移動通信基站的防雷（léi）接地係統的設計
□翟玉傑 冷柏（bǎi）昆 李文保

 

眾所（suǒ）周知，雷電具有很強的破壞（huài）性，主要有直擊雷、雷電感應（yīng）、雷電波侵入和地電壓反擊四（sì）種形式。由於（yú）移動通信基站的天線設備不僅安裝在建築物頂上，而且還有相當一部分安（ān）裝在（zài）鐵塔上，相（xiàng）對周圍環境而（ér）言（yán），形成十分突出的目標，從而導（dǎo）致雷擊概率（lǜ）增多，移動基站常常遭受雷害，導致通信設備損壞、通信中斷。盡管我們采取了各種各（gè）樣的防雷措施，耗（hào）費了大量人力財力，每年雷害造（zào）成的損失仍然很大。怎樣才能有效地預防雷害，確保（bǎo）移（yí）動通（tōng）信基（jī）站設備和工作人員（yuán）的安全（quán）呢？幾年（nián）來（lái）的維護經驗告訴我們：必須根據每個基站的實際情況設計移動通信基（jī）站的防雷接地係統，實施基站針（zhēn）對性防（fáng）雷。

    一、找出移動基站雷害的隱（yǐn）患
    移動基站（zhàn）防雷是一個（gè）複雜的係統工程，過去我們按照經典的防雷理論，為了提高基站防雷係統的泄流能力，選用了80kA甚至100kA的大型防雷器（qì），但是防雷效果卻不（bú）令人滿意，而且防雷器都是檢測合格的入網產品。經查，是工程師沒有按照基站的實際情況設計防雷係統。我們調查統計了全省近兩年來的雷擊事故，得出一條（tiáo）重要數據：基站內設備被直擊雷和（hé）雷電感應破（pò）壞的概率為零。這是因為（wéi）基站設（shè）備（bèi）（包括基站（zhàn）室外電（diàn）力（lì）變壓器）的位置普遍較低，完全處（chù）於建築防雷設施、鐵塔以及架空線路避雷係統的保護之下，雷電流隻能沿鐵（tiě）塔避雷係統、架空線路（lù）避雷係統和建築防雷等外圍的避雷係統泄放，所以基站設備很難遭到直擊雷損害。另外基站內的設備外殼、天饋線、走（zǒu）線架等金（jīn）屬物全部安裝了接地保護，再加上與室外的雷擊點和避雷器接地引線有足夠的距離（lí），所以雷電感應也很難發揮作用。幾年來雷（léi）擊事故的主要現象為：基站B級防雷器保護（hù）空開動作，部分單相交流（liú）設備和直流設備損壞。我們從中不難看出地電壓反擊和雷電波侵入是造成（chéng）基站設備損壞的主（zhǔ）要原因，所以基站（zhàn）防雷係統應以防止地電壓反擊（jī）和雷（léi）電波侵入為主要（yào）目標。

    二、防止（zhǐ）地電（diàn）壓反擊
    地電壓反擊是當雷電（diàn）流沿基站附近的（de）避雷器對地泄放時，由於接地電阻的存在引起基站的地電位升（shēng）高，基站直（zhí）流負荷如BTS電源、開關電源的監控單元、基站的動力（lì）環（huán）境監控器等設備相對遠端地一般都存在寄生電容，這些設備一端（duān）與工作接地相連，無流的遠（yuǎn）端地與（yǔ）基站的工作接（jiē）地間存在電位差，因而產生差模脈衝電（diàn）壓，當超過設備的容許限度時必然造成設備的損壞。基站的（de）單（dān）相交流負荷如基站空調、照（zhào）明等設備的零（líng）線接在變壓器的交流地（dì）上，當雷（léi）電流沿基站附近（jìn）的（de）避雷器對地泄（xiè）放時，變壓器的交流地和（hé）交流重複（fù）接地的電位（wèi）也會升高，因此基站的單相交流設備也同樣存在地電壓反擊的（de）問題。
    如圖1所示，我們把基站設備與接地有關的電（diàn）路簡單等效為線路電阻、線路寄生電感（可忽略不計）、線路負載（如傳感器、BTS、空調、燈具等）終端對遠端（duān）地的寄生（shēng）電容組成的串聯回路。假設基站的衝（chōng）擊接地電阻r為（wéi）2Ω，防（fáng）雷（léi）器對地的泄放電流為2kA，這時基（jī）站的接地排的瞬間電壓為U=I×r=4kV，負載兩端的（de）瞬間浪湧電壓可達4kV，如不（bú）采取措施，必然造成設備損壞。

    三、因地製宜消（xiāo）減反擊電（diàn）壓
    如何（hé）避免地電（diàn）壓反擊造成的損（sǔn）失？我們一般很自然會想到使用交流過壓保護器和直流浪湧抑製器，即在交流變壓（yā）器的低壓側、基站交流配電箱的地（dì）零間加裝交（jiāo）流過壓保護（hù）器；在直流負載的電源（yuán）輸入端加裝浪湧抑製器。所有交（jiāo）流過壓保護器和（hé）直流浪湧抑製器必須（xū）靠近被保護的設（shè）備安裝，避免被保護（hù）設備由於接地或電源引線過長引起脈衝反射（shè）。另（lìng）外（wài）一個非常重要的問題就是將基站的工作接地與室（shì）外避雷器接地在基站地網上的（de）引接點分（fèn）開焊接，這樣可以大（dà）大降低基站工（gōng）作接地母（mǔ）排的電壓浪湧幅值。我們知道，雷（léi）電電流沿地（dì）網泄放時，在避（bì）雷器引下線與地網連接點附近（jìn）土壤內形成一個強電位場，距離越（yuè）近電壓越高，將基站工作（zuò）接地（dì）與室（shì）外避雷器接地分開，可以（yǐ）大大降低基站的反（fǎn）擊電壓。所以（yǐ）YD5068-98《移動通信基站防雷（léi）與設計規範》明確指（zhǐ）出：基站工作地與（yǔ）防雷地在基站（zhàn）聯合接地網上的引接點距離不應小於5m，條件允許時宜間距10m～15m。實（shí）際上除電力線路外，基站的鐵塔遭雷擊次數最多，與鐵（tiě）塔共用接地（dì）網的基站經常受到地電（diàn）壓反擊的損害，如果鐵塔（tǎ）地網邊緣距（jù）離基站大於5m，應在基站附近另（lìng）建（jiàn）環形（xíng）工作接地網；條件差的基站可（kě）以沿鐵塔地網與基站工作接地的引接線，補設接地樁；隻能利用鐵塔地網的基站也應把鐵（tiě）塔避雷接地的引接點與工作接地的引接點分別安裝在對角（jiǎo）塔（tǎ）基上。對於山頂基站尤其應注意（yì）將基站的工作接地（dì）與鐵塔（tǎ）避雷接地及基站室（shì）外接地分開，因為山頂基站的接地電阻較大，接地引線較長（zhǎng），雷電（diàn）流泄放相對緩慢，所以地電壓反擊比較嚴重。
    降（jiàng）低（dī）接地電阻也有利於防止反擊事故。接地電阻（zǔ）較大的山（shān）上基（jī）站，可利用塔基鋼筋、蓄水（shuǐ）池、無爆（bào）炸電擊危（wēi）險的金屬管路等自然（rán）接地體降低接地電阻（zǔ），埋設地樁有（yǒu）困難的山上基站也可從塔基沿山體的（de）自然溝壑（最好選擇陰暗潮（cháo）濕的地方），製作橫向輻射接地（dì）網，輻射接地網（wǎng）長度應小於30m，塔基四周輻射的橫向接地網（wǎng）越多越有利於雷電散流。

    四、適當選用電源線路保護空開防止雷電（diàn）波侵入
    避雷器的響應特性有軟硬之分：氣體放電管和火（huǒ）花間隙防雷器是（shì）基於斬弧技術的角形火花隙和同軸放電火花隙（xì），當線路電壓超過防雷器的擊穿電（diàn）壓後，防雷器的絕緣電阻立刻急劇下降，放電能力較強（qiáng），殘壓相對較高（gāo），恢複電（diàn）壓低於原來（lái）的擊（jī）穿電壓，屬於（yú）硬響應特性；屬於軟響應特性的是壓敏電阻和浪湧抑製二極管，其特（tè）點是響應時（shí）間短，放電電（diàn）流小，殘壓（yā）低而且恢複電壓基本不（bú）變。避雷器的直流（liú）1mA 參考電壓是我們選擇避雷器的絕緣要求，硬響應的防（fáng）雷器的工頻後續電流和防雷器絕緣劣化可能造成線路（lù）短路，所以防雷器前麵應（yīng）該配置（zhì）過流（liú）保護空氣開關或熔絲，其額定電流應小於防雷器的最大短路允許強度。如果主電路保護（hù）空開大於防雷器的最大（dà）保險（xiǎn）絲強度，應設（shè）避雷器分路保護空開。
    雷電波的（de）脈衝寬度為納秒級，所以一般防雷（léi）器均以響應時間達到納秒為標準，有人就把基（jī）站的防雷係統按照納秒（miǎo）級防雷時間進行設計，比如在C級防雷器上加裝（zhuāng）了很小的保（bǎo）護空（kōng）開（kāi）如20A或32A，認為這樣既防雷又安全。實際上，在所有基（jī）站設備發生過壓損壞的雷擊事故中，由於防雷器保護空開的斷路作用，防（fáng）雷（léi）器並沒有完全起到泄放雷電、限（xiàn）製電壓的作用。這種事例從反麵證實了應該選用較小設備的保護空開，並且使防雷器緊靠被保護設備安裝，使被保護設備與防雷器具有相同的安全級別。
    納秒級的雷電波在對地泄放中產生的地電壓反（fǎn）擊和雷電波侵入作用時（shí）間可能被延長至毫秒級甚至更長，我們在選用防雷器和設備的（de）保護空開時，應根據防雷（léi）器的最大允許熔絲電流和（hé）線（xiàn）路的進（jìn）線容許短路電流以（yǐ）及設備的負荷電流綜合考慮，一般應按如下標準選擇：
    設（shè）備的總保護（hù）空（kōng）開額定電流 > 設備的負荷電流；
    設備的總保護空開額定電流 ≤ 防雷器的最大允許熔絲電流；
    設（shè）備的總保護空開額定電流（liú） << 電路進（jìn）線的容許短路（lù）電流。

    五、實現分級防雷
    防雷器的殘壓是（shì）保護基站設備的重要參（cān）數，一般來講（jiǎng），泄流能力強的防雷器，響應時間長，殘（cán）壓高。世界上沒有任（rèn）何一種防雷器能滿足所有混合雷電衝擊波、殘壓以及響應時間指標的要求，所以應根據表1中基（jī）站電源設備的絕緣（yuán）等級劃分防雷層次（cì），實現多級防（fáng）護，對雷電能量逐級減（jiǎn）弱，使各（gè）級（jí）防（fáng）雷（léi）器殘壓相互配合，最終使過電壓值限製在（zài）設備絕緣強度之內。我們認為應該結合YD5078-98《通信（xìn）工程電源係統防雷技術規定》和基（jī）站的（de）實際情況，從交流（liú）電力網高壓線路開始，根據基站主要電源配套設備的耐雷電衝擊指標和防雷器殘壓要（yào）求（qiú），采取（qǔ）分級協調的防護措施，進行基站的防雷係統設計。具（jù）體基站主要配套設備的耐雷電（diàn）衝擊指（zhǐ）標和防雷器殘壓要求如表1所示。
    實現各級防雷器的能量分配與（yǔ）電壓配合的要點在於利用兩級防雷器之間線纜本身的感抗。電纜本身的感抗有一定的阻礙電流及分（fèn）壓的作用（yòng），使（shǐ）雷電流更多地被分配到前級泄放。當保護地線與其它線纜緊貼敷設或處於同一條電纜之內時，要求兩級防雷器（qì）之間線（xiàn）纜長度在15m左右，當防雷器接地（dì）線與被保護電纜（lǎn）有一定距離（>1m）時，要求線纜長度大於5m即可。在一些（xiē）不適合采用線纜本身作退耦措施的（de），如兩級（jí）防雷器靠近或線纜長度較短時，可利用專（zhuān）門的退耦器件，此處沒有距離方麵的要求。
    當電力變壓器設在站內時，在變壓（yā）器高壓（yā）側和低壓側的三（sān）相（xiàng）線（xiàn）應分別對地加裝無間（jiān）隙氧化鋅避雷器，作為供電線路的A級和B級過電壓（yā）保護；當220V/380V低壓供電線路直接進入基（jī）站時，應首先進入一樓進行B級過電（diàn）壓（yā）保護，在一樓設（shè）置B級過電壓保護有（yǒu）困（kùn）難時，應在機房（fáng）所在（zài）樓（lóu）層配電箱處設（shè）置B級（jí）過電壓保護，此時須保（bǎo）證B級與C級電源避雷器之間的供電線路有（yǒu）15m以（yǐ）上的（de）距離（lí），以（yǐ）確保（bǎo）B級避雷器的正常響應。如果（guǒ）距離太近，勢必造成C級防（fáng）雷器響應超前於B級（jí）防雷器，B級防雷器（qì）沒動作，C級防雷器可能被燒毀。基站的交流穩壓器應該（gāi）安裝在B級防雷器的（de）後麵，C級防雷（léi）器的前麵。
    市電進入基站機房後，應（yīng）在機房內配電箱的輸出端（duān）加裝相應的C級電源避雷器，C級電（diàn）源避雷器技術參數如下：
    雷電通（tōng）流量≥2kA；響應時間≤25ns；殘壓峰值≤1.3kV（標稱（chēng）放電電流為1.5kA等級）。
    為了進一步防止雷電過電壓的危害及當（dāng）供電線路發生故障時（shí）造成的危害過電壓，需在開關電源等交流（liú）負荷電源進線端（duān）的空開（kāi）後加裝D級防雷器，在直流配電屏的輸出端（duān）上安裝浪湧吸收裝置（直流避雷器），作為電源線路（lù）的E級過電壓保護，並在直流負荷（hé）設（shè）備的電源（yuán）入口處安裝浪（làng）湧吸收裝置。對於雷害嚴重（chóng）的地區或有雷害史（shǐ）的移動通信基站可考慮（lǜ）多加裝一級交流電（diàn）源避雷器（qì），確保供電（diàn）線路的防雷安全。交流配電（diàn）箱、開關電（diàn）源等所有負荷設備的（de）內（nèi）部防雷器接地端子應（yīng）與機殼就近連接。如果負荷設備（bèi）的內部防雷器與上一級避雷器之間的（de）距離太近，無法達到15m，則負（fù）荷設備的內（nèi）部防雷器則可采用串聯型避雷器，即去耦合電感（gǎn）。
    六、"3+1"防雷（léi）器更適合於基站電源係統
    防雷器連接形式與基站低壓（yā）供電係（xì）統保護相符（fú）合，也是（shì）基站防雷不容忽視的問題。目（mù）前基站的交流（liú）電源無論是自建（jiàn）變壓器還是轉供電都屬於TT係統，過去我們通常使用4×1防雷器，即四隻相同的防雷器（qì）分別接在相線和中性線上，盡管防雷器具有較強的放電能力，但是超載並不能完全排除，其後果是產生L-PE間的漏（lòu）電流，另外設備或線路（lù）的絕緣故障也同樣產生L-PE間的漏電流。由於（yú）TT係統的接地電阻較大，漏電流不能很快使線路保險熔絲或空開斷開，共用基站接（jiē）地排的設備外殼可能帶電，危及人身和設備安（ān）全。排除這個隱（yǐn）患的最佳（jiā）辦法就是（shì）使用"3+1"方案。
    使用該方案應首先給相線（xiàn）和中性線分別（bié）接入三個與前麵相同的防（fáng）雷器，在地和中性線防雷器之間接入一個總和電流防雷器。當（dāng）相-零間防雷器出現漏電（diàn）時，漏電流通過中性線回到變壓器，由於中性線電阻較小，所以（yǐ）經（jīng）過一個短暫的時間防雷（léi）器的熱敏開關斷開這個漏電流。另外當出現地電壓反擊時，地和中性線防雷器之間的防雷（léi）器動作很快，可以更有效地保護單相電源（yuán）設備。
    眾所周（zhōu）知（zhī）：U=L·di/dt，線（xiàn）路寄生的電感量與（yǔ）線路長度成正比，與（yǔ）線路的彎曲正（zhèng）相關，隻有降低線路的（de）寄（jì）生（shēng）電感，才能降低雷電流泄放路徑中（zhōng）產（chǎn）生的電（diàn）壓，因此基站的B級防雷器應盡量安裝在距室內地排最近（jìn）的（de）地方（fāng）。相線、零線與防雷器的連接盡量采用凱文接法，即被保護設備的電源應單獨從避雷器（qì）的端子上（shàng）引出，使防雷器端子至被保護設（shè）備電源引線的連接點的距離縮短至（zhì）零（líng）。防雷器的接地線應短、直，盡量不與其他線路靠近或平行敷設。
    基站防雷係統工程是保（bǎo）證通信網絡暢（chàng）通、人員和設備安全的（de）重要環節，涉及基站鐵（tiě）塔、天饋線、土建、供電、設備安裝以及周圍（wéi）建築等許多方麵（miàn），需要我們樹立長遠的戰略目（mù）標，不斷總結經（jīng）驗，從實際情況入手，不斷提高防雷技術水平（píng）和基站的防雷能力。