動通信基站防雷接地系統(tǒng)的設(shè)計

1、動通信基站防雷接地系統(tǒng)的設(shè)計推薦翟玉杰 中國聯(lián)通遼寧分公司摘要本文論述了移動基站防雷接地系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的問題,結(jié)合多年運維經(jīng)驗，切實地提出根據(jù)實際情況設(shè)計移動通信基始防雷按地系統(tǒng)的設(shè)計思想。由于移動通信基站的天線設(shè)置大多安裝在建筑物的房頂上，還有一部分安裝在鐵塔上，相對周圍環(huán)境而言，形成十分突出的目標(biāo)，從而導(dǎo)致雷擊概率增多。通信設(shè)備損壞，耗費了大量人力財力。怎樣才能有效地預(yù)防雷害，確保移動通信基站設(shè)備和工作人員的安全呢?幾年來的維護經(jīng)驗告訴我們：必須根據(jù)每個基站的實際情況設(shè)計移動通信基站的防雷接地系統(tǒng)，實施基站針對性防雷。1 認清移動基站雷害的主要原因移動基站防雷是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。過去我們按

2、照防雷理論，盡量提高基站防雷系統(tǒng)的泄流能力，選用了80kA甚至100kA的大型防雷器，但是防雷效果卻不盡人意，經(jīng)常出現(xiàn)基站防雷器沒有明顯動作，基站設(shè)備卻已經(jīng)發(fā)生損壞。是防雷器不好嗎?不，防雷器都是檢測合格的入網(wǎng)產(chǎn)品。原來是我們沒有按照基站的實際情況設(shè)計防雷系統(tǒng)。我們調(diào)查統(tǒng)計了全省近兩年來的雷擊事故，得出一條重要數(shù)據(jù)：基站內(nèi)設(shè)備被直擊雷和雷電感應(yīng)破壞的概率為零。這是因為基站設(shè)備包括基站室外電力變壓器的位置普遍較低，完全處于建筑防雷設(shè)施或鐵塔以及架空線路避雷系統(tǒng)的保護之下，雷電流只能沿鐵塔避雷系統(tǒng)、架空線路避雷系統(tǒng)和建筑防雷等外圍的避雷系統(tǒng)泄放，所以基站設(shè)備很難遭到直擊雷損害。另外我們基站內(nèi)的設(shè)備

3、外殼、天饋線、走線架等金融物全部安裝了保護接地，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(yīng)也很難發(fā)揮作用。幾年來雷擊事故的主要現(xiàn)象為：基站B級防雷器保護空開動作，部分單相交流設(shè)備和直流設(shè)備損壞。我們從中不難看出地電壓反擊和雷電波侵入是造成基站設(shè)備損壞的主要原因。所以基站防雷系統(tǒng)應(yīng)以防止地電壓反擊和雷電波侵入為主要目標(biāo)。2 防止地電壓反擊是基站防雷接地的主要課題當(dāng)雷電流基站附近的避雷器對地泄放時，由于接地電阻的存在必然引起基站工作地的電位升高，基站直流負荷如BTS電源、開關(guān)電源的監(jiān)控單元、基站的動力環(huán)境監(jiān)控器等設(shè)備相對遠端地一般都存在寄生電容，這些設(shè)備一端接工作接地，無流的遠

4、端地與基站的工作接地間存在電位差，因而產(chǎn)生差模脈沖電壓。當(dāng)超過設(shè)備絕緣耐壓的容許限度時必然造成設(shè)備的損壞。基站的單相交流負荷如基站空調(diào)、照明等設(shè)備的零線接在變壓器的交流地上，當(dāng)雷電流沿基站附近的避雷器對地泄放時，變壓器的交流地和交流重復(fù)接地電位也會升高，因此基站的單相交流設(shè)備也同樣存在地電壓反擊的問題。我們把基站設(shè)備與接地有關(guān)的電路簡單等效為線路電阻、線路寄生電感(可忽略不計)、線路負載(如傳感器、BTS、空調(diào)、燈具等)、終端對遠端地寄生電容組成的串聯(lián)回路，如圖l。假設(shè)基站的沖擊接地電阻r為2歐姆，防雷器對地的泄放電流為2kA，這時基站的接地排的瞬間電壓為Ul* r4kV，可見負載兩端的瞬間浪

5、涌電壓可達4kv，如不采取措施，必然造成設(shè)備損壞。3 因地制宜消減反擊電壓那么怎樣才能避免地電壓反擊造成的損失呢?我們一般很自然會想到使用交流過壓保護器和直流浪涌抑制器，即在交流變壓器的低壓側(cè)、基站交流配電箱的地零間加裝交流過壓保護器；在直流負載的電源輸入端加裝浪涌抑制器。所有交流過壓保護器和直流浪涌抑制器必須靠近被保護的設(shè)備安裝，避免被保護設(shè)備由于接地或電源引線過長引起脈沖反射。除此之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(wǎng)上的引接點分開焊接，這樣可以大大降低基站工作接地母排的電壓浪涌幅值。眾所周知，雷電電流沿地網(wǎng)泄放時，在避雷器引下線與地網(wǎng)連接點附近土壤內(nèi)形成一個

6、強電位場，距離越近電壓越高。將基站工作接地與室外避雷器接地分開，可以大大降低基站的反擊電壓。所以YD5068-98移動通信基站防雷與設(shè)計規(guī)范明確指出：基站工作地與防雷地在基站聯(lián)合接地網(wǎng)上的引接點距離不應(yīng)小于5m，條件允許時宜間距l(xiāng)0-l5m。實際上除電力線路外，基站的鐵塔遭雷擊次數(shù)最多，與鐵塔共用接地網(wǎng)的基站經(jīng)常受到地電壓反擊的損害，如果鐵塔地網(wǎng)邊緣距離基站大于5m ，應(yīng)在基站附近另建環(huán)形工作接地網(wǎng)；條件差的基站可以沿鐵塔地網(wǎng)與基站工作接地引接線，補設(shè)接地樁；只能利用鐵塔地網(wǎng)的基站也應(yīng)把鐵塔避雷接地的引接點與工作接地的引接點分別在對角塔基上安裝。對于山項基站尤其應(yīng)注意將基站的工作接地與鐵塔避雷

7、接地及站基室外接地分開，因為山頂基站的接地電阻較大，接地引線較長，雷電流泄放相對緩慢，所以地電壓反擊比較嚴重。降低基站接地電阻也有利于防止地電壓反擊事故。接地電阻較大的山上基站，可利用塔基鋼筋、蓄水池、無爆炸和電擊危險的金屬管路等自然接地體，埋設(shè)地樁有困難的山上基站也可從塔基沿山體的自然溝塹，最好選擇陰暗潮濕的地方，制作橫向輻射接地網(wǎng)，輻射接地網(wǎng)長度應(yīng)小于30m，塔基四周輻射的橫向接地網(wǎng)越多也有利于雷電散流。4 適當(dāng)?shù)剡x用電源線路保護空開防止雷電波侵入避雷器的響應(yīng)特性有遠近軟硬之分：氣體放電管和火花間隙防雷器是基于斬弧技術(shù)的角形火花隙和同軸放電火花隙，當(dāng)線路電壓超過防雷器的擊穿電壓后，防雷器的

8、絕緣電阻立刻急劇下降，放電能力較強，殘壓相對較高，恢復(fù)電壓低于原來的擊穿電壓，屬于硬響應(yīng)特性；屬于軟響應(yīng)特性的壓敏電阻和浪涌抑制二極管，其特點是響應(yīng)時間短，放電電流小，殘壓低，而且恢復(fù)電壓基本不變。硬響應(yīng)特性的防雷器工頻后續(xù)電流和防雷器絕緣劣化可能造成線路短路，所以防雷器前面應(yīng)該配置過流保護空氣開關(guān)或熔絲。其額定電流應(yīng)小于防雷器的最大短路允許強度。如果主電路保護空開大于防雷器的最大保險絲強度，應(yīng)設(shè)避雷器分路保護空開。眾所周知，雷電波的脈沖寬度為納秒級，所以一般防雷器均以響應(yīng)時間達到納秒為標(biāo)準(zhǔn)。有人就把基站的防雷系統(tǒng)按照納秒級防雷時間進行設(shè)計，比如在C級防雷器上加裝了很小的保護空開如：20A或3

9、2A，認為這樣既防雷又安全。實際上在所有基站設(shè)備發(fā)生過壓損壞的雷擊事故中，防雷器保護空開動作占l00、防雷器正常占90以上，顯而易見，由于防雷器保護空開的斷路作用，防雷器并沒有完全起到泄放雷電、限制電壓的作用。這種事例卻從反面證實了應(yīng)該選用較小的設(shè)備的保護空開，并且把防雷器緊靠被保護設(shè)備安裝，使被保護設(shè)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中產(chǎn)生的地電壓反擊和雷電波侵入作用時間可能被延長至毫秒級甚至更長。我們把受地電壓反擊和雷電波侵入影響的基站設(shè)備簡單等效為寄生電感、回路電阻、對地電容組成的串聯(lián)的電路，如圖2。由于電感、電容的儲能作用，即使不發(fā)生震蕩，高壓脈沖在衰減過程中其存在

10、時間也會被大大延滯，另外雷擊經(jīng)常造成電網(wǎng)操作過電壓的持續(xù)時間更長，所以我們在選用防雷器和設(shè)備的保護空開時，應(yīng)根據(jù)防雷器的最大允許熔絲電流和線路的進線容許短路電流以及設(shè)備的負荷電流綜合考慮。5 實現(xiàn)分級防雷防雷器的殘壓是保護基站設(shè)備的最重要參數(shù)，一般來講，泄流能力強的防雷器，響應(yīng)時間長，殘壓高。世界上沒有任何一種防雷器能滿足所有混合雷電沖擊波、殘壓以及響應(yīng)時間指標(biāo)要求，所以應(yīng)根據(jù)表l中基站電源設(shè)備的絕緣等級劃分防雷層次，實現(xiàn)多級防護，對雷電能量逐級減弱，使各級防雷器殘壓相互配合，最終使過電壓值限制在設(shè)備絕緣強度之內(nèi)。另外多級防護對于某一級防雷器失效、防雷器的殘壓不配合設(shè)備絕緣強度等也是必須的。我

11、們認為應(yīng)該結(jié)合YD5078-98通信工程電源系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)定和基站的實際情況，從交流電力網(wǎng)高壓線路開始，根據(jù)基站主要電源配套設(shè)備的耐雷電沖擊指標(biāo)和防雷器殘壓要求，采取分級協(xié)調(diào)的防護措施，進行基站的防雷系統(tǒng)設(shè)計。避雷器的直流1mAA參考電壓是我們選擇避雷器的絕緣要求，選用時應(yīng)考慮電網(wǎng)的電壓波動上限值和操作過電壓遠小于直流lmA參考電壓，具體基站主要配置設(shè)備的耐雷電沖指標(biāo)和防雷器殘壓要求如表1：實現(xiàn)各級防雷器的能量分配與電壓配合的要點在于利用兩級防雷器之間線纜本身的感抗。電纜本身的感抗有一定的阻礙電流及分壓作用，使雷電流更多地被分配到前級泄放。當(dāng)保護地線與其它線纜緊貼敷設(shè)或處于同一條電纜之內(nèi)時，要

12、求兩級防雷器之間線纜長度在15m左右，當(dāng)防雷器接地線與被保護電纜有一定距離(1m)，這時要求線纜長度大于5m即可。在一些不適合采用線纜本身作退耦措施的，如兩級防雷器靠近或線纜長度較短時，可利用專門的退耦器件，這時無距離要求。當(dāng)電力變壓器設(shè)在站內(nèi)時，在變壓器的高壓側(cè)和低壓側(cè)三相線應(yīng)分別對地加裝無間隙氧化鋅避雷器，作為供電線路的A級和B級過電壓保護。當(dāng)220380V低壓供電線路直接進入基站時，應(yīng)首先進入一樓進行B級過電壓保護。在一樓設(shè)置B級過電壓保護有困難時，應(yīng)在機房所在樓層配電箱處設(shè)置B級過電壓保護，此時須保證B級與C級電源避雷器之間的供電線路有l(wèi) 5米以上距離，以確保B級避雷器的正常響應(yīng)。如果

13、距離太近，勢必造成C級防雷器響應(yīng)超前于B級防雷器，B級防雷器沒動作，C級防雷器可能被燒毀?；镜慕涣鞣€(wěn)壓器應(yīng)該安裝在B級防雷器的后面，C級防雷器的前面。市電進入基站機房后，應(yīng)在機房內(nèi)配電箱的輸出端加裝相應(yīng)的c級電源避雷器，C級電源避雷器技術(shù)參數(shù)如下：雷電通流量2kA響應(yīng)時間25ns殘壓峰值13kV(標(biāo)稱放電電流為15kA等級)為了進一步防止雷電過電壓的危害及當(dāng)供電線路發(fā)生故障時造成的危害過電壓，尚需在開關(guān)電源等交流負荷電源進線端的空開后加裝D級防雷器，在直流配電屏的輸出端上安裝浪涌吸收裝置(直流避雷器)，作為電源線路的E級過電壓保護，并在直流負荷設(shè)備的電源入口處安裝浪涌吸收裝置。對于雷害嚴重的

14、地區(qū)或有雷害史的移動通信基站可考慮加裝一級交流電源避雷器，確保供電線路的防雷安全。交流配電箱、開關(guān)電源等所有符合設(shè)備的內(nèi)部防雷器接地端子應(yīng)與機殼就近連接。如果負荷設(shè)備的內(nèi)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(shè)備的內(nèi)部防雷器則可采用串聯(lián)型避雷器。6 31十1，防雷器更適合于基站電源系統(tǒng)防雷器連接形式與基站低壓供電系統(tǒng)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論是自建變壓器還是轉(zhuǎn)供電都屬于TT系統(tǒng)，過去我們通常使用4l防雷器，即四只相同的防雷器分別接在相線和中性線上，如圖3。盡管這種防雷器具有較強的放電能力，但是超載并不能完全排除，其后果是產(chǎn)生L-PE間的漏電流，另外設(shè)備或線路的絕緣故障也同樣產(chǎn)生L-PE間的漏電流。由于TT系統(tǒng)的接地電阻較大，漏電流不能很快使線路保險熔絲或空開斷開，共用基站接地排的設(shè)備外殼可能帶電，危及人身和設(shè)備安全。排除這個隱患的最佳辦法就是使用3十l方案。首先在相線和中性線分別接入三個與前面相同的防雷器，在地和中性線防雷器之間接入一個總和電流防雷器，如圖4。當(dāng)相零間防雷器出現(xiàn)