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1、主题： 移动通信基站接地问题的考虑 作者： 信息产业部邮电设计院 刘吉克 发布时间： 2002-5-7 15:28:59 内容： 移动通信基站接地问题的考虑信息产业部邮电设计院 刘吉克中 国 联 通广东分公司 詹 乐 摘要 本文主要论述了移动通信基站的接地问题，根据各类基站的环境和建筑物情况，分析了基站接地可能遇到的问题，以及实际情况与标准矛盾时因地治宜采取的解决方案和措施。关键词：移动通信 基站 接地 雷电移动通信基站的接地问题一直困绕着中国移动、中国联通的建设和设计单位，这主要是因为移动通信的设立需要租用大量的民用建筑作为机房，而民用建筑的接地系统难于满足移动通信防雷接地规范的需要，另外建
2、在山区的基站，由于土质很差，多为碎石土壤、风化岩或花岗岩石，表面土仅十几至几十厘米厚，并且大地电阻率极高，要使基站的地网接触电阻做的很小是极为困难的。因此，各类移动通信基站的接地系统的合理设计，是当前移动通信基站接地工程中的重要课题。1. 移动通信基站接地地网的现状 根据YD5068-98移动通信基站防雷与接地设计规范的要求，基站的接地电阻应小于5，但基站所处地理环境千差万别，实现条款的要求可能有众多问题，许多工程技术人员来电讲按照规范设计不好处理，也做不到条文所要求的接地电阻值，当然由于基站的地网类型很多，不可能用一种模式去解决所有的问题。那么由于郊区、山区、城市、专用机房和租用建筑物环境因
3、素不同，基站地网是否能满足标准的接地电阻的要求呢？下面分别讨论。1.1 建在郊区或山区的基站地网 目前建在郊区或山区基站移动通信基站有各种各样的地网，接地电阻值从几欧至几十欧姆不等。这主要由基站所处的地理环境和土质以及站址所在地区土壤电阻率所决定，对于正在运行的基站设备实践证明：“接地电阻的大小对基站设备技术参数以及信号传输没有任何影响”。从理论上讲，防雷接地用的接地电阻越小越好。这是因为接地装置上流过的雷电流会使接地点的地电位升高，产生过高的接触电压和跨步电压，因此地网的设计主要从防雷保护的角度考虑，尽可能降低接地电阻的数值。另外对于建在山区的基站实际所处的地理位置与雷电的活动区域有着一定的
4、联系，而且土质很差，大地电阻率极高，要使基站的地网接触电阻做的很小是极为困难的。1.2 建在城市利用办公大楼和大型建筑物的地网 国家标准GB50057-94建筑物防雷设计规范对于建筑物的接地一般都采用其钢筋混凝土基础作为地网，因为建筑物其钢筋混凝土基础埋地较深，与大地的接触面积大，在相同的土质条件下，用其基础作接地体可比一般人工接地所得的电阻低的多，另外基础钢筋埋设在混凝土中，作为接地体的钢筋不会受到外力的损伤和破坏，不需要维护、使用期限长，接地电阻稳定。对于通信局（站）这种接地方法是相当有效的。同样利用办公大楼、大型宾馆、高层建筑的基础作为基站机房和天馈线系统的接地是可行的（相对而言，此类建
5、筑物内的主钢筋作为防雷接地系统是安全的）。1.3 建在城市和郊区利用小型民用建筑的地网 移动通信系统的扩容，微蜂窝、小区化，城市中多数基站一般都利用小型民用建筑设立站址，在其建筑物房顶安装移动通信天线，并在楼顶的某一间房子作为机房，其接地也是从避雷带或房间中的柱子引出。国家标准GB 50057-94建筑物防雷设计规范，对于通信局（站）和民用建筑的防雷设计，从建筑物的分类来讲就不是一个类别，对于通信局（站）的防雷设计要求，远高于小型民用建筑的防雷设计，不同类别的建筑物使用的目的是不同的，明明是民用建筑物，基站却要设计在这里，这就为移动通信基站的防雷接地带来不少的难题，另外往往由于条件所限或者租用
6、的民用建筑物所处的业主和环境因素，实施接地系统的改造需要得到业主的同意。通信局（站）地网的概念在小型民用建筑中是不可能存在的，小型民用建筑本身的防雷接地仅是利用建筑物内的金属构件和基础内的钢筋作为防雷接地系统，由于作为雷电流引下线柱内的主钢筋并非要求焊接，此时若将建筑物本身金属构件的作为唯一的接地系统是不可靠的。2 基站地网设计涉及到的实际问题的解决方案2.1 基站地网的组成形式 移动通信基站地网设计的主要目的在于：在流往地中的雷电流路径上得到最低的接地电阻，在保护范围内把雷电流流产生的电势保持在安全范围内。一个由多接地体组成的地网可以近似地当作一块弧立的平板，它的电容主要是由它的面积尺寸来决
7、定的，附加于这个平板上的有限长度（23米）的垂直接地体，不足以改变决定电容大小的几何尺寸，因而是电容增加不大，亦即接地电阻减小不多。这里接地电阻R为： 式中：R接地体的接地电阻（）； C接地体的电容（F）； 大地电阻率（.m）； r 大地的介电系数（F/m）； r大地的相对介电系数。 这个极为重要的物理概念告之：增大接地网的面积是减少接地电阻的主要因素。只有当附加的垂直接地体的长度与地网的等效装径可以比较时，平板趋近于一个半球时，电容才会有较大的增加，从而才可能降低接地电阻，但是即使在这种情况下，接地电阻减小仅36.3.这个结果可由下式推出：地网等效为埋深为零，半径为r的圆盘时：R1=/4r
8、半径为r的半圆球时：R2=/2rR1/R2 =0.637 由此可见接地网的接地电阻主要和接地网面积有关，附加于接地网上的2-3m的垂直接地体对减少接地电阻的作用不大。对于地网的设计，那种认为加密垂直接地体可减小接地电阻的观念是不可取的，从宏观分析，应把地网看作一个二维的平板，采用不长的垂直接地体（垂直接地体的长度与地网等值半径相比，至少小一个数量级）不论打入多少根，即使密集成厚度为2-3m的实体钢板地网，也不会使接地电阻有多大变化。 2.2地网与冲击半径及移动通信基站地网最佳面积大小 对于建在山上的移动通信基站，由于所处的位置往往比周围的山地显得突出，地理位置又与雷电的活动区域有着一定的联系，
9、加之山上一般多为岩石或多石土壤，要使防雷接地电阻在有限的面积做的很小（如5）是不可能的，为此建在山上基站，采用了均衡大地电位，实施联合接地及改进地线的敷设方法，可以在雷击时使站内各处电位同样上升，局内设备相互间的冲击电压均衡，增加雷电泄流能力，因而可对基站的接地电阻大小不必过于严格，但毕竟存在均衡大地电位接地网的经济合理使用面积问题。2.1.1接地网与冲击半径 一个避雷针的接地体接闪时所呈现的电阻，与直流、工频电流的接地电阻有显著不同，对于雷电在土壤所发生的物理过程和工频有着相当大的区别，它们的最主要区别在于雷电的形成过程以及土壤对高频电磁波传输特性所决定的。雷电流是个冲击波，而且具有非常大的
10、电流值，由于雷电流幅度很大，在接地体附近形成的电场强度超过了土壤的冲击击穿强度而产生电弧式火花放电，结果相当于增加了接地体的尺寸，因此，在实际雷电流作用下接地网的接地电阻值小了。 雷电流通过接地体向大地散流时有下列特征： 当雷电流通过接地装置流入土壤时，由于电流幅值很大，在接地体周围形成强大的电场，土壤呈现的电阻率，也受到电场强度的影响，随着电场强度增加，也就是随着电流密度的增加，土壤电阻率随之减少。 雷电流相当于高频电源，除接地体的电阻和电导外，接地体的电感和电容对冲击阻抗发生作用，其作用的大小，决定于接地体的形状，冲击电流的波形和幅值，以及土壤中电的参数r和，即地的介电系数和大地电阻率。
11、冲击电流在地中流动时，由于高频电流的集肤效应，不象直流和工频电流那样穿透很深的地层，而是在距离地面不太深的范围流动。 雷电流通过接地装置流入土壤时，当接地体周围电场强度达到一定数值时，电压和电流不是直线关系，而呈现非线性。 所以，冲击电流或雷电流通过接地体向大地散流时，不再是用工频接地电阻，而是用冲击接地电阻来量度冲击接地的作用。接地装置对地冲击电压的幅值与冲击电流幅值之比，则称为冲击接地电阻。由上述冲击接地电阻的定义可以看出，冲击接地电阻是一个人为的概念，并无具体的物理意义，因为冲击电压幅值和电流幅值往往不是在同一个时间出现的（由于接地体的电感作用，冲击电压幅值出现在冲击电流幅值之前），把两
12、个在不同时间发生的量之比定义为冲击接地电阻并无物理意义，但在工程上利用这个定义，可在已知冲击电流的幅值和冲击电阻的条件下，计算出冲击电流通过接地体散流时的冲击电压幅值。 一个接地地网的面积不论有多大，在工频时，是可以把接地体的表面近似地看成等位面，故接地网全部面积都能得到利用。但是，许多根接地体在地中构成的网状接地体，在冲击电流的作用下，当土壤电阻率和介电系数一定时，接地网的冲击等效半径就是一个常数，而冲击等效半径要比接地网面积的等值半径小得多，即在冲击电流的情况下，仅仅利用接地网很小的一块面积，在工频时，接地电阻之所以和接地网面积的平方根成反比，是因为接地网上的电位比较均匀，全部接地体都起着
13、散流作用，接地体得到充分利用的缘故，但在雷电流作用下，情况就不同了。由于接地体的电感作用，接地网的电位呈现不均匀性，离开雷电流引入点愈远的地方，接地体上的电位就愈低。甚至电位为零，其变化规律按指数曲线衰减，只有雷电流引入点附近一块接地网才起着散流作用，而且散流的程度与这一块面积上的电位分布成正比。2.2.2 地网的最佳面积大小 从冲击等值半径与接地网面积的等值半径变化规律得出一个结论，在移动通信基站地网优化设计时，根据移动通信基站所处的具体地理环境，其接地网的大小应控制在（20m）2=400m2内，这时地网在雷击时冲击等值半径利用率在高电阻率土质的情况是较高的（在大地电阻率为2000.m时为8
14、4.19%）,在大地电阻率低于500.m时,地网可小于400m2。这样加之外引水平接地体，地网的利用率可更高。另外，考虑到垂直接地体能起到集中接地散泄雷电流之用，可在冲击等值半径处打入一圈垂直接地体，其等效半径应以铁塔为中心。此时垂直接地体是为了散泄雷电流，而不是以减小地网接地电阻为目的。2.3移动通信基站引外接地的极限长度 移动通信基站设在高电阻率的山上，如附近有可资利用的导电良好的土壤及低电阻率的地层和水源（河流及其它）时，采用引外接地作为移动通信基站本身均压网或辐射型接地装置的辅助措施是合理的。这是因为在高电阻率地区设立移动通信基站，为了减小接地电阻，仅仅依靠在土壤中埋设大量的接地体和采
15、用人工改造土壤电阻率的方法，即不经济，又不稳定。由于山区土壤层潮湿程度随季节的变化而变化，因此地阻值变化也较大，在采用这些措施后，其接地电阻往往还不能满足要求。所以在上述条件下，如果采用引外接地，并且与其它措施相结合，就可能使移动通信基站的设备及人身安全都得以保护。移动通信基站正确的引外接地, 利用岩石间多缝隙、外引山下大地电阻率较低的土壤或水田中的接地体不仅可以节约投资,而且可有效的降低接地电阻。但引外接地有一个长度极限的问题,当超过最大引接长度后,由于接地引线自身的电阻产生压降,会使所接的末端接地体的利用程度大大降低,影响引外接地的效果.在工频情况下,由于分布在接地体上的电位比较均匀,接地体都起着散流的作用,接地体得到了充分的利用，但在雷电流(相当于高频电流)作用下,除接地引线的电阻和电导外,还有电感和电容对冲击电流发生作用,使冲击电阻增大.接地引线愈长,雷电流波头时间愈短,则冲击电阻增大得愈多,并且由于接地引线的电感作用,阻碍了雷电流引外接地接体后半部分的泄放,相当于增加了接地电阻。所以在移动通信基站引外接地优化设计时，应正确估算引外接地引接线的长度很重要的。 引外接地的极限长度： L=22.4移动通信基站地网液状长效降阻剂的应用与接地电阻2.4.1液状长效降阻剂的降阻原理 接地电阻主要由下列三个方面构成:(1)接地线和接地体本身的电阻;
