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1、移动通信基站整体的防雷设计方案前言随着社会的进步，移动通信迅猛发展，遍及全国每一个角落，而移动通信基站能否正常运行是移动通信的关键。基站的设备大部分是微电子设备，它的电磁兼容能力低，抗雷电、抗电磁干扰能力弱。基站在建设时虽然已安装了一些避雷装置，但往往还是因雷击而造成通讯中断，给人们的生产和生活带来了巨大的损失。因此，如何做好基站的综合防雷，保障通信系统的安全，显得尤为重要。随着移动通信的应用范围不断地扩大，移动通信系统的类型也越来越多。基站防雷是一个系统性的复杂工程，其防雷措施是一个讲究整体防御性的工作，需要各个环节紧密配合。基站主要由通信和供电设施组成，其中，通信设施包括天线、馈线和通信设
2、备，供电设施包括电力传输线、变压器和电源设备，各个设备之间紧密联系，共同构成了基站系统。从防雷的角度讲，这些设备引入雷电的危害形式并不单一，主要包括了直接雷击、感应雷击、电磁脉冲辐射、雷电过电压侵入和反击，一旦某一设施遭受雷电袭击，必然会直接影响到与它相连的其它设施，造成破坏。针对基站遭受雷害的情况，本文简单地将基站的组成概括为基站铁塔、基站电力传输和基站机房三个部分来讨论基站的整体防护，着重阐述了每一组成部分各设施的具体防雷措施。并应用这些方法，对基站进行了防雷方案设计，与此同时，我们也看到了现有的防雷理论还不够完善，还需大家在今后的实际工作中，不断地摸索，总结经验，争取将雷击损害降低到最小
3、程度。目录1、雷电对移动通信基站的危害、 雷电成因 雷电对基站的危害形式 直接雷击 感应雷击 电磁脉冲辐射 雷电过电压侵入 反击2、移动通信基站整体防雷探讨 基站铁塔部分 天线 馈线 其它设施 基站电力传输部分 高压架空线 变压器 低压输电线 基站机房部分 机房 电源系统 信号系统 其它设施 设备接地和防雷接地 基站地网部分 铁塔地网和机房地网 联合地网3 移动通信基站防雷设计 外部防雷设计 接闪器设计 引下线设计 地网设计 内部防雷设计 过电压保护等电位连接4 设计依据5 总结1、雷电对移动通信基站的危害 雷电成因当天空中有雷云的时候，因雷云带有大量电荷，由于静电感应作用，雷云下方的地面和地
4、面上的物体都带上与雷云相反的电荷。雷云与其下方的地面就成为一个已充电的电容器，当雷云与地面之间的电压高到一定的时候，地面上突出的物体比较明显地放电。同时，天空带电的雷云在电场的作用下，少数带电的云粒（或水成物）也向地面靠拢，这些先驱流柱延续形成电离的微弱导通。当先驱放电到达大地，或与大地放电迎面会合以后，就开始主放电阶段，形成雷击。人们通过模拟地球原始大气在密室中进行放电的实验，结果由无机物合成了11种氨基酸。这些物质的出现，是生命起源的基础，因此，一些生命起源学说认为，是雷电孕育了地球上的生命。从这个角度来讲，人类有今天的文明应该感谢雷电，但是，雷电给人类带来的危害更值得我们关注。 雷电对基
5、站的危害形式雷电是自然界中强大的脉冲放电过程，雷电侵入移动通信基站造成灾害是多渠道的。一般说来，我们可以把雷电放电对地面建筑物或设备可能产生的危害形式划分为下列几类。 直接雷击在雷暴活动区域内，雷云直接通过人体、建筑物或设备等对地放电所产生的电击现象，称之为直接雷击。此时雷电的主要破坏力在于电流特性而不在于放电产生的高电位，我们可由基站天线和机房遭受直击雷的情况看出它对基站的危害。机房随着城市高楼的增加，使雷电击穿空气的距离缩短，建筑物遭受雷击概率加大。当雷电击中机房时，强大的雷电流变成热能。雷击放电的电量大约为25100C，据此估算，雷击点的发热量大约为5002000J，该能量可以熔化502
6、00 3 mm 的钢材，因此，雷电流的高温热效应将引起机房建筑物燃烧。在雷电流过的通道上，物体水分受热汽化而剧烈膨胀，产生强大的冲击性机械力，该机械力可以达到50006000N，因而可使机房建筑物结构断裂破坏，导致工作人员伤亡，设备破坏。天线基站天线也是雷击的主要破坏点，由于天线大多设置在机房的房顶上，也有一部分安装在铁塔上，从防雷角度来看，相对周围环境而言，形成十分突出的目标。雷电流在闪击天线过程中将进入与天线相连的馈线，它沿着馈线可以传送到很远的地方。除了在馈线上产生电或热效应，破坏其机械和电气连接之外，当它侵入与之相连的BTS 设备时，还会对BTS设备的机械结构和电气结构产生破坏作用。同
7、时，它在BTS 设备处出现一个强大的雷电冲击波及其反射分量，反射分量的幅值尽管没有冲击波大，但其破坏力也大大超过微电子器件的负荷能力，尤其是它与冲击波叠加，形成驻波的情况下，便成了一种强大的破坏力。可见，直接雷击的危害十分大，绝不能掉以轻心。 感应雷击从雷云密布到发生闪电放电的整个过程中，雷电活动区几乎同时出现三种物理现象，其中静电感应与电磁感应两种现象是可能造成感应雷击的危害形式。感应雷击虽然没有直接雷击猛烈，但其发生的几率比直接雷击高得多。下面我们来分析一下高压架空线、馈线分别在雷电静电感应、电磁感应作用下是怎样将雷害引入基站的。静电感应当雷电来临时，雷云底部分布着大量的负电荷，它们将产生
8、静电场。高压架空线路上将感应出大量与雷云底部电荷符号相反的电荷，这种静电感应作用随着与雷云正下方高压架空线路的距离的增大而迅速减小（与距离的三次方成反比），如图所示。在雷云对地面或另一雷云放电后，雷云上所带的电荷，通过闪击与异种电荷中和。此时，高压架空线路上虽未受到雷击，但已聚积的电荷却产生了很高的电压，它必然要放电。而由于高压架空线路与大地间的电阻比较大，感应电荷不能在同样短的时间内相应消失，这样就会形成高压架空线路上的感应高压。这样形成的感应高电压在高压架空线路可达300400KV，电荷放电时，将产生一个很大的脉冲电流，其雷击效果虽然比直接雷击小一些，但由于电力线对雷电波的传输损耗小，雷电
9、流几乎无衰减的沿电力线进入电源设备，也会造成设备损坏。图 高压架空线路雷电静电感应示意图电磁感应闪电电流在经铁塔入地过程中，在铁塔周围的空间产生磁场，这种磁场将随时间而变化，其感应作用随着与落雷点的距离的增大而较快地减少（与距离平方成正比），如图所示。磁场在馈线同轴电缆的金属屏蔽层上激发出感应电流，屏蔽层的电阻会使屏蔽层产生相当高的电压降，此时，由于芯线上没有感应电流，即为电位零点，此电压降就成为屏蔽层与芯线之间的电压。 电磁脉冲辐射雷电放电产生的第三种物理现象就是电磁脉冲辐射，闪电放电时，其电流是随时间而非均匀变化的。一次闪电往往由几个短脉冲放电组成，脉冲电流向外辐射电磁波，这种电磁脉冲辐射
10、虽然也随着距离的增大而减小，但却比较缓慢（与距离的一次方成反比），闪电的电磁脉冲辐射通过空间以电磁波的形式耦合到对瞬态电磁脉冲极其敏感的设备。随着通信网日趋庞大，通信设备的集成化、数字化程度不断提高。此类设备一般工作电压低、耐压水平低、敏感性高、抗干扰能力低，受雷电影响及损坏的几率增大，即使是几公里以外的高空雷闪或地面雷闪都可能造成设备故障或损坏。 雷电过电压侵入当机房建筑物并不处于雷暴活动区域内，或者虽然在雷暴活动区域内，但机房设备已受到防直击雷的避雷装置的保护与屏蔽，有时仍会遭到雷害。其原因可能是在电力电缆、同轴电缆或金属管道上未采用防止雷电过电压侵入的措施。下面以电力电缆为例说明雷电过电
11、压侵入对基站的危害。直击雷或感应雷都可能使电力电缆产生过电压，如图所示。这种过电压沿着电力电缆从远处雷区或防雷保护区域之外传来，侵入设备内部，使交、直流电源和整流器损坏。由于雷电过电压波沿电力电缆传播的距离远，扩散面大，特别是当地并无雷电活动，工作人员毫无准备的情况下，突然袭来，所以，雷电过电压侵入造成的损失也比较严重。据统计，在电子设备遭受的雷击事故中，雷电过电压沿电源线侵入设备而造成的雷击故障，大约要占80。图 雷击大地对附近电缆放电示意图 反击在雷暴活动区域中，当雷电闪击到基站的接闪装置上时，尽管接闪装置的接地系统十分良好，其接地电阻也很小，但由于雷电流幅值大，波头陡度高，雷电流流过时也
12、会使接地引下线和接地装置的电位聚升到上百千伏。如果基站的接地引下线与各种金属管道或用电设备的工作地线间的绝缘距离未达到安全要求，则可能造成引下线与各种金属管道或用电设备的工作地线之间放电，从而使这些金属管道或用电设备的工作地线上引入反击电流，造成工作人员和设备雷击事故。 图2.2.6 雷电流对金属钢管反击示意图因此，基站的防雷既要防直击雷，又要防感应雷，既要防止高电压雷电波从金属线缆输入，也要防止高电压反击。2、移动通信基站整体防雷探讨在科学技术日益发展的今天，虽然我们还不能完全控制暴烈的雷电，但是经过长期的摸索与实践，现在己积累了很多有关防雷的知识和经验，并形成一系列对防雷行之有效的方法和技
13、术。这些成功的防雷方法和技术，归纳起来有接闪、均压等电位连接、接地、分流、屏蔽以及躲避等。将这些方法应用于移动通信基站的防雷，可在一定程度上减小雷电对基站的危害。 基站铁塔部分移动通信基站的铁塔部分包括天线、馈线和塔灯电源线，它们暴露于室外，受雷电的影响相当大，应尽可能做好其防护工作。 天线利用基站铁塔和常规避雷针，可以有效地保护天线免遭直接雷击。接闪器大部分天线的防雷措施，主要是在通信铁塔上安装避雷针，这种方法经济、简单，但应严格按照以下要求进行设计。基站天线通常放在铁塔上，天线安装位置应在避雷针的防护范围内。避雷针应架设在铁塔顶部，与铁塔焊接，并做好焊点防腐处理。避雷针的架设高度按滚球法计
14、算，滚球半径应符合所选择的防雷体系的保护等级，避雷针宜采用圆钢或钢管组成，当针长为12m 时，可采用直径为16 的圆钢或直径为25 的钢管。避雷针应与天线之间保持一定的间隔，如图所示，以防止由于避雷针的存在而损坏天线的辐射图形，影响通信效果。图3.1.1 避雷针保护天线示意图引下线有铁塔的基站，铁塔本身就是良好的引下线，因铁塔已良好接地，塔身截面足以安全通过雷电流。所以，只需接闪器与铁塔有良好的电气连接，并做防腐处理，即可保证雷电流及时流入大地，这样既减少投资，又达到保护的目的。1.2 馈线基站的馈线一般采用同轴电缆，由于它已在避雷针的保护范围内，其引入机房的主要是感应雷电波，所以，可采取屏蔽
15、层接地的方法，将雷电流尽快泄入大地，减少对机房通信设备的影响。应将同轴电缆的金属屏蔽层在塔顶与铁塔的钢梁连接，作为一个接“地”点；离开塔身至机房转弯处上方0.51m 适当位置与铁塔钢梁连接，作为另一个接“地”点；在机房入口处就近与地网引出的接地线妥善连通，作为第三个接“地”点，如图所示。当同轴电缆长度超出60m 时，金属屏蔽层应在铁塔中部增加一处接“地”点，使相邻两个接“地”点间的距离不超过60m。电缆金属屏蔽层接地可以防止高电位引入机房，在高电位到达电缆时，电缆金属屏蔽层与芯线之间的绝缘介质被击穿，两者连通。根据集肤效应，电流被排挤到金属屏蔽层而进入大地，从而起到钳制高电压引入的作用。同轴电缆进入机房后，在连接到基站通信设备前其芯线应加装天馈避雷器，以便让从芯线传来的雷电能量泄放到大地，防止感应雷的引入。1.3 其它设施基站铁塔顶部如设有航空标志灯，对于使用交流电的塔灯，其电源线也是雷电流引入的途径之一，应采取必要的防雷措施，首先应保证塔灯在避雷针的
