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    移动通信基站的雷害与防护
    发布时间:2014-7-15

    移动通信网是国家现代通信网的重要组成部分,在信息基础设施中占有重要的地位。随着通信事业的迅速发展,移动通信基站越建越多,而且这些基站承担着繁忙的通信信息的传输任务。由于移动通信频段采用甚高频和特高频,其电波为直线传播,因此大多数移动通信基站都建在较高的地方,以获得良好的通信效果。这样,移动通信基站相对于周围环境而言,形成一个十分突出的目标,从而导致移动通信系统和基站容易遭受雷击,因此损坏通信设备的事故在全国各地多次发生。有的基站遭受雷击后,使通信中断,直接经济损失几十万甚至上百万元,造成不良后果。正因为如此,对基站的雷击防护是一个十分重要的问题,必须妥善解决,以保证通信设备正常运行。

    一、 基站遭受雷击时的损害情况

        通过对部分遭受雷击的基站进行整治发现,基站遭受雷击时,通信设备损害的情况如下:

    (1) 击坏脉码调制(PCM)的通路盘、信令盘等设备;

    (2) 击坏移动交换机(EMX)部位的TTY、MTI板、ASI板等;

    (3) 击坏基站部位的VOC板、BSC板、包括VCC、SCC、CSC板等;

    (4) 击坏电源部件等;

    (5) 击坏与天馈线相连的高频机架。

    二、 雷电瞬间过电压的成因

    1、 雷击

    (1) 雷电直击到电源输入线,继而损坏用电设备。虽然电力传输线上都安装了各种保护间隙和电力避雷器,但是,这虽然可使雷电冲击波经过输电线路时侵入线对地的电压受到了限制(IEEEC62.41),但线与线之间过电压则无法控制。

    (2) 以感应方式如电阻性、电感性或电容性耦合到电源线、信号线或电话线上,最终危害设备。

    2、 操作过电压

    众所周知,当电流在导体上流动时,会产生磁场储存能量,电流越大,导线越长,储能越多,所以当大负载(特别是感性大负载)电器设备开关时,便会产生瞬间过电压。瞬间过电压对不同阻抗的负载将产生不同的损害。另外,供电网络上挂接了大量的电力电子器件组成的用电设备,如大功率模块式整流电路、开关电源等也会给供电电网带来干扰,形成浪涌过电压。

    三、 雷害引入途径

    (1) 铁塔天馈线引入雷害

    一般的基站铁塔高度约为50~60米,有些甚至高达80~90米,。当铁塔的避雷针受到直接雷击时,雷电流途径之一是通过铁塔经其接地装置散流入地,使地网地电位升高;另一途径是如果天馈线为同轴电缆,在其内导体上感应出较强的感应电流,这样A-B段内导体上感应电流为iA-B,B-C段内导体上感应电流为iB-C,iA-C = iA-B + iB-C,即为整个同轴电缆的感应电流。如果有n条同轴电缆的总感应电流I = niA-C,这个感应电流最终经同轴电缆内导体进入通信机,烧坏移动通信设备。例如,1995年8月四川省某移动基站遭受一次雷击就是从天馈线引入雷电流,结果PCM设备,直接经济损失20多万元,影响了正常通信,造成了不良后果。

    1、 架空电力线和其他架空线引入雷害

    移动通信系统的基站如果有架空电力线或其他架空线,其架空电力线或其他架空线也是引入雷害的重要途径。原因是当雷云放电时,其空间形成强大电场。根据分析,在架空电力线路靠近终端时,主要成分是水平电场,出线在电场中的突出物体最易出线感应电荷的集中,使其周围电场强度显著增加,架空电力线路很容易发生尖端放电而被雷电击中。当架空电力线路遇雷电袭击时,将过电压引入基站机房,很可能烧坏基站的通信设备。有时,雷云即使对地放电也会在架空电力线路上产生感应过电压,当S2>h2时

    U=25Ih/S

    式中:

    I----雷电流的幅值(A)

    h----架空电力线路高度(米)

    S----雷击点与架空电力线路间的距离(米)。

    该过电压亦会对电源设备造成威胁,当基站有其他架空线时,也可能在架空线上出现类似雷电过电压,这类雷害事故主要表现为交、直流电源盘的损坏和电话交换机的损坏。

    2、 基站机房引入雷害

    某些基站机房可能建在山顶上,如果机房位置的海拔高度很高,有时直击雷可能从横向及斜面击来,出现所谓的“绕过避雷针,再击至被保护物”的绕击现象。在这种情况下,孤立的避雷针,往往已不能防御雷电对机房的直击,因此,基站机房必须采取必要的防雷措施。

    四、 现代防雷特点

    1、 外部防护----将绝大部分雷电流直接引入地下泄放;

    2、 内部防护及过电压保护----阻塞沿电源线或数据线、信号线引入的侵入波危害设备;

    3、 过电压保护----限制被保护设备上雷电过电压幅值。

    这三道防线互相配合,各尽其职。

    具体讲:

    1、 外部防护

        外部防护主要指直击雷的防护,它是防雷技术的主要组成部分。其技术措施可分为接闪器、引下线、接地体和法拉第笼。对于外部保护,IEC1312—1推荐:全部雷电流的50%流入所考虑建筑物的接地装置,另50%分配于进入建筑物的各种设施(外来导电物、电力线和通信线等),由此可见外部保护的重要性。对于计算机机房或邮电、电信、电力等行业的通信机房几微波站等,一定要认真按标准或规范要求作好外部防护的措施。接闪器建议采用具有限流功能的AR避雷针(其已通过ISO9002质量体系认证及信息产业部产品鉴定)。对于建筑物顶部的信息系统外置设备的直击雷保护,应按GB50057—94的第3.2.3条处置,金属物体可不装接闪器,但应和房屋防雷装置相连;在房屋接闪器保护范围之外的非金属物应装接闪器,应和房屋防雷装置相连。在房屋高度大于滚求半径时,如屋面设置了合格的避雷带时,可将房屋高度假定为正负零高度,作避雷针并按滚球法计算其能否保护外部设备。

    2、 内部保护

        内部保护指对雷电等侵入的防护,其技术措施可分为屏蔽,均压等电位和防闪络等。

    (1) 屏蔽

        屏蔽是利用各种金属屏蔽体来阻挡和衰减施加在计算机等设备上的电磁干扰或过电压能量。对计算机系统来说,具体可分为建筑物屏蔽、设备屏蔽和各种线缆的屏蔽。强调:一、屏蔽管线的接地。一般要求如户线采用地下电缆入户,其电缆金属护层在前后两端作良好接地。二、使用金属丝编制网、屏蔽电缆,因其重量轻、使用方便而广泛应用,但是在电磁波频率较高时,其波长接近编织层网孔尺寸,波的透入增加,因此最好在穿一层金属管。

    (2) 等电位连接

        其目的在于减少雷电流所引起的电位差。等电位是用连接导线或过电压(浪涌)保护器将处在需要防雷空间内的防雷装置、建筑物的金属构架、金属装置、外来导线、电气装置、电信装置等连接起来,形成一个等电位连接网络以实现均压等电位,防止防雷空间内的火灾、爆炸、生命危险和设备损坏。

    (3) 防闪络措施

    在IEC电子标准术语中对反向闪络定义为“网络中通常处于地电位的部分受到雷击而引起的相对地的绝缘闪络”。为防止闪络,在国标GB50057-94中提出了等电位连接或隔离距离的要求。对于装有防雷装置的建筑物,在防雷装置与其他设施和建筑物内人员无法隔离的情况下,应采用等电位连接。当利用建筑物的钢筋或金属物结构作为引下线,同时建筑物的大部分钢筋、钢结构等金属物与被利用部分连成整体时,金属或线路与引下线之间的距离可不受限制。

     

    五、 防护措施

    1、移动通信系统的基站的接地系统应按照均压等电位的理论改造或设计,将机房地、铁塔地、交流变压器地共同组成一个联合接地的大地网,见图。联合接地主要解决两个技术问题。一是解决雷击对通信设备和工作人员的安全问题;二是用三相五线制供电解决交流电流对通信的干扰问题。

    2天线铁塔防雷

    (1) 移动通信天线应有防直击雷的保护措施。天线铁塔应设避雷针并与铁塔焊接。天线安装位置应在避雷针的防雷保护区内。避雷针的保护区如图所示。其中保护角取30°~45°,多数保护设计取30°。避雷针与铁塔焊接的目的就是确保避雷针有良好的接地线,以保证雷电流及时流入大地。

    (2) 当铁塔比较高时,天馈线(包括塔灯电源线,金属护套)、引下线都要多点接地,以增加雷电流的入地途径和使馈线上的过电压分割为多断,加强分流和均压效果,并将馈线在机房外就近接入地网,使由馈线上引入机架上的过电压减至最小程度。

    (3) 塔灯电源线相线在机房入口处对地加装氧化锌无间隙避雷器,零线直接接地。

    3、 架空电力线和其他架空线的防雷

    (1) 由上面分析可知,架空电力线也是移动通信基站引入雷害的通经之一,因此有条件的基站应将架空电力线改为电缆并埋入地下,其深度为70cm,且使用有金属屏蔽层的电缆为好。如果无金属屏蔽层,用金属管套包着电缆最好。金属层接地且要作防锈处理,在进入机房前电缆金属层要与机房联合地网相连,交流电缆进入机房后还要采取防雷措施。

    (2) 电话线的防雷问题也应重视。众所周知,移动通信网大多都需要与有线电话网相连,因此有时要将电话线引上高山,不少基站采用架空电缆上山,因而很容易遭受雷击。电话电缆的防雷,首先是电话电缆必须有金属屏蔽层,在电话电缆进入机房前,金属屏蔽层应与机房的联合地网相连;进入机房后,电话线上还要安装防雷器件,然后方可接入终端设备。

    4、 机房防雷

    (1) 机房应有防直击雷的保护措施。机房屋顶应设避雷网,其网格尺寸不大于3m*3m,并与屋顶避雷带按3m间距一一焊接连通。机房房顶四角应设雷电流引下线,该引下线可用  40mm*4mm镀锌扁钢,其上端与避雷带、下端与地网焊接连通。机房屋顶上其他金属设施分别就近与避雷带焊接连通。

    (2) 机房地网、铁塔地网、变压器地网间至少要有两根镀锌扁钢相连接。

     

    六、 其他需要说明的问题

    (1) 移动通信基站供电采用K.27建议推荐的TN—S三相五线制主要解决交流零线上的不平衡电流通过联合接地体对移动通信的干扰问题。因为供电交流电流较大,中性线平时就有电流,用其作为保护地线时,就成为干扰源,所以不能采用中性线作为交流保护地线。为了防止零序电流流入联合接地地网,应直接从中性点引一根线(无流零线),作为交流保护地线,严禁采用中性线作为交流保护地线。

    (2) 移动通信基站的机房配线方式应该按单点接地原理配线,见下图。这种配线方式主要解决对通信的干扰问题,因为这种配线方式使干扰电流不能形成回路,解决了从配线方式可能形成的对通信的干扰问题。

    (3) 日常维护工作应注意以下几点:

    ① 防雷的施工单位应严格按照防雷设计要求施工,如接地体的装设、机房配线方式等。

    ② 新建 、改建、扩建的移动通信系统的基站维护单位要作好随工检验工作,应把防雷设施的施工质量作为随工检验的主要内容之一。

    ③ 选择移动通信系统的基站防雷器件时,应选用符合国家标准、行业标准指标要求并经过有权检测中心检测认可的防雷器件。在使用中定期检测防雷器件的各项指标,如发现不合格应定期更换。

    北京爱劳高科技有限公司

    2000.5.15