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联通通信基站防雷方案前言随着通信行业的迅猛发展，通信基站几乎遍及全球每一个角落，目前地球极端气候越来越多,雷击灾害天气对通信基站的影响也越来越严重。通信基站的设备大部分属于微电子设备，近年来基站集成化小型化发展,其抗雷电、抗电磁干扰能力要求越来越高,而通信基站能否正常运行是移动通信的关键。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工作，保障通信系统的安全，显得尤为重要。移动通信基站防雷是综合、系统性的雷电防护工程,从基站的构成特点、地理环境特点、系统设备工程界面等等全方位的考虑。基站主要由供电电源设施以及通信信号传输、基站系统设备组成。供电电源设施包括电力传输线、发电机、电力变压器和基站交直流配电电源设备；通信信号设施包括微波传输信号收发、光纤传输、馈线和通信收发设备，各个设备之间紧密联系，共同构成了基站通信系统。从防雷的角度讲，这些设备引入雷电的危害形式应该是多种多样的，主要包括——直接雷击、感应雷击、电磁脉冲辐射、雷电过电压侵入和雷击高电压反击，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，影响通信设备的正常运行。根据通信基站遭受雷害的情况，我们将通信基站的组成概括为基站铁塔、基站电力、信号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。一、雷电对移动通信基站的危害雷电是自然界中强大的脉冲放电过程，有天空中不同带电云层之间、带电云层和建筑物之间等等。雷电入侵移动通信基站造成损坏是多渠道的。一般说来，我们可以把雷电放电对通信基站系统设备可能产生的危害形式划分为下列几类。雷电入侵基站渠道另外，按照国际电工委员会IEC标准，对雷电防护分区做了明确的区分，根据通信基站的系统设备的构成和环境界面，可以将通信基站按下图进行防雷分区划分：根据防雷分区概念,通信基站在防雷分区里面的环境分布情况1、直接雷击影响在雷暴活动区域内，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。直接雷击对基站的影响A、通信基站机房当雷电击中独立基站机柜或基站机房时，强大的雷电流变成热能，雷电流的高温热效应将引起机房建筑物燃烧甚至金属柜融化爆炸等。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，因而可使机房建筑物结构断裂破坏，导致人员伤亡，设备破坏。B、通信基站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RRU（分布式基站）、BTS（传统射频拉远基站）设备时，还会对RRU、BTS设备的机械结构和电气结构产生破坏作用。同时，它在RRU、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。2、感应雷击在自然界大气中从乌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。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。当电荷放电时，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。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。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。而当电压超过设备的耐受能力时，设备损坏。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，这种电磁脉冲辐射虽然也随着距离的增大而减小，但却比较缓慢，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。3、雷电过电压侵入当基站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。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﹪。雷电过电压入侵通信系统设备的各种方式4、高电压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。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。二、通信基站整体系统防雷说明经过长期的摸索与实践，现在己形成一系列对通信基站防雷行之有效的方法和技术。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。雷电防护系统图１、基站铁塔部分通信基站的铁塔部分包括天线、馈线(分布基站RRU)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。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。A、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1～2m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，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。B、防雷接地引下线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。C、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0.5～1m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。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。上述是对于传统射频拉远技术的馈线的防雷保护,而在联通基站现在大多采用分布式基站,分布式基站的RRU在铁塔上或房顶上就近与天线相连，目前的RRU前端端口采用腔体滤波器，其本身具备非常好的防雷功能，可以不在设置馈线避雷器，但是根据标准和防雷保护原则，也可以在RRU和天线之间装置馈线SPD保护RRU。C、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有效保护范围内。塔灯电源线应穿金属管布放或采用屏蔽电源线布放，屏蔽层、金属管全长应保持电气上的连续。穿线金属管在铁塔顶端与铁塔钢梁作可靠连接，在机房入口外侧处应与机房地网就近连通，为了加强屏蔽的效果，横向布设的金属管可每隔5～10m就近接地，尽可能焊接，并处理好焊接点防腐防锈。塔灯电源线应在机房入口外侧对地加装避雷器后再进入机房。塔灯电源线若不穿金属管，则必须采用有金属护套的电缆，绝对不许只用普通电源线引接灯塔电源。2、基站电力传输部分基站由市电或油机供电（现在新能源基站还有采用光伏、风电一体的新能源基站），通过架空线将高压电输送到变压器，经变压器变成低压电后，再由电力电缆进入基站交流配电屏。A、高压架空线由于高压架空线要经变压器、低压电缆才进入基站，所以，如何最大限度减小高压架空线进线段遭直击雷的概率，是我们应当重点解决的问题。为了防护高压架空线免遭直击雷袭击，宜在其上方架设避雷线，对高压架空线进线段进行保护，避雷线的架设长度不宜小于500m。避雷线能将雷云对高压架空线的放电引向自己并泄放到大地，防止高压架空线遭受直接雷击。一旦高压架空线受到雷电绕击时，避雷线还会起到分流、耦合和屏蔽作用，使高压架空线所承受的过电压降低。为了稳妥起见，还可在高压架空线终端杆上对地增设一组氧化锌避雷器，从而起到限制雷电波幅值和陡度的作用。避雷线和氧化锌避雷器都应作相应的接地，避雷线除终端杆处，应每杆作一次接地，使得雷电流分散泄入大地。站区内终端杆接地体，离基站地网的距离应有20m以上，以避免地电位反击，若达不到此距离，需与地网连接。站外各杆应单设接地体，接地体宜设计成辐射形或环形，接地电阻值终端杆应小于10Ω，其余各杆小于30Ω。B、供电电力变压器通信基站宜装置专用独立电力变压器，并在变压器处完成由TN-C系统到TN-C-S供电接地系统的转换。为了保护变压器，必须在其来波方向设置一条装有避雷器，且其阀值电压远远小于雷电电压的接地支路，让雷电冲击波先行泄入大地，使其降低到变压器绝缘能承受的范围内。因此，变压器高压