分布式基站防雷与接地研究

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1、分布式基站防雷与接地研究刘吉克1.前言随 着 国 内 3G 基 站 建 设 的 广 泛 铺 开 ， 分 布 式 基 站 得 到 了 越 来 越 多 的 应 用 。相 比 较 以 前 的 宏 基 站 ， 分 布 式 基 站 在 结 构 、 供 电 方 式 等 方 面 都 有 了 根 本 性 的 变化 ， 如 果 将 应 用 于 宏 基 站 的 防 雷 接 地 技 术 直 接 应 用 到 分 布 式 基 站 则 存 在 一 定 的问 题 ， 会 给 分 布 式 基 站 的 防 雷 安 全 带 来 很 大 的 安 全 隐 患 。目 前 国 内 已 发 布 的 正 式 标 准 没 有 针 对 分 布

2、式 基 站 防 雷 与 接 地 方 面 的 内 容 ，TD-SCDMA 的 暂 行 标 准 也 只 有 针 对 防 雷 器 的 简 单 要 求 。 ITU 和 IEC 也 没 有 这 方面 的 建 议 。 因 此 ， 针 对 分 布 式 基 站 的 防 雷 研 究 是 一 个 全 新 的 课 题 。本 项 目 重 点 关 注 的 问 题 ：1） 分 布 式 基 站 根 据 环 境 以 及 应 用 要 求 变 化 分 为 很 多 类 型 ， 例 如 RRU 直 流拉 远 型 、 RRU 就 近 取 电 型 等 等 。 这 些 类 型 相 对 于 以 前 的 基 站 在 结 构 上 有 了 很 大

3、的 不 同 ， 随 之 而 来 ， 其 防 雷 与 接 地 要 求 相 对 于 普 通 2G 基 站 也 有 了 很 大 的 区 别 。建 设 中 的 分 布 式 基 站 大 部 分 是 以 共 站 的 形 式 出 现 ， 由 于 直 流 拉 远 等 方 式 实 际 上是 给 基 站 增 加 了 一 个 新 的 雷 电 引 入 渠 道 ， 因 此 如 何 在 原 有 基 站 防 雷 接 地 系 统 的基 础 上 做 好 分 布 式 系 统 的 防 雷 也 是 一 个 重 要 的 方 面 。2）分布式基站的天线为了调整其俯仰角和覆盖面，需在中心机房远端控制对天线进行调整，该技术的外引线缆，可能会

4、造成雷电对基站内设备的损坏，由于电调天线的信号线、电源线由天线处外引到基站发射机的 AISG 端口，因此其端口的雷电保护非常重要，实施保护的防雷器应该具有相应的通流容量及残压低等性能指标。国内电调天线有三种远程控制方式，对于此三类电调天线容易遭受雷电侵入出入基站的信号线的接地及对天线端及设备端的接口的保护问题需要进行专项研究。3）由天线到 RRU 之间采用馈线连接，那么 RRU 侧的馈线端口是否需要防雷保护？对此已在前文移动通信基站天馈线 SPD 必要性研究中详细论述。2.分布式基站设备的防雷2.1.分布式基站的演变与防雷为 了 缩 小 基 站 设 备 的 体 积 ， 减 轻 设 备 重 量

5、， 减 少 基 站 主 要 设 备 的 功 耗 ， 节约 机 房 占 地 面 积 ， 灵 活 扩 容 ， 降 低 造 价 ， 扩 大 基 站 的 使 用 及 覆 盖 范 围 ， 各 个 厂商 将 爱 立 信 小 微 波 射 频 和 中 频 基 带 设 备 分 布 的 模 式 应 用 到 基 站 通 信 系 统 ， 将 基带 设 备 与 射 频 设 备 分 开 设 置 ， 这 一 点 华 为 技 术 做 得 最 为 灵 活 及 突 出 ， 与 以 往 基站 相 比 ， 分 布 式 基 站 天 馈 线 数 目 明 显 减 少 。 图 1、 图 2、 图 3 反 映 了 通 信 基 站的 演 变 。

6、 图 1 第 一 代 分 布 式 基 站 设 备 及 天 馈 系 统 示 意 图图 2 第 二 代 分 布 式 基 站 设 备 及 天 馈 系 统 示 意 图图 3 第 三 代 分 布 式 基 站 设 备 及 天 馈 系 统 示 意 图随 着 技 术 的 演 变 ， 从 防 雷 的 角 度 ， 表 面 看 来 简 单 多 了 ， BBU 和 RRU 的 分开 设 置 ， 上 铁 塔 的 缆 线 减 少 了 ， 但 由 于 各 类 线 缆 上 塔 ， 又 引 入 了 新 的 防 雷 接 地问 题 ， 特 别 是 各 类 缆 线 的 拉 远 及 供 电 方 式 带 来 的 防 雷 问 题 ， 以

7、及 室 外 一 体 化UPS 供 电 、 室 外 一 体 化 直 流 供 电 设 备 的 防 雷 接 地 问 题 。 另 一 个 方 面 ， 上 塔 线 缆由 于 与 原 有 基 站 相 比 大 大 减 小 了 数 量 ， 因 此 雷 击 时 原 先 分 配 多 根 缆 线 上 的 雷 电流 ， 此 时 可 能 集 中 在 几 根 线 缆 上 ， 相 对 而 言 ， 对 于 3G 基 站 馈 线 系 统 承 受 的 雷电 流 增 加 了 ， 所 处 环 境 更 加 严 酷 了 。第 三 代 3G 基 站 设 备 及 天 馈 系 统 ， 由 于 用 光 缆 代 替 了 射 频 、 中 频 电 缆

8、 ， 控制 电 缆 ， 射 频 电 缆 仅 剩 下 RRU 到 天 线 的 几 米 线 ， 因 此 原 有 基 站 射 频 电 缆 的 雷电 保 护 问 题 解 决 了 ， 此 时 除 GPS 以 外 ， 仅 剩 下 了 电 源 线 拉 远 的 防 雷 保 护 问 题 。2.2.分布式基站的供电与防雷器的选择2.2.1 分布式基站的供电要求对 于 3G 分 布 式 基 站 主 要 分 为 直 流 -48V（ 或 24V） 供 电 和 交 流 220V 两 种 不 同的 供 电 方 式 ， 在 基 站 设 计 选 型 上 ， 根 据 基 站 建 设 的 具 体 情 况 ， 可 以 选 用 交 流

9、 或者 直 流 供 电 方 式 。 以 WCDMA 分 布 式 基 站 设 备 为 例 ， 华 为 、 中 兴 、 阿 尔 卡 特 朗讯 、 摩 托 罗 拉 设 备 的 BBU 都 是 只 支 持 -48V 的 供 电 方 式 ， 华 为 的 主 流 RRU 设 计仅 支 持 -48V 供 电 ， 中 兴 、 朗 讯 和 摩 托 罗 拉 的 RRU 均 支 持 交 流 220V 和 -48V 两种 供 电 方 式 （ 可 选 择 相 应 供 电 模 块 ） 。2.2.2 主要基站的负荷统计根 据 相 关 厂 家 提 供 的 相 关 资 料 ， 目 前 中 兴 、 华 为 、 阿 尔 卡 特 朗

10、 讯 、 摩 托 罗 拉 分布 式 基 站 设 备 功 耗 及 工 作 电 压 如 下 。华 为 设 备 ： BBU 功 耗 35W， RRU 功 耗 170W（ 工 作 电 压 范 围 -40V-60V） 。中 兴 设 备 ： BBU 功 耗 190W， RRU 功 耗 180W（ 工 作 电 压 范 围 -35V-60V） 。朗 讯 设 备 ： BBU 功 耗 293W， RRU 功 耗 230W（ 工 作 电 压 范 围 -40.5V-57V） 。摩 托 罗 拉 ： BBU 功 耗 100W ， RRU 功 耗 130W（ 工 作 电 压 范 围 -40V-60V） 。其 中 RRU 功

11、 耗 均 为 40W 发 射 功 率 的 典 型 耗 电 。2.2.3 雷电的分区与防雷器最大浪涌电流的选择对 于 基 站 暴 露 在 外 部 的 线 缆 ， IEC 雷 电 保 护 区 的 分 类 还 是 可 以 参 考 的 ,在铁 塔 上 和 房 屋 建 筑 上 布 设 的 各 类 缆 线 ， 在 避 雷 针 或 避 雷 带 的 保 护 下 ， 直 击 雷 是不 可 能 落 在 缆 线 上 的 ， 此 时 按 照 雷 电 保 护 区 的 分 类 属 于 LPZ0B ， 由 于 缆 线 采取 了 铠 装 电 缆 ， 在 铠 装 层 内 部 的 线 缆 及 两 端 设 备 按 照 雷 电 保

12、护 区 的 分 类 属 于LPZ1。虽 然 我 们 在 分 析 过 程 中 ， 采 用 了 IEC 雷 电 保 护 区 的 分 类 模 型 ， 线 缆 及 两 端设 备 从 保 护 区 LPZ0B LPZ 1过 渡 属 于 两 个 防 雷 区 的 交 接 处 ， 如 果 按 照 IEC 雷电 保 护 区 的 划 分 来 选 择 防 雷 器 ， 能 够 承 接 该 区 域 使 用 的 防 雷 器 ， 其 雷 电 流 推 荐的 是 10/350 S 的 雷 电 流 波 形 的 产 品 。 实 际 上 处 于 该 区 域 各 类 缆 线 雷 电 影 响的 理 论 计 算 ， 模 型 分 析 ， 各

13、个 国 家 在 数 以 百 万 计 的 基 站 的 雷 击 事 故 报 道 ， 以 及来 自 于 中 国 数 万 计 基 站 雷 击 事 故 的 统 计 ， 基 站 馈 线 是 无 需 使 用 能 够 承 接 直 击 雷10/350 S 雷 电 流 波 形 的 产 品 ， 馈 电 线 甚 至 也 无 需 采 用 8/20 S 最 大 电 流 大于 40kA 的 限 压 型 防 雷 器 。 但 由 于 电 源 拉 远 直 接 暴 露 在 LPZ0B的 特 殊 性 ， 而 且设 备 接 口 抗 雷 电 流 能 力 较 差 ， 此 时 拉 远 缆 线 两 端 必 须 采 用 串 联 多 级 防 雷

14、器 。室 内 型 串 联 防 雷 器 如 图 4 所 示 。图 4 室 内 型 串 联 防 雷 器室 外 型 串 联 防 雷 器 如 图 5 所 示 。 图 5 室 外 型 串 联 防 雷 器2.2.4 串联防雷器工作电流的要求为 了 防 止 直 流 （ 交 流 ） 馈 电 两 端 遭 受 雷 击 时 损 坏 设 备 ， 需 要 安 装 防 雷 器 ， 但 在一 条 馈 电 线 上 ， 仅 用 一 级 防 雷 器 ， 从 限 压 型 防 雷 器 雷 击 后 的 残 压 特 性 分 析 ， 将雷 电 浪 涌 降 到 设 备 允 许 的 电 压 下 几 乎 是 不 可 能 的 ， 因 此 必 须

15、安 装 两 级 防 雷 器 ，才 能 达 到 多 级 保 护 、 逐 级 限 压 的 目 的 。 由 于 两 级 防 雷 器 之 间 需 要 有 一 定 的 距 离要 求 ， 要 达 到 保 护 的 效 果 ， 必 须 采 用 串 联 多 级 防 雷 箱 ， 由 于 直 流 （ 交 流 ） 馈 电有 工 作 电 流 问 题 ， 因 此 在 采 用 串 联 多 级 防 雷 箱 时 ， 由 于 内 部 有 电 感 存 在 ， 所 以选 择 产 品 时 ， 最 大 工 作 电 流 要 求 需 要 非 常 明 确 ， 避 免 因 最 大 工 作 电 流 超 过 防 雷箱 的 允 许 电 流 值 发 生

16、 燃 烧 问 题 。2.3.分布式基站的供电方式与防雷分 布 式 基 站 设 备 就 是 其 基 带 （ BBU） 与 射 频 （ RRU） 单 元 分 开 ， 根 据 分 布 式 基站 设 备 的 特 点 ， 其 供 电 方 案 也 有 多 种 选 择 ， 可 以 分 为 以 下 几 种 供 电 方 案 ， 包 括 ：室 外 一 体 化 UPS 供 电 、 室 外 一 体 化 直 流 电 源 供 电 、 直 流 电 源 远 供 供 电 和 交 流电 源 远 供 供 电 四 种 供 电 方 案 。 下 面 我 们 就 对 这 四 种 供 电 方 式 的 防 雷 要 求 进 行 说明 。2.3.1 室外一体化 UPS 供电2.3.1.1 应用环境1） BBU 设 备 安 装 在 基 站 机 房 内 采 用 -48V 直 流 系 统 供 电 。2） RRU 设 备 支 持 交 流 220V 供 电 。3） RRU 安 装 在 室 外 天 面 ， 距 离