站的交流配電箱旁邊，第二級由電源設(shè)備廠商直接提供，這類設(shè)備都安裝在整體基站系統(tǒng)內(nèi)部[5]。

4.1.2 過電壓保護裝置（SPD）的容量選擇

第一級SPD 的容量應根據(jù)具體基站所處地區(qū)以及周邊地形地貌等因素綜合確定。原則上將基站可分成兩個檔次：第一類是雷擊高發(fā)地區(qū)，高山站，有長距離架空線引入的站，周邊地形地貌較為開闊、空曠、孤立的站，均采用100 kA（最大放電電流）；其余均屬第二類，采用60 kA（最大放電電流）。

4.1.3 實施要求

引入基站的電力電纜宜采用金屬護套（鎧裝）或敷設(shè)在金屬管內(nèi)，且電纜鎧裝層或金屬管兩端應作良好接地；若采用地埋方式入局，則埋地長度不宜小于15 m，深度應不小于0.7 m，電力電纜與通信電纜平行間距不小于0.5 m；交流配電箱的輸入端的三根相線及零線，零線對地應分別加裝過電壓保護裝置（SPD）[6]。

4.2 信號線的防雷

移動通訊基站與交換局之間一般采用光纜電纜或微波三種傳輸方式。中繼線雷擊感應的過電壓機理與電源線相同，在運行的過程中，極容易發(fā)生雷電入侵侵害，由于與中繼線相連的各類終端設(shè)備耐過壓水平低于電源設(shè)備，所以極容易造成接口設(shè)備，傳輸設(shè)備，交換設(shè)備等出現(xiàn)雷擊事故。在信號線輸入基站的過程中，中繼線盡可量采用全線直埋方式，至少在前端運行部分采用直埋入基站。所有埋地傳輸線纜必須做好金屬屏蔽層或金屬管道的兩端接地光纜，金屬加強芯也一并接地。傳輸設(shè)備將GND 和PGND 在機架處直接短接做好相關(guān)防雷或措施，這樣可以有效避免因電位差而造成的設(shè)備損壞，也讓整個基站的防雷效果達到最優(yōu)。光電傳輸系統(tǒng)的良好接地，一方面保證了整個移動基站的正常防雷防電擊功能，另一方面也可以抵抗外界的電磁干擾，防止本機電磁泄漏[7-9]。

4.3 天饋線系統(tǒng)的防雷

基站天饋線一般都采用三點接地的方式，將饋線的金屬外護層在鐵塔頂部平臺處（A 點）、施工時要求饋線離鐵塔保持在0.5～1 m 范圍內(nèi)（B 點）、進入基站系統(tǒng)的線路入口處外側(cè)（C 點）作三點接地。其中A 點饋線宜與塔身作可靠連接，B 點與塔身作良好連接，C點接至饋線窗附近外墻上的室外接地排（EGB）上。EGB 在連接時通過銅鐵保護層與地網(wǎng)防雷層焊接。其中鐵塔架設(shè)的線路金屬外護層在進入基站系統(tǒng)中都應做好就近接地處理，如果鐵塔的高度超過了60 m在連接線路的過程中中間應增設(shè)連接點以保證運行效果，室外架空走線兩端也都應做好接地，饋線進入室內(nèi)專用接地排上，再用截面積為35 mm2的防火軟電纜將此地線排與室內(nèi)接地匯集排連接[10]。

4.4 鐵塔、抱桿防雷

鐵塔塔頂?shù)慕娱W器采用40 mm×4 mm 的熱鍍鋅扁鋼作為專用的雷電流引下線。樓頂塔時，其四腳應在屋頂與避雷帶就近不少于2 處焊接連通。焊點作防腐處理，一定要保證連接點的數(shù)量和分散性，以利于分散引流雷電。落地塔時，鐵塔地網(wǎng)設(shè)置為封閉環(huán)形帶且利用塔基地樁內(nèi)兩根以上主鋼筋作為其垂直接地體。在樓頂采用抱桿安裝天線的方式，并且每根爆桿都可以分別接至樓頂避雷帶，同時饋線也應接地利用固定爆桿的膨脹螺栓接頭加裝墊片以保證后期防腐效果。

5 結(jié)語

由于移動通信基站能否正常運行是用戶是否得到良好的體驗效果的前提，因此對移動通信基站的保護是必不可少的。對于移動通信基站的雷電防護是比較復雜的工作，對雷電形式和侵入進行了詳細分析之后再提出相關(guān)的防雷電技術(shù)，使雷電對基站帶來的傷害減至最低，節(jié)約因設(shè)施損壞帶來的成本費用。后續(xù)對移動通信基站的防雷電技術(shù)的優(yōu)化需要進一步的研究分析，本文為其提供了一定的參考價值。