移动通信基站综合防雷设计方案

移动通信基站综合防雷设计方案摘 要移动通信基站是电源系统、接收/发射系统、天馈线系统以及中继传输系统等构成的一个综合系统。为了提高基站的防雷能力，防止移动通信基站遭受雷击，确保移动通信基站内设备的安全和正常工作，确保建筑物、站内人员的安全，根据建筑物防雷设计规范和通信行业标准微波站防雷与接地设计规范对移动通信基站进行综合防雷设计。该设计针对移动通信基站的特点，从控制雷击点、安全引导雷电流入地网、加设完善的低阻抗地网、进行等电位连接、避免地电位反击、防护电源浪涌冲击、防护通信线及信号线的浪涌冲击等方面进行了综合防护，并在基本方案的基础上根据不同基站的差异性通过技术、经济分析而得到实际可行的解决方案，可适用于不同环境下的通信基站，对工程实际有一定的参考价值。关键词：移动通信基站；综合防雷；联合接地The Design of Comprehensive Thunder Prevention to the Mobile Base StationsAbstractMobile Base Station is an integrated system of the power system, antenna and feed wire system and the receiving / delivery system and so on. In order to enhance the capability to prevent the damage caused by thunder to the mobile base station, and to ensure the equipment within it safety and normal working, and also to ensure the security of the buildings and the staff of the station, this article introduces the design of comprehensive thunder prevention based on Code for Design of Lightning Protection of Buildings and Specifications on Lightning Protection and grounding Design for Mobile Communication Base Stations. According to the feature of the Mobile Base Station, this design carries on a comprehensive prevention for it including grounding equipment, the connection of equal electric potential, direct thunder protection system, induction thunder protection system and so on. On the basis of the basic program, through the analysis of the technical and Economic factors, according to the differences of the stations, this article gets a practical solutions which can be applicable to the different environment .this design has some reference value to the actual project.Key words: Mobile Base Stations; Comprehensive Thunder Prevention; Joint Grounding目录论文总页数：30页1引言11.1课题背景11.2选题意义11.3设计思想11.3.1通信基站的特点11.3.2基站综合防雷设计思想11.4设计方案22雷电基本理论与避雷原理22.1雷电基本理论22.1.1雷击22.1.2雷电的电流参数22.2避雷器原理与要求32.2.1避雷器保护原理32.2.2对避雷器的基本要求33直击雷防护设计43.1接闪器原理43.2避雷针保护范围计算63.3直击雷防护检测73.4避雷针选择74防感应雷和防雷电波入侵94.1电源系统防护94.1.1第一级保护94.1.2第二级保护104.1.3第三级保护104.2天馈系统防雷114.2.1天馈系统防雷设计114.2.2SPD选择134.3信号系统防雷135联合接地135.1接地的目的135.2地网的组成135.3接地体155.4接地线与接地引下线155.5接地汇集线165.6接地电阻165.7接地体布置165.8移动基站接地网接地电阻值的测量175.9充分理解基站，因地制宜实施防雷接地工程185.9.1铁塔建在建筑物顶部195.9.2独立铁塔215.9.3没有设铁塔的移动基站225.10困难地网的改造22结论23参考文献23致谢24声明251 引言1.1 课题背景随着基站容量的不断增大，基站防雷的重要性日益增强。根据中国移动通信集团公司对移动通信基站雷击事故进行的统计，各省每年都会发生多起基站雷击事故，如某省在1992年1997年共发生了40起雷击事故，给设备的正常运行造成了影响，也给运营商造成了不同程度的损失。1.2 选题意义为了提高基站的防雷能力，防止移动通信基站遭受雷害，确保移动通信基站内设备的安全和正常工作，确保建筑物，站内人员的安全，应对每个基站实施综合防雷工程。无论对设备制造商还是设备运营商来说都具有重要意义。1.3 设计思想1.3.1 通信基站的特点移动通信基站通常具有以下几个特点：地理位置：在城区通常设在高大建筑物的较高楼层上，在郊区和乡村经常设在开阔地带或山区。机房条件：无论是在城区还是在乡村，大量建在非专用通信建筑内，这些建筑往往不具备符合要求的防雷实施（包括外部防雷装置、内部防雷装置和地网等）。此外，机房面积一般都很小，不便于多级防雷方案的实施。交流电源：特别是在乡村和山区，机房的交流供电通常是由户外架空引入。通信信号：基站设备的通信线路通常也是由户外架空引入。1.3.2 基站综合防雷设计思想移动通信基站是由电源系统，接收发射系统，天线馈线系统以及中继传输系统等构成的一个综合系统，防雷的目的是保证各系统都能正常工作，不受雷电的干扰和破坏。防雷最终是通过等电位连接实现的，等电位连接的位置选择在不同防雷区的界面上，而雷击的能量通过接地系统引入大地。不同防雷区之间的电磁强度不同，除直击区外内部防雷区因电磁衰减而与外部防雷区的雷击电磁强度不一样。因此，采取适当的屏蔽措施，在一定程度上可以防止雷电电磁脉冲的进入。那么，穿越防雷区界面的线路变成了雷电侵入的主要通道。做好穿越防雷区界面线路的防雷工作，无疑是整体防雷的重点。除了线路入侵和电磁感应之外，雷电电磁脉冲进入内部防雷区的渠道还有接地系统。当雷击发生在地网附近时，雷电流通过接地线入地，地网瞬间的高电位可能通过接地线反击设备而造成破坏。由此可以得出，综合防雷不仅仅包括避雷针和避雷器，还包括屏蔽与接地等其他有助于将雷电流安全合理地下泄到大地的措施。综合防雷是分流、均压、接地和屏蔽四项技术的综合。而有的基站为非标准机房，只是租借的普通建筑物，屏蔽和接地措施无法达到要求，再整改加强屏蔽不大现实。这时，只有从合理安装避雷器，改善接地系统等角度入手来解决雷击电磁脉冲问题。依照全面防护，综合治理的原则，探索出基站整体防雷的六点解决方案。控制雷击点；安全引导雷电流入地网；加设完善的低阻抗地网；进行等电位连接，避免地电位反击；防护电源浪涌冲击；防护数据线、通信线及信号线的浪涌冲击；1.4 设计方案每个基站的铁塔顶部安装一台优化避雷器，保护通信天线和机房外部设施。每根天馈线在机房入口处，安装天馈避雷器，保护收/发机的天馈线接口。220/380V供电线路应从地下敷设进入基站，进站后应安装2-3级电源雷电过电压保护装置电源避雷器，保护供电线路的雷电安全，直流电源安装一级低压电源避雷器。信号电缆应由地下进出移动通信基站，电缆内芯线在进站处应加装信号避雷器。移动通信基站应按均压、等电位的原理，将工作地、保护地和防雷地组成一个联合接地网。站内各类接地线应从接地汇集线或地网上分别引入。中光公司的非金属接地模块，在地电阻率较高难以达到接地电阻要求的基站，用来改造地网效果较好。2 雷电基本理论与避雷原理2.1 雷电基本理论2.1.1 雷击通常所谓雷击是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者是带电的云层与大地之间的迅猛的放电。通常雷击有三种形式：其一是直击雷，是指带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。其二是感应雷，是带电云层由于静电感应作用，使地面某一范围内带上异种电荷。当直击雷发生以后，云层带电迅速消失，而地面上某些范围由于散流电阻大，以致出现局部高电压，或者由于直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压以致发生闪击的现象。其三是球形雷，在雷电频繁的雷雨天，偶然会发现紫色，红色，灰红色，蓝色的“火球”。这些火球有时从天空降落，然后又在空中或沿地面水平方向移动，有时平移有时滚动。这种火球能通过烟囱，开着的窗户，门和其它缝隙进入室内，或者无声地消失，或者发出丝丝的声音，或者发生剧烈的爆炸。球形雷发生的机会很少，存在时间又十分短暂，所以对它的研究十分困难，它的成因目前为止并没有完满的解释。2.1.2 雷电的电流参数雷电流幅值：雷云的放电过程中数值是变化的，在雷电先导中雷电流很小，到主放电阶段雷电流急剧升高，达到最大值，称为雷电流幅值，用I表示，单位为kA，以后逐渐减少，到余辉放电阶段雷电流仅为1001000A。大量统计得知，幅值超过20kA的雷电流出现的概率为65%，而超过120kA的概率只有7%，所以很高的雷电流只有在特别重要的电气设备或建筑物的防雷设计中才需要考虑，一般防雷设计中雷电流的最大幅值取150kA。雷电流陡度：雷电流陡度为，为雷电流变化的速度，即didt，为雷电流对时间的微分，因此雷电流陡度也是随时间而变化的。在主放电阶段，雷电流陡度的数值增加很快，以后就逐惭减小，当雷电流到达幅值时，雷电流陡度为零，在波尾它就变为负了。因此，雷电流幅值与雷电流最大陡度不在同一时间出现，但雷电流愈大，则雷电流陡度越大。雷云的电位可达10100MV，它造成的雷云内部平均电场为10KVm。当雷云接近地面局部场强达103KVcm时，就会使空气游离而放电。雷电波阻抗：在计算雷击点的电位时，往往引用雷道波阻抗的概念。即把直击雷的作用以某一沿着一条阻抗等于雷道波阻抗Z0的线路波动的电压波，投射到闪击对象上的作用来代替。在作防雷计算时，一般取雷道波阻抗Z0300。2.2 避雷器原理与要求2.2.1 避雷器保护原理各种电气设备的绝缘都是按一定的耐受电压水平来设计的，为了设备的安全，需要对超过耐受度的过电压加以抑制，将过电压降低到绝缘耐受压范围以内，这种过电压抑制装置通常是避雷器。避雷器的保护动作特性是通过其动作电压体现出来的，当避雷器两端电压低于动作电压时，避雷器呈现近似开路，当避雷器两端电压达到和超过动作电压时，它将导通，对过电压实施抑制。避雷器设置在被保护设备附近，安装在相导线与地之间，与被保护设备并联，如图1所示。在系统正常运行情况下，作用于避雷器两端的电压为系统的相对地工作电压，低于动作电压，避雷器处于开路状态，此时避雷器的存在不会影响到系统的正常运行。如果雷电过电压波沿线路侵入电气设备，则作用在避雷器两端的电压会明显高于动作电压，使避雷器导通，通过很大的冲击电流，向大地泄放雷电过电压的能量，并将雷电过电压降低到被保护设备绝缘可以耐受的限度内。电力系统中采用的避雷器主要有阀式避雷器，氧化锌避雷器，保护间隙和管型避雷器，其中有些避雷器还被用于抑制系统操作过电压。图1避雷器保护电器设备示意图2.2.2 对避雷器的基本要求避雷器并联与被保护设备附近，为了使设备能够得到可靠保护，它应满足以下技术要求:1）电气设备冲击绝缘强度是以伏秒特性，即击穿电压值与击穿放电延时之间的关系特性来表示的。当受到雷电过电压作用时，与被保护设备并联的避雷器应能率先动作限压，保护设备的安全，这一要求可以通过避雷器与设备之间的伏秒特性配合来满足。实际上，由于击穿过程的随机性，击穿电压具有明显的分散性，实测的伏秒特性是一条曲线带，有一个下限边界和一个上限边界，如图2所示，要实现较为理想的配合，避雷器伏秒特性带（2）的上限边界应低于被保护设备伏秒特性带（1）的下限边界，而其下限边界应高于系统最高运行电压（3）。图2伏秒特性的配合2）避雷器应具有较强的绝缘强度自恢复能力在雷电过电压作用下，避雷器开始动作导通后，就形成了相导线对地的近似短路。由于雷电过电压持续时间很短，当避雷器两端的过电压消失后，系统正常运行电压又继续作用在避雷器两端，在这一正常运行电压作用下，处于导通状态的避雷器中继续流过工频接地电流，该电流称为工频续流。工频续流的存在一方面使相导线对地的短路状态继续维持，系统无法恢复正常运行，另一方面也会使避雷器自身受到损坏。为此，避雷器应具备较强的绝缘强度自恢复能力，应能在雷电过电压消失后工频续流的第一次过零时自行切断工频续流，系统将恢复正常的运行。3 直击雷防护设计3.1 接闪器原理到目前为止防避直击雷都是采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网作为接闪器，把雷电流收下来，然后通过良好的接地装置迅速而安全地把它送回大地。当高空中出现雷云的时候，大地上由于静电感应作用，必然带上与雷云相反的电荷，然而接闪器都处于地面上建筑物的最高处，与雷云的距离最近，以致接闪设备附近空间电场强度相对比较大，比较容易吸引雷电先驱，使主放电集中在它上面，因而在它附近尤其是比它低的物体受雷击的几率就大大减少。由于接闪器都与大地有良好的电气连接，使大地积存的电荷能量迅速与雷云的电荷中和。这样由雷击而造成的过电压的时间大大的缩短，雷击危害性就大大减少。雷击的时候，雷云通过接闪器向大地放电的过程，可以近似用RC放电过程来模拟。因为大地与雷云之间相当于一个充了电的电容器，如图3所示。图3 雷击时雷云与大地的示意图iRUc0RR1R2其中R1：雷云内部和雷电通道的电阻；R2：接闪器和它与大地之间的连接电阻。又因 解此微分方程得： UcA图4雷击时的电气原理由上式可以看出，当t0时，AUc为最大值，所以A就是刚刚发生闪击那一瞬间接闪器对大地的电压，也就是雷云对大地的电压。并且R越小，Uc衰减的越快，表示雷击时散流得越快。雷云时电源的电阻包括主放电通道的电阻，大约几千，如果我们把带电的雷云当作电源，接闪器到大地看作是负载。那么，放电的时候就相当地一个有几千内阻的电源，与一个仅有几接地电阻和少许引线的阻抗的负载连接，这电源一般为几百V到几千万V，甚至更高。雷击时接闪器对大地的电压就是雷云的电压，在雷云内阻（包括通道电阻）与接地电阻（包括引线电阻）间分压，其分压值越小，相对来讲就越安全。所以理论上要求避雷装置接地电阻越小越好，但是如果要求做到接地电阻很小，势必造价很高。工程上往往只要求做到足够安全范围即可。3.2 避雷针保护范围计算我国建筑防雷规范GB 5005794中规定采用“滚球法”作接闪器保护范围的计算。所谓“滚球法”是指某一定半径的球体，在装有接闪器的建筑物上滚过，滚球被建筑物上所装的接闪器撑起，这时球体的弧与建筑物之间的范围，便是该接闪器避雷范围。接我国规范规定，根据建筑物被雷击后引起后果的严重程度，把建筑物分为三大类型，分别选择从3060m不同的滚球予以计算。如图5为单支避雷针的保护范围图。图5单支避雷针保护范围由图5可确定单支避雷针的保护范围1. 当避雷针高度hhr时：（hr为滚球半径）（1） 距地面hr处作一平行于地面的平行线；（2） 以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线于A、B两点；（3） 分别以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切。从此弧线起到地面上就是保护范围。保护范围是一个对称的锥体；（4） 避雷针在hr高度的xx平面上的保护半径，按下列方法确定；图6单支避雷针rx与hr，hx的关系图：图6单支避雷针rx与hr，hx的关系图可按上面的要求画出与hr，hx，h之间的关系，如图6所示。图中由RtBOP知：由RtQCB知： 其中：为避雷针在hx高度的xx平面上的保护半径，m； hr为滚球半径，m； hx为被保护物的高度，m。2.当hhr时，在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针针尖作为圆心。其余作法同上。3.3 直击雷防护检测建在城市市区的基站遵照三类建筑物的直击防护标准，建在旷野或高山上的基站，按二类防雷建筑物直击雷防护标准。根据通信基站的特点，初步对通信基站的直击雷防护提出以下要求：根据YD5068-98移动通信基站防雷与接地设计规范中32和43条中规定可知塔顶应安装避雷针，发射天线、航空标志灯等设施都应在其保护范围之内，金属塔体可作为引下线。如另外加设引下线应采用不小于40mm4mm的镀锌或50mm的铜铰线。铁塔的四脚均应与地连接。建筑物天面上的通讯塔应至少有相对称的两点与建筑物的避雷带连接。3.4 避雷针选择使用传统的金属避雷针、避雷带对一般建筑物和建筑物内的人能够起到保护作用，其机理是“引雷入地”，即首先是引雷，代替被保护对象承受雷击，然后将雷电流引导入地。因此避雷针的实质是“引雷针”，同时，在引雷入地的过程中，由于未对雷电流进行大幅度的衰减，使得强大的雷电流在s 级的瞬间迅速通过避雷针及其引下线，这样势必在其周围产生强大的感应电磁场(脉冲)，感应电磁脉冲通过空间传播或与传输线耦合引入破坏电子设备，这就是感应雷和雷电入侵波。另外，在引下线入地处，未经衰减的雷电流会抬升地电位，并通过接地线对设备造成反击。可以说，造成电子设备雷击损坏原因，绝大部份是感应雷、雷电入侵波和地电位反击(统称二次雷击效应)，而普通的避雷针不仅不能避免这些二次雷击效应，反而促使其发生。富兰克林避雷针也就是传统避雷针，它在接闪后，其引下线的雷电流大，雷电脉冲的前沿陡度高，它的二次雷击效应严重，地电位高，会对现代信息系统电子设备产生较为严重的破坏和影响，随着社会的发展，信息时代的到来和实践的不断深化，它的局限性也越显露了出来。如果要保护的对象是电子设备，使用普通避雷针防直击雷是危险的。为克服传统避雷针的缺陷，应采用能削弱感应雷的优化避雷针作为防直击雷装置。优化避雷针的优点是：能够在保持传统避雷针“引雷入地”机理的同时，通过阻抗限流和箝位分流装置，将雷电流的幅度大大减小，将雷电波波形展宽至几百ms，使雷电流缓慢入地。这样，不仅能够有效地防御直击雷而且能够有效地抑制感应雷和地电位反击的产生，这对于保护区域内电子设备大量集中使用的情况是非常有效的。出于上述原因的考虑，在基站的通信铁塔的顶端安装既能防止直击雷又能抑制二次雷击效应的优化避雷针，作为防直击雷的接闪器。优化避雷针的保护半径按GB50057-94所附滚球法计算确定。中光优化避雷针采用气隙箝位、阻抗限流等综合技术，明显地改变了雷电流的放电过程。雷电波形展宽、波头平缓、幅值降低，其衰减倍率K33，从而有效地抑制、削弱地电位反击和二次雷击效应造成的危害，克服了传统避雷针的局限性和主要弊病。该产品的特点：具有传统避雷针的承接雷电和疏导入地的特长，又能使入地雷电流的幅度和波头陡度同时降低，使雷击危害减到最小。产品的雷电通流大，衰减倍率高，造型美观，具有装饰性。移动基站用它来保护通信天线，作为直击雷防护的接闪器是较为理想的产品。图7避雷针保护示意图通信铁塔的高度一般在3050m之间，一般情况下优化避雷针的型号可选用ZGU-A2型优化避雷针作为防直击雷的接闪器。ZGU-A2主要参数和性能如下：雷电通流量200KA；陡度衰减倍率33；幅值衰减80%；电阻5；高度3m；重量42kg；抗风强度40m/s；安装尺寸2600.5/6-17。适用于雷击活动较为频繁的大中型台站的直击雷防护。在一些雷击活动特别频繁、雷击强度较大的基站，通信铁塔的顶端可采用ZGU-A3型优化避雷针作为防直击雷的接闪器。ZGU-A3主要参数和性能如下：雷电通流量300KA；陡度衰减倍率33；幅值衰减80%；电阻5；高度3m；重量45kg；抗风强度40m/s；安装尺寸2600.5/6-17。适用于雷击活动特别频繁、雷击强度较大的大中型台站的直击雷防护。在一些偶然发生雷击的通信站可使用ZGU-A1型优化避雷针作为防直击雷的接闪器。ZGU-A1主要参数和性能如下：雷电通流量100KA；陡度衰减倍率33；幅值衰减80%；电阻5；高度3m；重量42kg；抗风强度40m/s；安装尺寸2600.5/6-17。适用于雷击活动较少的大中型台站的直击雷防护。4 防感应雷和防雷电波入侵当建筑物防雷装置落雷后，强大的雷击电流在入地的过程中，由于雷电流陡度的作用，在雷电流通道周围的金属体内产生大的感应脉冲过电压。当建筑物附近落雷或云中放电时的电磁感应和雷电电磁脉冲的辐射作用，在建筑物的金属部件和内部的各种管线等部位感应出强大的感应脉冲过电压，这即是感应雷的危害，感应雷的概率比直击雷大的多，而且作用范围大。感应雷的幅值与雷击点距离成反比，与雷电流的幅值和陡度成正比。因此雷击点附近，雷电流的陡度越大，感应脉冲过电压就越大，也就越危险。对电子设备的破坏性也就越大。感应雷和雷电入侵波是造成电子设备损坏的主要原因。除了附近发生雷击时，感应电磁脉冲可通过传输线形成入侵波，同样的道理，即使在远处发生雷击，只要传输线通过那个区域，一样可以引入感应雷电波，因此，传输线涉及的范围越广，进雷的几率就越高。要解决传输线的引雷问题，除了防直击雷、防感应雷外，还需要在暴露于室外的以及长距离敷设的各种传输线(光纤除外)上安装相应的电子避雷器，来对侵入到传输线内部的感应雷电波进行抑制和泄放，以确保设备的安全。4.1 电源系统防护在各种各样的传输线中，电源线是分布最广的传输线，也就意味着受雷电感应的几率最高，最易引入感应雷。事实也证明6080 的感应雷和雷电入侵波来自于电力传输线。根据IEC防雷的有关规定，对雷电入侵波应分区域进行防护，在每个区域的界面上采取相应的措施，逐级对雷电流进行泄放，直到将感应过电压降到设备可以承受的水平。因此，电源系统的防雷应采取多重保护、层层设防的原则，根据设备的重要程度和地理位置进行有重点，有层次的保护。一般来讲，电源系统应采取三到四级保护。4.1.1 第一级保护外接供电线路入总配电柜前安装大通流量的电源避雷器，作为电源系统的第一级保护，以泄放掉来自外界电力传输线的雷电入侵波的大部分能量。在雷击活动严重的地区总电源避雷器可选用ZGB153B4-100型用户总电源避雷器。ZGB153B4-100的主要参数及性能如下：工作电压AC380V/420V；雷电通流量(8/20s)100KA；响应时间25ns；压敏电压1500V；限制电压(8/20s)3KV；接线柱形式连接；外型尺寸43324590mm；安装尺寸380195；重量5.6kg；有劣化指示和雷击计数；劣化后自动脱离。适用于综合系统大中型台站的三相电源一级保护。在一般情况下，总电源避雷器可选用ZGB153B2-1型用户总电源避雷器。ZGB153B2-1的主要参数及性能如下：工作电压AC380V/420V；雷电通流量(8/20s)60KA；响应时间25ns；压敏电压910V；限制电压(8/20s)2KV；接线柱形式连接；外型尺寸360218100mm；安装尺寸305168；重量4.2kg；有劣化指示和雷击计数；劣化后自动脱离。适用于综合系统大中型台站的三相电源一级保护。在雷击活动较少的地区，总电源避雷器可选用ZGB153B0-1型用户总电源避雷器。ZGB153B0-1的主要参数及性能如下：工作电压AC380V/420V；雷电通流量(8/20s)60KA；响应时间25ns；压敏电压680V；限制电压(8/20s)1.5KV；接线柱形式连接；外型尺寸360218100mm；安装尺寸305168；重量4.2kg；有劣化指示和雷击计数；劣化后自动脱离。适用于综合系统大中型台站的三相电源一级保护。4.1.2 第二级保护在设备集中的楼层的分配电柜或房间的进户电源处安装用户分电源避雷器，作为电源系统的第二级保护，进一步限制雷电过电压的幅值。用户分电源避雷器可选用ZGB149B-20或ZGB148B-20，ZGB149B-20主要参数及性能如下：工作电压AC380V/420V；通流容量(8/20s)20KA；响应时间25ns；压敏电压680V；限制电压(8/20s)1.5KV；接线端形式连接；外型尺寸16514593mm；安装尺寸115100；有劣化指示和雷击计数；劣化后自动脱离。适用于进户三相电源的二级保护。ZGB148B-20的主要参数及性能如下：工作电压AC220V/240V；通流容量(8/20s)20KA；响应时间25ns；压敏电压560V；限制电压(8/20s)1.2KV；接线端形式连接；外型尺寸16514593mm；安装尺寸115100；有劣化指示和雷击计数；劣化后自动脱离。适用于进户单相电源的二级保护。在雷击活动较少的地区，第二级保护可选用ZGB149A或ZGB148A，ZGB149A主要参数及性能如下：工作电压AC380V/420V；通流容量(8/20s)20KA；响应时间25ns；压敏电压680V；限制电压(8/20s)1.5KV；接线柱形式连接；外型尺寸25016080mm；安装尺寸200；重量2.5kg；有劣化指示。适用于进户三相电源的二级保护。ZGB148A的主要参数及性能如下：工作电压AC220V/240V；通流容量(8/20s)20KA；响应时间25ns；压敏电压560V；限制电压(8/20s)1.2KV；接线柱形式连接；外型尺寸25016080mm；安装尺寸200；重量2.2kg；有劣化指示。适用于进户三相电源的二级保护。4.1.3 第三级保护在直流用电设备的直流电源处安装直流电源避雷器，作为电源系统的第三级保护，进一步对雷电入侵波的涌浪进行抑制，以确保耐压水平较低的直流用电设备的安全。直流电源避雷器可选用ZGB170-6，主要参数和性能如下：图7工作电压DC48V；通流容量(8/20s)5KA；响应时间25ns；压敏电压100V；限制电压(8/20s)0.35KV；端子板形式连接；外型尺寸1256550mm；重量0.4kg；有劣化指示。适用于直流供电设备的三级保护。图8 电源系统防雷示意图4.2 天馈系统防雷天馈线系统是通信基站的重要组成部分之一。天线起着将馈线中传输的电磁波转换为自由空间传播的电磁波，或将自由空间传播的电磁波转换为馈线中传输的电磁波的作用。而馈线则是电磁波的传输通道。在多波道共用天馈线系统的通信基站电路中。由于移动通信基站的天馈部分安装在通信铁塔上，相对周围环境而言，形成十分突出的目标，从而导致雷击概率增多，移动通信基站常常遭受雷害，导致通信设备损坏、系统瘫痪。4.2.1 天馈系统防雷设计为防止基站铁塔或天线受雷击在馈线上感应出很高的雷电过电压沿馈线窜入机房，在馈线进入机房前，必须增加C点接地（如图9所示），且要求接地线在机房外直接与机房地网就近可靠接地，这样一方面可将直击雷通过馈线引入机房的可能性降低，另一方面还可降低进入机房馈线电缆屏蔽层的电位，缓解后级的压力。图9 馈线的外屏蔽层在机房外接地馈线进入机房后，进入收发信机前，应接馈线用SPD，从而实现对收发信机和馈线的瞬态等电位连接，保护收发信机的馈线口免遭雷击损坏。并且要求该SPD的接地线应直接接在收发信机的接地排上（如图10）。传统的做法是将馈线用SPD的接地线接到机房外的地排上（图11），此法本意是想更好地保护设备，但其效果恰恰相反，使保护的有效性降低。图10 SPD安装后的残压示意图当有雷电流时，其中：U1为SPD自身的残压；U2为从SPD到机房外地排之间的残压；U3为从机房外地排到地网之间连线的残压。这时，加在被保护设备的上残压为UU1U2U3为了减小加在被保护设备的上的残压，我们可以采取下图所示的办法，即将馈线用SPD靠近设备安装，并将SPD的接地线就近接在设备的地排上。图11减少残压后的示意图此时加在被保护设备上的残压为：UU1U2当有雷电流（820s）时，在导线上产生的电压降可按下式计算：VLhdidtIR假如引线长1米，入侵的雷电流为10KA（820s），则每米导线上的电压降为：V11.44（H）10（KA）8（s）IR11.44（H）10（KA）8（s）1.8（KV）一般接在机房外接地汇流排上的SPD的接地线及接地引下线的长度在十米以上，则对设备残压高达约18KV；而接在设备地排上的SPD的接地线长度一般在1米以内，则对设备残压小于1.8KV，仅为原来的十分之一，可有效增强对设备的保护效果。4.2.2 SPD选择中光天馈避雷器采用“波道分流技术”，用集中或分布参数元件构成的高低通滤波器组合网络，能将雷电冲击波和有用的通信信号截然分开。改变了传统的空气隙、气放管、氧化锌压敏电阻及它们的组合避雷器的响应时间长，通流量低，噪声干扰大的局限性。天馈系列产品的特点；工作频率范围宽；防雷响应时间短；产品品种规格多；承受信号功率强；雷电通流容量大；应用范围广；驻波损耗小；输出保护电压低；性能稳定寿命长；安装方便。具体型号可选用ZGB040B5型天馈避雷器。ZGB040B5的主要参数及性能如下：特性阻抗50；工作频率850960MHz；平均功率150W；驻波系数1.12；插入损耗0.2dB；雷电通流量(8/20s)8KA；限制电压(1kV/s)500V；N或L16(K/J)形式连接；外形尺寸24013425；重量450g。适用于移动通信基站。为了减少铁塔避雷针接闪雷电时强大的雷电流对天馈线路的影响，天馈线不应与避雷针雷电流专用引下线并行引下，而应从铁塔中心部位引下。4.3 信号系统防雷进入基站的线缆，除了天馈线外，有时还有少量的信号线，如音频线、远端监控用的信号线等，这些信号线防雷往往易被忽视或者防雷措施不力，YD506898中指出：“信号电缆应由地下进入移动通信基站，电缆内芯线在进站处应加装相应的信号避雷器，避雷器和电缆内的空线均应做接地保护。站区内严禁布放架空缆线。”根据实地考察的情况，信号系统大多是由电源系统进雷后间接受影响损坏的，但也有可能是信号线受感应引入的过电压损坏接口。鉴于这种情况可在DDF的2M信号线的入口处安装ZGB235J-6型信号避雷器，以防止数字复用设备的损坏。ZGB235J-6的主要参数和性能如下：接线端子接口；工作电压6V；冲击防护电压1KV/s600V；传输速率2Mbps；驻波系数1.2；插入损耗0.5dB；限制电压(10/700s)20V；雷电通流量(8/20s)3KA；外形尺寸802525mm；重量65g，适用于RS422/485、PCM、ETHERNET、10BASET防雷。5 联合接地在整个防雷系统中接地系统是一个基本前提，只有具备了良好的接地系统，防雷设备才能真正发挥作用。所以，接地系统的建设是所有防雷工作的基础。5.1 接地的目的1) 接地是为了防止电磁干扰起屏蔽作用；2) 接地是为了泄放过电压以保护设备和人身安全；3) 接地是为了起着工作回路的作用；4) 接地是为了给通信设备提供零电位参考点。5) 在受到雷击时以供大电流泄放入地，以保护设备和人身安全。5.2 地网的组成根据移动通信基站防雷与接地设计规范YD5068-98中4.1规定：1）移动通信基站应按均压、等电位的原理，将工作地、保护地和防雷地组成一个联合接地网。站内各类接地线应从接地汇集线或接地网上分别引入。2）移动通信基站地网由机房地网、铁塔地网和变压器地网组成，地网的组成如图12所示。基站地网应充分利用机房建筑物的基础（含地桩）、铁塔基础内的主钢筋和地下其他金属设施作为接地体的一部分。当铁塔设在机房房顶，电力变压器设在机房楼内时，其地网可合用机房地网。图12移动通信基站地网示意图3）机房地网组成：机房地网应沿机房建筑物散水点外设环形接地装置，同时还应利用机房建筑物基础横竖梁内两根以上主钢筋共同组成机房地网。当机房建筑物基础有地桩时，应将地桩内两根以上主钢筋与机房地网焊接连通。当机房设有防静电地板时，应在地板下围绕机房敷设闭合环形接地线，作为地板金属支架的接地引线排，其材料为铜导线，截面积应不小于50mm2，并从接地汇集线上引出不少于二根截面积为5075mm2的铜质接地线与引线排的南、北或东、西侧连通。4）对于利用商品房作机房的移动通信基站，应尽量找出建筑防雷接地网或其他专用地网，并就近再设一组地网，三者相互在地下焊接连通，有困难时也可在地面上可见部分焊接成一体作为机房地网。找不到原有地网时，应因地制宜就近设一组地网作为机房工作地、保护地和铁塔防雷地。工作地及防雷地在地网上的引接点相互距离不应小于5m，铁塔尚应与建筑物避雷带就近两处以上连通。5）铁塔地网的组成：当通信铁塔位于机房旁边时，铁塔地网应延伸到塔基四脚外1.5m远的范围，网格尺寸不应大于3m6m，其周边为封闭式，同时还要利用塔基地桩内两根以上主钢筋作为铁塔地网的垂直接地体，铁塔地网与机房地网之间应每隔35m相互焊接连通一次，连接点不应少于两点。当通信铁塔位于机房屋顶时，铁塔四脚应与楼顶避雷带就近不少于两处焊接连通，同时宜在机房地网四角设置辐射式接地体，以利雷电流散流。6）变压器地网的组成：当电力变压器设置在机房内时，其地网可合用机房及铁塔地网组成的联合地网；当电力变压器设置在机房外，且距机房地网边缘30m以内时，变压器地网与机房地网或铁塔地网之间，应每隔35m相互焊接连通一次（至少有两处连通），以相互组成一个周边封闭的地网。7）当地网的接地电阻值达不到要求时，可扩大地网的面积，即在地网外围增设1圈或2圈环形接地装置。环形接地装置由水平接地体和垂直接地体组成，水平接地体周边为封闭式，水平接地体与地网宜在同一水平面上，环形接地装置与地网之间以及环形接地装置之间应每隔35m相互焊接连通一次；也可在铁塔四角设置辐射式延伸接地体，延伸接地体的长度宜限制在1030m以内。5.3 接地体接地体宜采用镀锌钢材，其规格要求如下：钢管，50mm，壁厚不应小于3.5mm。角钢,不应小于50505mm。扁钢，不应小于404mm。垂直接地体长度宜为1.52.5m，垂直接地体间距为其自身长度的1.52倍。若遇到土壤电阻率不均匀的地方，下层的土壤电阻率低，可以适当加长。当垂直接地体埋设有困难时，可设多根环形水平接地体，彼此间隔为11.5m，且应每隔35m相互焊接连通一次。在沿海盐碱腐蚀性较强或大地电阻率较高难以达到接地电阻要求的地区，接地体宜采用具有耐腐、保湿性能好的非金属接地体。接地体之间所有焊接点，除浇柱在混凝土中的以外，均应进行防腐处理。接地装置的焊接长度：对扁钢为宽边的2倍，对圆钢为其直径的10倍。接地体的上端距地面不应小于0.7m，在寒冷地区，接地体应埋设在冻土层以下。图13 接地系统标准施工图5.4 接地线与接地引下线1）接地线宜短、直，截面积为3595mm2，材料为多股铜线。2）接地引入线长度不宜超过30m，其材料为镀锌扁钢，截面积不宜小于40mm4mm或不小于95mm2的多股铜线。接地引入线应作防腐、绝缘处理，并不得在暖气地沟内布放，埋设时应避开污水管道和水沟，裸露在地面以上部分，应有防止机械损伤的措施。3）接地引入线由地网中心部位就近引出与机房内接地汇集线连通，对于新建站不应小于两根。5.5 接地汇集线1）接地汇集线一般设计成环形或排状，材料为铜材，截面积不应小于120 mm2，也可采用相同电阻值的镀锌扁钢。2）机房内的接地汇集线可安装在地槽内、墙面或走线架上，接地汇集线应与建筑钢筋保持绝缘。5.6 接地电阻根据移动通信基站防雷与接地设计规范YD5068-98第五条规定：1）移动通信基站地网的接地电阻值应小于5，对于年雷暴日小于20天的地区，接地电阻值可小于10。2）架空电力线与电力电缆接口处的保护接地以及电力变压器（10kVA以下）保护接地的接地电阻值应小于10。3）架空电力线上方的避雷线及增装在高压线上的避雷器的接地电阻值，其首端（即进站端）应小于10，中间或末端应小于30。5.7 接地体布置由于雷电流相当于高频电流，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。而在冲击电流的作用下，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。在有限的冲击半径内如何有效地利用所埋设的接地体，使雷电流几乎同时地到达各个接地体，成为接地体布置的关键问题，以下给出几种布置接地体的方法以供参考。（1） 条形（2） 弧形（辐射状）（3）网状（4）环形5.8 移动基站接地网接地电阻值的测量接地电阻值测试的准确性，与地阻仪测量电极布置的位置有直接关系，按测量电极的不同布置方式，有如下几种测试方法：1）直线布极法首先要弄清被测地网的形状、大小和具体尺寸，确定被测地网的对角线长度D（或圆形地网的直径D）。在距接地网（23）D处，打下地阻仪的电流极棒，地阻仪的电压极棒应设在电流极棒到地网距离的0.618处（优选法）。如图14所示。图14测量电极布置图按上图布置测得的接地电阻误差应在1以内。在土壤电阻率较均匀的地区，电流极到地网的距离取2D，电压极到地网的距离可取D。在土壤电阻率不均匀的地区，电流极到地网的距离应取3D，电压极到地网的距离应取1.7D。测量时在沿地网和电流极的连线上，使电压极到接地网的距离约为电流极到接地网距离的5060范围内移动3次，每次移动的距离为电流极到地网距离的5，使3次测得的电阻值接近即可。2）三角形布极法：如图15所示：图15三角形布极图图中，取d12 =d13=2D,夹角Q=28.9530，此时测得的电阻误差接近零，Q越大误差也越大，Q=180时误差最大。如果测试场地窄小，不能满足d12 =d132D的条件时，也可取d12 =d13D。3）两侧布极法一般情况下，不宜把地阻仪的电流极棒和电压极棒分别打在地网的两侧，但由于测试场地限制，可按图16所示的方法布置测试电极进行测试。图中：图16两侧布极图（1）电流极到地网的距离和电压极到地网的距离应相等，均5D，D为地网对角线的长度。（2）电流极棒，电压极棒和地网中心应尽量在一条直线上。5.9 充分理解基站，因地制宜实施防雷接地工程由于各基站的环境和建设方式不同，所以对基站防雷接地不能一概而论，应根据具体情况采取防雷与接地措施，将基站接地系统按照均压等电位的原理进行设计和改造，即通信设备的工作地、保护地、防雷地、建筑地合用一组接地体的联合接地方式，将接地线和接地引入线按照“共地不共线，一点接地法”的原则进行合理布线。根据不同情况，具体分析如下：5.9.1 铁塔建在建筑物顶部1）楼顶建铁塔，机房所在建筑物女儿墙上有避雷带，市电引入机房由于移动基站租用商品房或民房情况较普遍，此种情况占到全部基站的60-70%。首先在楼顶铁塔的基脚处南北或东西方向置180两处与楼顶避雷带相连，连接材料为404mm镀锌扁钢，利用建筑主钢筋多处泄放雷电流，并在楼下合适的位置建一地网，地网建成以后利用扁钢与建筑主钢筋两处焊接组成联合地网，从地网相距5m以上的位置抽两个头引出地面1.5m处做断接点，分别作为避雷针、机房工作保护接地引入线的接地点，机房内设置设备工作保护接地汇集线，其接地引入线接机房工作保护接地点；雷电流引下线下端接避雷针接地点，上端在楼顶与楼顶接地汇集线相连。接地引入线采用404mm镀锌扁钢或95mm2多股铜芯线。铁塔上避雷针接地线，基站同轴电缆馈线的金属外屏蔽层的上部、下部接地线均与楼顶接地汇集线相连，同轴电缆馈线的金属外屏蔽层的下部接地也可就近与铁塔中部相连。外屏蔽在机房入口处的接地与机房工作保护接地点引出的接地线妥善连通，接地线材料可采用35mm2铜芯线。同轴电缆线进入机房后与通信设备连接处安装馈线避雷器，馈线避雷器接地端子接到室外入口处馈线屏蔽接地线上，接地线为6mm2铜芯线。机房内的交流配电箱处应三相五线或单相三线，其中的PE线接配电箱及电源避雷器。机房内-24V直流避雷器的接地线接机房工作保护接地汇集线。机房内设备的工作接地、保护接地及走线架共用一个室内接地汇集线。如图17所示。图172）对于利用商品房作机房的移动通信基站。此建筑有防雷接地网或其他专用地网（如广播电视系统接地网或固定接入网的接地网），应就近再设一组地网，三者相互在地下焊接连通，有困难时也可在地网上可见部分焊接成一体作为机房地，其它方面与1）相同，如图18所示。如原专用地网与基站新建地网边缘相距20米以上，并且连接有困难，可以不作连接处理。图183）对于铁塔建在机房所在建筑顶端，楼顶女儿墙上没有避雷带（此种情况只占极少数）应在铁塔基脚两处成180引接地线与地网环形接地装置相连，使铁塔多处泄放雷电流，连接材料可采用404mm热镀锌扁钢或12圆钢。 如在楼下设置环形接地装置有困难，可在铁塔接地线的入地点分别建简易地网，地网地阻值应10，并使其中一个简易地网与机房地网相连，其他情况与1）同，具体如图19、图20所示。图19图205.9.2 独立铁塔1）由于租用的民房本身只有一层，而其房顶不宜建铁塔，将铁塔建在附近山坡上，而铁塔与机房相距一定的距离。此时，铁塔地网应延伸到塔基四脚1.5m远的范围，网格尺寸不应大于3m3m，其周边为封闭式，同时还要利用塔基地桩内两根以上主钢筋作为铁塔地网的垂直接地体，铁塔地网与地网之间应每隔35m相互焊接连通一次，连接点不应不少于两点。铁塔避雷针接地，馈线金属外层的上部、下部接地就近接入铁塔地网，馈线金属外护层在入机房前处的接地线与机房地网相连，而天馈避雷器接地线就近与入机房前馈线金属外护层接地线相连，其他部分与楼顶塔1）相同，具体见示意图21。图215.9.3 没有设铁塔的移动基站由于机房所在建筑物本身具有相当的高度，周围没有其他高大建筑物，而且所需覆盖的范围有限或建此基站的初衷是为增加信道，所以将天线面包板架设在建筑物四周的女儿墙上。利用安放在楼顶平台中央位置的优化避雷针防止直接雷击，避雷针的基座应与楼顶避雷带就近不少于两处焊接连通，避雷针接地线、馈线金属外护层的上部、下部接地线与楼顶接地汇集线相连。其它部分与楼顶塔1）相同，如图22。图225.10 困难地网的改造为了增大移动基站覆盖范围，往往将基站建在高山上，而有些山区的土质很差，土壤电阻率极高，要想将地网地电阻控制在5以内，相当困难，当地网的接地电阻值达不到要求时，可采用以下方法进行地网改造。1) 在地网外围增设1圈或2圈环形接地装置，以增大接地网的面积。对于复合式接地网的工频接地电阻的计算式R约为R0.5（/S），其中为土壤电阻率（.m），S为接地网的面积，从此公式中可以看出，在相同大地电阻率的条件下，要使地网接地电阻减小，就要增加地网的面积，表1列出了在不同土壤电阻率时保持R为5时的地网面积。表10.5（/S）=5时(.m)10020040080010001600S(m2)1004001600640010000256002) 由表1可知，在土壤电阻率很高的山区，仅仅依靠扩大接地网的面积很难达到所要求电阻（增加垂直接地体的长度对地网电阻率影响很小）的情况下，应采取引外接地方法。即移动基站设在高电阻率地山上，如附近有可资利用的导电良好的土壤及低电阻率地层（河流及其它）时，采用延伸接地体作为移动基站本身地网的辅助接地网；引外接地的极限长度应小于2（为土壤电阻率），根据此公式计算不同土壤电阻率的引外接地的极限长度见表2。表2 土壤电阻率不同时，此外接地的极限长度土壤电阻率(.m)1002004008001600引外接地长度(m)2028.34056.7803) 在电阻率较高的地区，可在移动基站的边缘大胆使用非金属接地体，以扩大地网的等效半径及面积，最终达到降阻的目的。结论防雷的目的是保证各系统都能正常工作，不受雷电的干扰和破坏。该设计针对移动通信基站地理位置、机房条件、交流电源、通信信号等方面的特点，从控制雷击点、安全引导雷电流入地网、加设完善的低阻抗地网、进行等电位连接、避免地电位反击、防护电源浪涌冲击、防护通信线及信号线的浪涌冲击等方面进行了综合防护，并在基本方案的基础上根据不同基站的差异性通过技术、经济分析而得到实际可行的解决方案，可以提高基站的综合防雷能力，防止移动通信基站遭受雷害，确保移动通信基站内设备的安全和正常工作，确保建筑物，站内人员的安全。参考文献1 GB50057-94.建筑物防雷设计规范S2 YD5068-98.移动通信基站防雷与接地设计规范S3 YD5078-98.通信工程电源系统防雷技术规定S4 苏邦礼.雷电与避雷工程J.广州：中山大学出版社，19965 周志敏，周纪海，纪爱华. 电子信息系统防雷接地技术J. 北京:人民邮电出版社,20046 肖稳安, 张小青. 雷电与防护技术基础J. 北京:气象