移動通信基（jī）站的防雷接地（dì）係統的設計
□翟玉傑 冷柏昆 李文保

 

眾所周知（zhī），雷電具有很強（qiáng）的破（pò）壞性，主（zhǔ）要（yào）有直擊雷、雷電感應、雷電波（bō）侵（qīn）入（rù）和地電壓反擊四種形式。由於移動通信基站的天線設備不僅安裝在建築物頂上（shàng），而且還有相當一部分安裝在鐵塔上，相對周圍環境而言（yán），形成十分突出的目標（biāo），從而導致（zhì）雷擊概率增多，移動基站常常遭受雷害，導致通信設備損壞、通信（xìn）中斷。盡管我們采取了各種各樣的防雷（léi）措施，耗費了大量人力（lì）財力，每年雷害造成的損失仍然很大。怎樣才能有效地預防雷害，確保移動通信基站設備和（hé）工作人（rén）員的安全呢？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（xìn）基站的防雷接（jiē）地係統，實施基站針對（duì）性防雷。

    一、找出移動基站雷害的隱患
    移動基站防雷是（shì）一（yī）個複雜的（de）係統工程，過去我們按照（zhào）經典的防雷理論，為了提高基站防雷係（xì）統的（de）泄流能力，選用了80kA甚至100kA的（de）大型（xíng）防雷器，但是防雷效果卻不（bú）令人（rén）滿意，而（ér）且防雷器都是檢測合格的入網產品。經查，是工程師（shī）沒有按照基站的實際情況設計防雷係（xì）統。我們調查統計了全省近兩年來（lái）的雷擊事故，得出一條重要數據：基站內設備被（bèi）直擊雷和雷電感應破壞的（de）概率（lǜ）為零。這是因為基站設備（包括基站（zhàn）室外電力變（biàn）壓器）的位置普遍較低，完全處於建築防雷設施、鐵塔以及（jí）架空線路避雷係統的保護之下，雷電流隻能沿鐵塔避雷係統、架空線路避雷係統和建築防雷等外（wài）圍的避雷係統泄放，所以基站設備很難遭到直擊（jī）雷損害。另外基站內的（de）設備（bèi）外殼（ké）、天饋線、走（zǒu）線架等金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，所以雷電感應也很難發揮作用。幾年來雷擊事故的主要現象為：基站B級防雷器保護空開動作，部分單相交流設備和直流設備損壞。我們從中不（bú）難看出地電壓反擊和雷電波侵入是造成基站設備損壞的（de）主要原因，所（suǒ）以基站防雷係統應以防（fáng）止地（dì）電壓（yā）反擊和雷電波侵入為主要目標。

    二、防止地電壓反擊
    地（dì）電壓反擊是當雷電（diàn）流沿基（jī）站附近的（de）避雷器（qì）對地泄放（fàng）時，由於接（jiē）地電阻的存（cún）在引起基站的地電位升高，基站直流負荷如BTS電源、開關電源的監控單元、基站的動（dòng）力環（huán）境監控器等設備（bèi）相對遠端地一般都（dōu）存在寄生電容，這些設備一端與工作接地相連，無流的遠端地與基站的工作接地間存在（zài）電位差，因（yīn）而產生差模脈衝電壓，當超（chāo）過設備的容許限度時必（bì）然造成設備的損壞。基站的單相交流負荷如（rú）基站空調、照明（míng）等設備（bèi）的零線接在變壓器的交流（liú）地上，當雷電流沿基站（zhàn）附近的避雷器對地泄放時（shí），變壓器的交流地和交流重複（fù）接地的電（diàn）位也會升高（gāo），因此（cǐ）基站的單相交流設備也（yě）同樣存在地電壓反擊的問題。
    如圖1所示，我們把基站設備與接地有關的電路簡單（dān）等效為線路電阻、線路寄生電感（可（kě）忽（hū）略不計（jì））、線路（lù）負（fù）載（如傳感器、BTS、空調、燈具等）終端對遠端地的寄生電容組成的串聯（lián）回路。假設基站的衝擊（jī）接地電阻r為2Ω，防雷器對地的（de）泄放電流為2kA，這時基站的接地排的瞬間電壓為U=I×r=4kV，負載兩端（duān）的瞬間浪湧電壓可達4kV，如不采取措施，必然造成設備損壞。

    三、因地製宜消減反擊電壓
    如何避免地電壓反擊造成的損失？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（zài）交流變壓器的（de）低壓側、基站交流配電箱（xiāng）的地零間加（jiā）裝交（jiāo）流過壓保護器；在直流負載的（de）電源輸入端加裝浪湧抑製器。所有交流過壓（yā）保護器和直流浪湧（yǒng）抑製器必須（xū）靠近被保護的設備安裝（zhuāng），避免被保護設備（bèi）由於接地（dì）或電源引線過長引起脈衝反射。另外一個非常重要的問題就是將基站的工作接地與室外避雷器接地在基站地網上（shàng）的引接點分開焊接，這樣（yàng）可（kě）以大（dà）大降低基站工作（zuò）接地母排的電壓浪湧幅值。我們知道，雷電電流沿地網泄放時，在避雷器引下線與地網連接點附（fù）近土壤內形（xíng）成一個強電位場，距離越（yuè）近電壓（yā）越高，將基站工作接地與室外避雷器接地分開，可以大大降低基站（zhàn）的反擊電（diàn）壓。所以YD5068-98《移動通信基站防雷與設計（jì）規範》明確指出：基站工作地與防雷地在（zài）基站聯合接地網上的引接點距離不應（yīng）小於5m，條件（jiàn）允許時宜間距10m～15m。實際上除（chú）電力線路外，基站的鐵塔遭雷擊次數最多，與（yǔ）鐵塔共用接地（dì）網的基站經常（cháng）受到地電壓反擊的損害，如果鐵塔地（dì）網邊緣距離（lí）基站大於5m，應在基（jī）站附近另建環形工作接地網；條件差的基站可以沿鐵塔地網與基站（zhàn）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塔避雷接地的（de）引接點與工（gōng）作（zuò）接地的引接點分（fèn）別安裝在對角塔基上。對於（yú）山頂基站尤其應注意將（jiāng）基站的工作接地與鐵塔避雷接地及基（jī）站室外接地分開，因為山頂基站的接（jiē）地電阻較大，接地引（yǐn）線較長，雷（léi）電流（liú）泄放（fàng）相對緩慢，所以地電壓反擊比較嚴重。
    降（jiàng）低接地電阻也（yě）有（yǒu）利於防止反擊事故。接地電阻較（jiào）大的山上基站，可利（lì）用塔基鋼筋、蓄水池、無爆炸電擊危險的金屬管路等自然接地體降低接（jiē）地電阻，埋設地樁有困難的山上基站也可從塔基沿山體的自然溝壑（最好選擇陰暗潮濕（shī）的（de）地方），製（zhì）作橫向輻射接地網，輻射接地（dì）網長度（dù）應小於30m，塔基四周輻射的橫向接地網越多越（yuè）有利（lì）於雷電散流。

    四、適當選用電源線路保護空開防止雷電波侵入
    避雷器的響應特性有軟硬之分：氣（qì）體放電管和（hé）火花間隙防雷器是基於斬弧（hú）技（jì）術的角形火花隙和同軸放電火花隙，當線路電壓超過防雷器（qì）的擊穿電壓後，防（fáng）雷器的絕緣電阻立刻急劇下降，放電能力較強，殘壓相對較高，恢（huī）複電壓低於原來的擊穿電壓，屬（shǔ）於硬響（xiǎng）應特（tè）性；屬於軟響應特性的是壓敏電阻和浪湧抑製二極管，其特點是響應時間短，放電（diàn）電流小，殘壓（yā）低而且恢複電壓（yā）基本不變。避雷器的直流1mA 參考電壓是我們（men）選擇避雷器的絕緣要求，硬響應（yīng）的防雷器的工頻後續電流和防雷（léi）器絕緣劣化（huà）可能造成線路短路，所以防雷器前（qián）麵應該配置（zhì）過流保護空氣開關（guān）或熔絲，其額定電流應小於防雷器的最大（dà）短路允許強度。如果主電路保（bǎo）護（hù）空開（kāi）大於防雷器的最（zuì）大保（bǎo）險絲強度，應設避雷器分路保護空（kōng）開。
    雷電波的脈衝寬度為納秒級，所以一般防雷器（qì）均以響應時間達到納秒（miǎo）為標準，有人就把基站的防雷係統按照納秒級防雷時間（jiān）進行設計，比如在C級防雷器上加裝了很小的保護（hù）空開如20A或32A，認為這樣既防雷（léi）又安（ān）全。實際上（shàng），在所有基站設備發生過壓損壞的雷擊事（shì）故中，由於防雷（léi）器保護空開的斷路作用，防雷器並沒有完全起到泄放雷電、限製電壓的作用。這種事（shì）例從反麵證實了應該選用較小設備的保護（hù）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（fàng）中產生的（de）地電壓（yā）反擊和雷電波侵入作用時間（jiān）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保護空開（kāi）時，應根據防（fáng）雷器的最大允許熔（róng）絲電流（liú）和線路的進線容（róng）許短路（lù）電流以及設備的負荷電流綜合考慮，一般應按如下標準（zhǔn）選擇：
    設備的總保（bǎo）護空開額定電流 > 設備（bèi）的負荷（hé）電（diàn）流；
    設備的總保護空開（kāi）額定電流 ≤ 防雷（léi）器的最大（dà）允許熔絲電流；
    設備的總（zǒng）保護空開額定電流 << 電（diàn）路進線的容（róng）許短路電流。

    五（wǔ）、實（shí）現分級防雷
    防雷器的殘壓是保（bǎo）護基站設（shè）備的重要參數，一（yī）般來講，泄流能力強的防雷器，響應時間長，殘壓高。世（shì）界上沒有任何一（yī）種（zhǒng）防雷器能滿足（zú）所有混（hún）合（hé）雷電（diàn）衝擊波、殘壓以及響應時間指標的要求，所以應根（gēn）據表1中基站電源設備的絕緣等級（jí）劃分防雷（léi）層次，實（shí）現多級防護，對雷電能量逐級減弱，使各級（jí）防雷器殘壓相互配合，最終使過電壓值限製在設備絕緣強度之內。我們認為應該結合（hé）YD5078-98《通信工程電源係統防（fáng）雷（léi）技術規定》和基站的實際情況，從交流電力網高壓線路（lù）開始，根據基（jī）站主要電（diàn）源（yuán）配套設備的耐雷電（diàn）衝擊（jī）指標和防雷器（qì）殘壓要求，采取分級協調的（de）防護措施，進行基站的防雷係統設計。具體基站主（zhǔ）要配套設備的耐雷電衝擊指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電壓配合的要點在於利（lì）用兩級防雷器之間線纜本身的感抗。電纜（lǎn）本身的感抗有一（yī）定的阻礙電流及（jí）分（fèn）壓的（de）作用，使雷電流更多地被（bèi）分配到前級泄放。當保護地線與其它（tā）線纜緊貼敷設或處於同一條電纜之內時，要求兩級防雷器之（zhī）間線纜長度在（zài）15m左右，當防雷器接地（dì）線與被保護電纜有一定距離（>1m）時，要求線纜長度大於5m即可。在（zài）一些（xiē）不適合采用線纜本身作（zuò）退耦措施的，如兩級防（fáng）雷器靠近或線纜長度較短時，可利用（yòng）專門的退耦器件，此處沒有距離方麵的要求。
    當電力（lì）變壓器設在站內時，在變壓器高（gāo）壓側和低壓側（cè）的三（sān）相線應分別對地加裝無間隙氧化鋅避雷器，作為（wéi）供電線路的A級和（hé）B級過（guò）電壓保護；當220V/380V低壓（yā）供電線路直接進入基站時，應首先進（jìn）入一（yī）樓進（jìn）行（háng）B級過電壓保護，在一樓設置B級過電壓（yā）保護有困難時，應在（zài）機房所在樓層配電箱處設置B級過電壓保護，此時（shí）須保證B級與C級電源避雷器之間（jiān）的供電線路有15m以上的距離，以確保B級避雷器的正常響應。如果距離太近，勢必造成C級防雷器響應超前於B級防雷器，B級防（fáng）雷器沒（méi）動作，C級防雷器可能被燒毀。基（jī）站的交流穩壓器應該安裝在（zài）B級防雷器的後麵，C級防雷器的前麵。
    市電進入基站機（jī）房後（hòu），應在機房內配電箱的輸出端加裝相（xiàng）應的C級電源避雷（léi）器，C級電源避雷器技術參數如下：
    雷電通流量≥2kA；響應時間≤25ns；殘壓峰值≤1.3kV（標稱放電電（diàn）流為1.5kA等級）。
    為了進一步防止雷電過電壓的危害及當供電線路發生故（gù）障時造成的危害過電壓，需在開關電源等交流負荷電源進線端的空開後加裝D級防雷器，在直流配電屏的輸出端上安裝浪（làng）湧吸收裝置（直流避雷器），作為電（diàn）源線路的E級過電壓保護（hù），並（bìng）在直流負荷設備的電源入（rù）口處安裝（zhuāng）浪湧吸收裝置。對於雷害嚴重的地區或有（yǒu）雷害史的移動（dòng）通（tōng）信基站可考慮（lǜ）多加裝一級交（jiāo）流電源避（bì）雷器，確保供電線路的防雷安全（quán）。交（jiāo）流配電箱、開關電源等所有負荷設備的內（nèi）部防雷器接地端子應與（yǔ）機（jī）殼就近連接。如果負荷（hé）設備的內部防雷器與上一級避雷器之間的距離太近，無法達到15m，則負荷設備的內（nèi）部防雷（léi）器（qì）則可采用串聯型避雷器，即去耦合電（diàn）感。
    六、"3+1"防（fáng）雷器更適合於基站電源（yuán）係統
    防雷（léi）器連接形式與基站低（dī）壓供電係統保護相符合，也是基站防雷不容忽視的問題。目前基站的交流電源無（wú）論是自建變壓器還是轉供電（diàn）都屬於TT係統，過去我們通常使（shǐ）用4×1防（fáng）雷器，即四隻相同的防雷器分別接在（zài）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（hòu）果是產生L-PE間的漏（lòu）電流，另外設備或線路的絕緣（yuán）故（gù）障也同樣產生L-PE間的漏電流。由於TT係統的接地電阻較大，漏電流不能很（hěn）快使線路保（bǎo）險熔絲或（huò）空開斷開，共用基站接地排的設備外殼可能帶電，危及人（rén）身和設備安全。排除這個隱患的最佳辦法就是使用"3+1"方案。
    使用該方案應首先給（gěi）相線（xiàn）和中性線分別接入三個與前麵相同的（de）防雷器，在地和中性線防雷器之間接入一（yī）個總和電流防雷器。當相-零間防雷器出現漏電時，漏電流（liú）通過中（zhōng）性線回到變（biàn）壓器，由於中性線電阻較小，所以經過一個短暫的時間防雷器的熱敏開關斷開這個漏電流（liú）。另外當（dāng）出現地電壓反擊時，地和中性線防雷器之間的防雷器動作很快，可以更有（yǒu）效地（dì）保（bǎo）護（hù）單相電源（yuán）設備。
    眾所周知：U=L·di/dt，線路（lù）寄生的電感量與線路（lù）長度成正比，與線（xiàn）路的彎曲（qǔ）正相關，隻有降低線路的寄生電感，才能降低雷（léi）電流泄放路徑中產生的電壓，因此基站（zhàn）的（de）B級防雷器（qì）應盡量安裝在距室內地排最近的地（dì）方。相線、零線與防雷器的連接盡量采（cǎi）用凱文（wén）接法，即被保護（hù）設備的電源應單獨（dú）從避（bì）雷（léi）器的端子上引出，使防雷器端子至被保護設備電源引線的連接點的距離縮短至零。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證通信網絡暢通、人員和設備（bèi）安全的重要環節，涉及（jí）基站鐵塔、天饋線、土建、供電、設備（bèi）安裝以及周圍建築等許多方麵，需要我們樹立長遠的戰略目標，不斷總結經（jīng）驗，從實際情況入（rù）手，不斷提高防雷技術水平和基站的防（fáng）雷能力。