无线基站雷电防护知识讲座g()

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1、主讲人:郭亚平享受政府特殊津贴的专家 全国避雷器标准化技术委员会委员 全国雷电防护标准化技术委员会委员 中国电子学会电压敏学部副主任委员 美国电子电气工程师学会（IEEE）高级成员 国际电工委员会（IEC）TC37-WG5工作组成员主要内容一雷电是什么二防雷与接地有何关系三什么是等电位连接四为什么无线基站容易遭受雷击五雷电过电压是如何进入基站并损坏设备的六雷电防护的基本原理和方法是什么七3G基站与2G基站的防雷有何不同八3G基站防雷的相关其他问题雷 电 是 什 么 ？雷 电 是 什 么 ？雷电是什么雷电是什么雷电是天地间发生的一种超大功率的巨型电荷放电现象；它是地球上最为壮观的一种自然现象，是

2、生命存在的必然条件，它孕育了地球的生命，它促进了地球的文明与发展，但它对人类活动又具有强大的破坏力，造成巨大的经济损失和人命伤亡的惨重灾难。雷电的成因雷电的成因带不同电荷的云团之间或带电云团与大地 之间，随着电荷不断积聚并达到一定程度时， 电场强度就可击穿空气，进行放电，在主放电 阶段，由于异性电荷的剧烈中和，会出现很大 的电流(几十KA至几百KA),发生强烈放电闪 光，并使空气骤然加热、膨胀而发出巨大响 声，这就形成了雷电。雷电的破坏型式被雷电直接击中的物体，由于瞬态强大的 雷电流、电磁力和极高温而损坏；和被雷电直接击中的物体相连接的电子、 电气设备，由于地电位抬高、高电位反击而损 坏；靠近

3、雷电放电通道的电子、电气设备，由 于处于强烈的雷电电磁场中而被感应雷过电压 所损坏；雷电的形式-直击雷雷电的形式-直击雷 雷电直接击在建筑物、其他物体、大地或防雷装置上，产生电效应、热效应和机械力者。由于铁塔远高于基站机房，其构成的直击雷防护 范围包含住了整个机房，直接雷击不能击中机房 。雷电的形式-感应雷（静电感应）雷电的形式-感应雷（静电感应）考虑一条架空线路（供 电线或信号线）位于雷击点 附近，在负极性雷放电的向 导阶段，向导通道中充满了 负电荷，他对架空线产生静 电感应作用，使架空线上距 向导通道附近的部分累积起 正电荷；当向导发展到地面 以后，主放电开始，向导通 道中的负电荷自下而上

4、迅速 中和，从而使架空线上原先 被束缚的正电荷被迅速释 放，形成沿架空线传播的暂 态过电压波。+- - - -+基站机房接地排电源线设备UB higherUC lowerDestruction雷云接地阻抗雷云对铁塔放电地网静电感应现象也会在传输 线上形成过电压雷电的形式-感应雷（雷电的形式-感应雷（电磁感应形成共模过电压）雷电的形式-感应雷（雷电的形式-感应雷（电磁感应形成差模过电压）雷电过电压IEC于1960年在60-2文件中公布的雷电 压冲击波形为1.2/50s、感应雷电流冲击波形 为8/20s 。1.2/501.2/50s 电气电子设备绝 缘耐受性能试验 用标准雷电过电 压波形电气电子设

5、备绝 缘耐受性能试验 用标准雷电过电 压波形1.2/501.2/50s 电气电子设备绝 缘耐受性能试验 用标准雷电过电 压波形电气电子设备绝 缘耐受性能试验 用标准雷电过电 压波形雷电过电压波形雷电过电压波形雷电过电压波形雷电过电压波形雷电过电压波形雷电过电压波形1009050300U %1,250t s? 直击雷过电流? 感应雷过电流? 地电位抬高，高电位反击 (用8/20s波形模拟)? 线路来波 (用8/20s波形模拟)电磁感应雷过电流(用8/20s波形模拟)静电感应雷过电流(用8/20s波形模拟)正极性波(用10/350s波形模拟)负极性波(用2.6/40s波形模拟)对雷电流的模拟波形雷

6、电流的波头时间与波长时间雷电流的波头时间与波长时间雷电流的波头时间与波长时间雷电流的波头时间与波长时间雷电流的波头时间与波长时间雷电流的波头时间与波长时间Im0.9 Im0.5 Im0.1 ImDBACEGFf tt雷电流的波头时间与波长时间雷电流的波头时间与波长时间雷电流的波头时间与波长时间雷电流的波头时间与波长时间 波头时间越短 陡度越大波头时间越短 陡度越大 波长时间越长 能量越大波长时间越长 能量越大 f f/t t表示雷 电流表示雷 电流 波头时间越短 陡度越大波头时间越短 陡度越大 波长时间越长 能量越大波长时间越长 能量越大 f f/t t表示雷 电流表示雷 电流防雷与接地有何关

7、系防雷与接地有何关系什么是接地接地就是将导电物体或电气回路的某一结点，通过导体与大地相连，使该物体或结点经常保持与大地等电位。设备为什么要接地人类生活在地球上，为了防止人身电击事故，就需要将有可能产生危险电压的设备的外露可导电部分进行接地，通过人和设备的等电位，从而防止人身电击事故。接地主要有以下三方面的目的：1）安全保护；2）信号参考；3）雷电保护。安全接地如前所述，接地的首要目的是：在系统正常运行以及故障（交流电力故障和直流电力故障）情况下，保证人身和设备的安全，特别是人身的安全。图1 半球接地体的地中散流图2 跨步电压和接触电压 及地面电位分布示意图的计算跨步电压的计算公式：接触电压的计

8、算公式：由上述公式可以看出，加大地表土壤的电阻率可以增大人脚与土壤间的接触电阻，从而降低跨步电压和接触电压。并可采取如下措施以减小电击危险：1）减小接地电阻。2）增大地表的土壤电阻率。3）减小人体附近地表电位分布的梯度。4）完善供电系统的故障保护措施，迅速切除接地故障，缩短电击时间。k bb k bb kERRERRRU620+=+=j bb j bb jERRERRRU5 . 15 . 00+=+=工频接地电阻的物理概念工频电流从接地体向周围的大地流散时，土壤呈现的电阻称为工频接地电阻，通常简称为接地电阻。接地电阻的数值，等于接地体的电位与通过接地体流入地中的电流的比值。由高斯定理及欧姆定律

9、的微分形式，可得出在各向同性的大地中：由上式可以看出：增大接地网的面积是减小接地电阻的主要因素。CdsEdsECRss = &11防雷接地 对于基本绝缘类设备，由于安规要求 必须接地。但接地后，系统遭受雷击的 概率大大增加。 防雷接地的目的就是要在系统遭受雷 击时，给雷电提供一个尽可能便捷的通 道，使雷电对系统的影响尽可能的小； 所以，防雷接地的关键是处理接地连 接关系，即等电位连接的问题冲击接地电阻的物理概念冲击电流或雷电流通过接地体向大地散流时，不再采用工频接地电阻而应采用冲击接地电阻来表征接地效果。冲击电流或雷电流通过接地体向大地散流时，接地体冲击电压幅值与冲击电流幅值之比冲击接地电阻。

10、由上述定义我们可以看出，冲击接地电阻只是一个人为定义的概念，并无具体的物理意义，因为冲击电压幅值和冲击电流幅值往往并不在同一时间出现。冲击电流通过接地体散流的情况比较复杂，简单讲它具有以下特性：1）在冲击电流作用下，除了接地体的电阻和电导外，其电感和电容均对冲击阻抗发生影响。2）当接地体表面的电流密度达到某一数值时，会产生火花放电现象，其结果就相当于加大了接地体的直径。3）冲击电流在大地中流动时，电流主要集中在距离地面不太深的范围内流动。4）大地的电气参数土壤电阻率和介电常数,特别是电阻率,在高频情况下,并非象在工频时那样可近似为常数,而是在一定程度上有随频率增加而减小的趋势。5）接地体周围电

11、场强度达到一定数值时，电压和电流不再是线形关系，而是表现为非线性。信号参考众所周知，电位的高低是相对而言的。两个 或多个系统或子系统要进行通信，就要有共同的 信号参考点，以便进行电平比较。就一台通讯设 备而言，其内部所有的子系统最好的公共信号参 考点就是设备的机壳。所以对不以大地为回路的 通讯信号参考点，接地电阻值没有特殊要求。安全接地与防雷接地安全接地与防雷接地相比，有以下特点：首先，接地的作用不同。一个是侧重于对人身安全的保护。一个是侧重于对设备的保护。其次，对接地电阻值的要求不同。对于安全接地，要求接地电阻尽可能小。对于防雷接地，一般对接地电阻地要求不高，我国电力行业对防雷接地电阻的要求

12、一般认为不大于30欧就可以了。但要特别考虑由分布电感引起的地电位抬高问题。不能简单的认为接地电阻越小，防雷效果就越好不能简单的认为接地电阻越小，防雷效果就越好通常接地电阻越小，防雷问题就越容易解决，但防雷效果和接地电阻并无直接关系。这是因为对防雷而言，接地线电感对设备的影响远大于接地电阻对设备的影响。这个原因在于只要按照标准设计和施工，接地电阻上的电压降对整个机房设备都是等电位的，而不会在设备间形成大的电位差，但引线电感上的电位差却是直接加在设备间的。正确的概念是：对必须接地的设备，从防雷角度讲，必须进行可靠对必须接地的设备，从防雷角度讲，必须进行可靠接地，但地阻值的大小是安规的要求，对防雷效

13、果并无直接地，但地阻值的大小是安规的要求，对防雷效果并无直接影响。对防雷效果影响最大的是基站内系统间的等电位接影响。对防雷效果影响最大的是基站内系统间的等电位连接，因此为了保证基站内设备安全，设备间必须进行合连接，因此为了保证基站内设备安全，设备间必须进行合理有效的等电位连接。理有效的等电位连接。什么是等电位连接？等电位连接等电位连接就是为了消除和减小系 统中结点间的稳态和瞬态电位差而 进行的接地连接结构改进和优化。现状机房设备的接地方式一般如图1.1 (右图为等效图)所示，是一种典型的大星形接地方式。机房设备的接地方法等效电路设备A设备B地电位抬高 U=Ldi/dt+IR地电位排状接地汇流排

14、设备M型 网型结构M型 网型结构基本的等电位连接网接至公用接地系统的等电位连接基本连接结构S型 星型结构S型 星型结构基本的等电位连接网接至公用接地系统的等电位连接星型网状混合型接地星型网状混合型接地接至共用接电系统的等电位连接地电位抬高U=Ldi/dt+IR设备A设备B这个电位差，可根据下式算出：U=Ldi/dt+IR如引线长1m，入侵的雷电流为20kA(8/20us),则每米导线上的电压降为3.6kV,如接地线长度为5米则地电位抬高为18kV。等电位连接原理为什么无线基站容易遭受雷击？由于铁塔一般都是基站位置附近最高的 构筑物，并且具有良好的电荷输送机制， 所以，在雷云产生的过程中，铁塔顶

15、端的 电场畸变最严重，因此最容易引雷。 而基站设备的心脏却是由极易损坏的超 大规模集成电路芯片和其它电子器件构 成，一旦基站遭受雷击，由雷击引起的过电压 就有可能损坏基站设备。雷电过电压是如何进入基站并损坏设备的？铁塔引雷后，虽然强大的雷电流沿铁塔泄入 大地，但 1、地电位抬高会对机房内的低电位设施反击放 电； 2、铁塔周围强烈的雷电电磁场会在电源线、信 号线等缆线上感应出极高的雷过电压； 3、感应在电力线上极高的雷过电压； 4 、感应在电力线上极高的雷过电压引起电力系 统的二次故障，产生操作过电压或暂时过电压。 这些过电压都有可能损坏基站设备。设备损坏原因雷电过电压通过各种耦合途径侵入设备，

16、造成设备损坏的主要原因是设备端口间或线间存在因雷过电压而引起的电位差，当该电位差超过设备的耐受水平时，就会造成设备损坏。雷电防护的基本原理和方法是什么？引导通过接闪、引下、接地，将雷电电荷释放入地；屏蔽对电磁场耦合的过电压采用屏蔽的方法消除或减小；等电位连接对电路耦合的过电压采用等电位连接的方法消除或减小；绝缘配合将过电压限制在设备的冲击电压耐受水平以下。1、引导 由于铁塔高于基站机房，其构成的直击雷 防护范围包含住了整个机房，直接雷击不 能击中机房 。2、 屏蔽Sa 邻近的雷击点大空间屏蔽在屏蔽空间 内的磁场伴随雷击产生的 的磁场当有屏蔽时，在隔栅形大空 间屏蔽内，即在LPZ1区内的 磁场强度从H0减小为H0为没有屏蔽时区 域内某点的磁场强度，H1为 采取屏蔽措施后的该点的磁 场强度，SF为屏蔽系数（取 决于屏蔽材料及其结构）。等电位连接（静态连接）3 、等电位连接等电位连接缩小了设备间的雷电压差，保护了设备等电位连接（动态连接）雷