移动通信基站的防雷与接地问题探讨工学论文
摘要： 本文论述了移动基站防雷接地系统经常出现的问题，介绍了移动通信基站防雷接地的重要性，防雷接地系统的构成和基本要求，并结合多年运维经验提出根据实际情况设计移动通信基站防雷接地系统的设计思想。
关键词： 移动通信;基站;防雷;接地
简介由于移动通信基站的天线设置大多安装在建筑物的房顶上，还有一部分安装在铁塔上，相对周围环境而言，形成十分突出的目标，从而导致雷击概率增多。通信设备损坏，耗费了大量人力财力。怎样才能有效地预防雷害，确保移动通信基站设备和工作人员的安全呢?几年来的维护经验告诉我们：必须根据每个基站的实际情况设计移动通信基站的防雷接地系统，实施基站针对性防雷。
1认清移动基站雷害的主要原因
移动基站防雷是一个复杂的系统工程，过去我们按照防雷理论[1]，尽量提高基站防雷系统的泄流能力，选用了80kA甚至100kA的大型防雷器，但是防雷效果却不尽人意，经常出现基站防雷器没有明显动作，基站设备却已经发生损坏[2]。是防雷器不好吗?不，防雷器都是检测合格的入网产品。原因是没有按照基站的实际情况设计防雷系统。经调查统计了黑龙江省近两年来的雷击事故，得出一条重要数据;基站内设备被直击雷和雷电感应破坏的概率为零。这是因为基站设备包括基站室外电力变压器的位置普遍较低[3]，完全处于建筑防雷设施或铁塔以及架空线路避雷系统和建筑防雷等外围的避雷系统泄放，所以基站设备很难遭到直击雷损害。
2防止地电压反击是基站防雷接地的主要课题
当雷电流基站附近的避雷器对地泄放时，由于接地电阻的存在必然引起基站工作地的电位升高，基站直流负荷如BTS电源、开关电源的监控单元、基站的动力环境监控器等设备相对远端地一般都存在寄生电容，这些设备一端接工作接地，无流的远端地与基站的工作接地间存在电位差，因而产生差模脉冲电压[5]。当超过设备绝缘耐压的容许限度时必然造成设备的损坏。基站的单相交流负荷如基站空调、照明等设备的零线接在变压器的交流地上，当雷电流沿基站附近的避雷器对地泄放时，变压器的交流地和交流重复接地电位也会升高，因此基站的单相交流设备也同样存在地电压反击的问题。
若把基站设备与接地有关的电路简单等效为线路电阻、线路寄生电感(可忽略不计)、线路负载(如传感器、BTS、空调、灯具等)、终端对远端地寄生电容组成的串联回路。假设基站的冲击接地电r为2欧姆，防雷器对地的泄放电流为2kA，这时基站的接地排的瞬间电压为U=1×r=4kV，可见负载两端的瞬间浪涌电压可达4kV，如不采取措施，必然造成设备损坏。
3因地制宜消减反击电压
怎样才能避免地电压反击造成的`损失呢?一般很自然会想到使用交流过压保护器和直流浪涌抑制器，即在交流变压器的低压侧、基站交流配电箱的地零间加装交流过压保护器;在直流负载的电源输入端加装浪涌抑制器。所有交流过压保护器和直流浪涌抑制器必须靠近被保护的设备安装，避免被保护设备由于接地或电源引线过长引起脉冲反射。除此之外一个非常重要的问题就是将基站的工作接地与室外避雷器接地在基站地网上的引接点分开焊接，这样可以大大降低基站工作接地母排的电压浪涌幅值。众所周知，雷电电流沿地网泄放时，在避雷器引下线与地网连接点附近土壤内形成一个强电位场，距离越近电压越高。将基站工作接地与室外避雷器接地分开，可以大大降低基站的反击电压。所以YD5068-98《移动通信基站防雷与设计规范》明确指出：基站工作地与防雷地在基站联合接地网上的引接点距离不应小于5m，条件允许时宜间距10~15m。实际上除电力线路外，基站的铁塔遭雷击次数最多，与铁塔共用接地网的基站经常受到地电压反击的损害，如果铁塔地网边缘距离基站大于5m，应在基站附近另建环形工作接地网;条件差的基站可以沿铁塔地网与基站工作接地引接线，补设接地桩;只能利用铁塔地网的基站也应把铁塔避雷接地的引接点与工作接地的引接点分别在对角塔基上安装。
对于山项基站尤其应注意将基站的工作接地与铁塔避雷接地及站基室外接地分开，因为山顶基站的接地电阻较大，接地引线较长，雷电流泄放相对缓慢，所以地电压反击比较严重。
降低基站接地电阻也有利于电压反击事故。接地电阻较大的山上基站，可利用塔基钢筋、蓄水池、无爆炸和电击危险的金属管路等自然接地体，埋设地桩有困难的山上基站也可从塔基沿山体的自然沟壑，最好选择阴暗潮湿的地方，制作横向辐射接地网，辐射接地网长度应小于30m，塔基四周辐射的横向接地网越多也有利于雷电散流。
4适当地选用电源线路保护空开
防止雷电波侵入避雷的响应特性有远近软硬之分：气体放电管和火花间隙防雷器是基于斩弧技术的角形火花隙和同轴放电火花隙，当线中电压超过防雷器的击穿电压后，防雷器的绝缘电阻立刻急剧下降，放电能力较强，残压相对较高，恢复电压低于原来的击穿电压，属于硬响应特性;属于软响应特性的压敏电阻和浪涌抑制二极管，其特点是响应时间短，放电电流小，残压低，而且恢复电压基本不变。硬响应特性的防雷器工频后续电流和防雷器绝缘劣化可能造成线路短路，所以防雷器前面应该配置过流保护空气开关或熔丝。其额定电流应小于防雷器的最大短路允许强度。如果主电路保护空开关大于防雷器的最大保险丝强度，应设避雷器分路保护空开。
5实现分级防雷
防雷器的残压是保护基站设备的最重要参数，一般来讲，泄流能力强的防雷器，响应时间长，残压高。世界上没有任何一种防雷器能满足所有混合雷电冲击波、残压以及响应时间指标要求，所以应根据基站电源设备的绝缘等级划分防雷层次，实现多级防护，对雷电能量逐级减弱，使各级防雷器残压相互配合，最终使过电压值限制在设备绝缘强度之内。另外多级防护对于某一级防雷器失效、防雷器的残压不配合设备绝缘强度等也是必须的。我们认为应该结合YD5078-98《通信工程电源系统防雷技术规定》和基站的实际情况，从交流电力网高压线路开始，根据基站主要电源配套设备的耐雷电冲击指标和防雷器残压要求，采取分级协调的防护措施，进行基站的防雷系统设备。避雷器的直流1mAA参考电压是我们选择避雷器的绝缘要求，选用时应考虑电网的电压波动上限值和操作过电压远小于直流1mA参考电压。
实现各级防雷器的能量分配与电压配合的要点在于利用两级防雷器之间线缆本身的感抗。电缆本身的感抗有一定的阻碍电流及分压作用，使雷电流更多地被分配到前级泄放。当保护地线与其它线缆紧贴敷设或处于同一条电缆之内时，要求两级防雷器之间线缆长度在15m左右，当防雷器接地线与被保护电缆有一定距离(>1m)，这时要求线缆长度大于5m即可。在一些不适合采用线缆本身作退耦措施的，如两级防雷器靠近或线缆长度较短时，可利用专门的退耦器件，这是无距离要求。
参考文献
[1]YD5068-98移动通信基站防雷与接地设计规范[S].
[2]张殿富.移动通信基础[M].北京：中国水利水电出版社.
[3]金山，刘吉克，陈强.YD/T 1429-2006通信局(站)在用防雷系统的技术要求和检测方法[S].2006.
[4]曹和生，吴少丰，匡本贺.GB/T 21431-2008建筑物防雷装置检测技术规范[S].2008.
[5]张农.关于基站防雷接地的问题[J].邮电设计技术，2004(4).
业内人士都知道雷电具有很强的破坏性，主要有直击雷、雷电感应、雷电波侵入和地电压反击四种形式。其中又以感应雷和电压反击对弱电设备破坏能力最强。当天空的雷雨产生雷击时，其将携带高负荷雷电脉冲、电压及电流，以电磁波形式无规则释放，从而导致雷区域1～5公里范围内(视雷电波强度而定)所有带金属的导线(如高空架设天线、有线电视电缆、通信电缆、供电系统电缆等)，在瞬间内感应到相应强度的脉冲电压及电流，这些电流沿着电器设备上的各种电源电线或信号电缆进入电器设备内部，在雷击电压超过电器设备额定抗电压的瞬间击坏内部器件；主要原因是由于连接在电器上所有电线电缆所带的电压高低不等，高电压就会往低压冲去，形成电流，从而将电器设备局部击坏，造成整个设备系统瘫痪，严重时甚至把整机击毁，甚至触及到人身安全。
一、雷电的几种防护方法
1、对直击雷的防护 雷雨云
对于直击雷可以采用避雷针，其结构如图所示：避雷针由三部份组成：最上部份叫受电端，中间是导电线，下部份是接地体。当雷雨云接近避雷针时，它会感应出大量的异性电荷，通过导电线和受电端向空中放电与雷雨云中的电荷中和减弱雷雨云的电场强度，达到防雷目的。如受电端果是直击雷，避雷针可以把雷电流引入大地，从而起到保护作用。
2、对感应雷的防护
为了防护感应雷对供电线路，传输电缆和架空天线及高层导电线建筑的破坏，可以在线路上安装碳化硅阀型避雷器或金属氧化物（如氧化锌）避雷器如图所示；对于高层建筑，可将建筑物内的金属设施联合接地；对于非金属屋顶，可加装金属防护网并可靠接地。这些措施虽然有效，但有时也难免遭受雷击，究其原因关键在于存在接地电阻，雷击电 接地体流经接地电阻产生很高电压，仍可将设备击坏，故避雷效果不理想。现在随着社会的进步，特别是电子技术迅速发展，防雷技术也在不断完善和提高。生产避雷器的厂家有增无减，各种类型用途的新型避雷器不断问世。等电位避雷器就是其中之一。
二、目前我国虽然有多种防雷技术，但原理不外乎三种方法避雷。
第一、分合式避雷器采用断开法，在雷击时快速将电源断开，保护设备。优点：工程简单。缺点：雷击时间极短（以纳秒计算），有时还来不及完全断开，雷电脉冲电流已经让电器设备遭到重创，同时当今人们的生活和工作，也不允许电器设备随意断电；因此缺点非常明显，并不能够较好防雷，效果也就可想而知。因此会被逐步放去选用。
第二、接地式避雷器是利用地泄法，原理：把雷击电流直接引入大地，避免电器受到雷击，但是需要有完善的埋地线工程。优点：可以把雷电完全泄放掉。缺点：会给高层楼宇的住户、或高山、黄土等放电不理想地方的安装带来极大施工不便，这种环境下释放雷电效果也不理想，且年久必将被腐蚀。没有谁会去经常检查地线是否被腐蚀，有时环境也不允，要做到国家标准（阻值≤4欧姆），完全合格的费用几乎都是避雷器本身造价的数倍，甚至几十倍。地线如果做得不好，就无法起到避雷效果，雷电将直接把设备打坏。如果有一种能够同时解决以上的弊端就是非常理想的了。
第三、等电位避雷器
雷圣HL-20K避雷系列是我公司根据高压输变电检修工人穿上用导电性能良好的特殊工作服，能在数万伏 避雷器高压上带电作业而不被电击，这一等电位原理而研制和生产的一种新型等电位避雷器。
1、等电位避雷器的主要优点：
a、避雷效果与接地无关，避雷器由于采用“等电位”处理技术，它的避雷效果与设备有否接地无关，从而免去安装传统的避雷器必须接地的麻烦。因此安装简单，使用方便。
b、延长电器高设备的使用寿命
接地虽然电器没有遭受雷击损坏，但雷电脉冲长期冲击电器，致使各元器件电性能会受到一定破坏，影响电视机，电脑等设备的使用寿命。安装等电位避雷器后，对电器设备保护尽忠职守，万无一失。
c、体形虽小，但保护设备本事很大
电器都是因巨大的雷击电流作用下设备或元器件发热而损坏。发热的能量与电阻、电流和作用的时间成正比。雷击时电流虽然很大，但避雷内阻很少作用时间很（8~20微秒），发热量也很少，所以它既能保护设备，它自身也不会被损坏。再说，避雷器因为是电流型的，它能承受很高的雷击电压，只要不超过避雷器所承受的最大电流，即使雷击电压几万伏甚至更高都不怕。
d、电源。信号通道同时避雷，一举两得，免维护，既阻燃又防爆。
e、具有自动诊断和修改和修复内部故障功能。
f、安全警示功能：当防雷器完全损坏后，不输出任何电流，以此警告不能继续使用，这种警示功能是其他防雷器所不具备的
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