移动通信基站防雷解决方案
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1、概述 

随着社会的进步,移动通信技术飞速普及与发展,在地球的每个角落,移动通信基站像雨后春笋般挺拔而起,介入到人们的日常生活中,快速而稳定的通讯愈来愈成为通讯设备的重要指标。移动通信基站设备属于尖端微电子产品,它的电磁兼容能力较低,抗雷电、抗电磁干扰能力比较弱。随着气候的变化,雷暴恶劣天气愈来愈多,愈来愈反常,以致造成各地移动通信基站设备频繁遭雷击损坏,通讯中断,给人们的生活及各行业造成了不可估量的损失。做好移动通信基站的防雷,保障通讯设备正常稳定的运行,愈来愈加重要。移动通信基站主要由基础设施,供电设施和通信设备组成。 
基础设施包括:房屋,铁塔。 
供电设施包括:电力变压器,配电屏,直流屏,UPS供电系统,分配电箱。 
通讯设备包括:天线,馈线,通讯设备等。 
2、设计思想 
2.1通信基站的特点 
①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。 
②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。 
③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。 
④通信信号:基站设备的通信线路通常也是由户外架空引入。 
2.2雷电对移动通信基站的几个引入渠道 
①由铁塔天馈线、接地系统引入的雷害; 
②由供电系统引入的雷害; 
③由信号传输线路引入的雷害。 
2.3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接闪器,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,只有从合理安装接闪器,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。 
①控制雷击点; 
②安全引导雷电流入地网; 
③加设完善的低阻抗地网; 
④进行等电位连接,避免地电位反击; 
⑤防护电源浪涌冲击; 
⑥防护数据线、通信线及信号线的浪涌冲击; 
3、设计方案 
3.1直击雷防护 
对于直击雷的防护,可采取分流的措施,利用接闪杆、接闪带、接闪网将雷电流沿引下线导入大地,防止直击雷击中铁塔或系统设备上。 
3.1.1机房直击雷防护 
机房屋面采用接闪带、接闪网或接闪杆作为接闪器。接闪网(带)应沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设,并应在整个屋面组成不应大于10m×10m或12m×8m的网格。接闪网(带)、引下连接线采用Φ12镀锌圆钢、—40×4mm镀锌扁钢形成。引下线不应少于两根,应沿建筑物四周均匀或对称布置,其间距不应大于18m。 
对于新建的机房,接闪网(带)引下接地线宜利用结构柱内对角钢筋。若柱内钢筋直径不小于Φ16,用二根柱内对角钢筋作为引下线;若柱内钢筋直径小于Φ16,用四根柱内对角钢筋焊连作为引下线。 
3.1.2基站铁塔直击雷防护 
基站的铁塔处于最高处,是雷击的首选目标,对于铁塔的防雷,可在塔顶安装WIN-B1型接闪杆,防止直击雷击中其他设备,导致设备的损坏。 
接闪杆应设有专门的引下线直接接入地网,当雷电击中时,可以很快的将雷电引入大地。引下线可以用—40×4mm的镀锌扁钢,因为铁塔在楼顶上,遭受雷击后雷电会直接引入机房内部,所以铁塔地应接入楼顶的钢筋网或用三根以上的镀锌扁钢焊接在机房周围的接闪带上。 
3.2感应雷的防护 
感应雷是指由于闪电过程中产生的电磁场与各种电子设备的信号线、电源线以及天馈线直间的耦合而产生的电磁脉冲电流,也指带电雷云对地面物体产生的静电感应电流,为达到了防感应雷的目的,可以把电子设备上电源线、信号线和天馈线上感应雷电流通过相应的感应雷接闪器引导入地,达到泄放雷电流的目的。 
3.2.1天馈线系统的感应雷防护 
天馈线系统是微波中继通信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。在通信基站中,天馈线的信号传送直接影响着基站的正常工作。所以做好天馈线的防雷很是重要。基站至天线同轴电缆可从铁塔中心引下,这样可以减少由于接闪杆接闪后的雷电流沿铁塔泄放时对同轴电缆的感应电流,因为基站铁塔四支铁柱同时泄放雷电流入地时,感应雷产生的铁塔中心的感应场最弱。对天馈线的防雷措施主要有: 
①对天馈线的防雷从工程上讲就是三点接地,铁塔上架设的波导馈线、同轴电缆金属外护层应分别在上、下端、及进入机房入口处就近接地,当馈线及同轴电缆长度大于60m时,其屏蔽层宜在塔的中间部位增加一个接地连接点,室外走线架始末两端均应作接地连接。 
②城市内孤立的高大建筑物或建在郊区及山区,地处中雷区以上的无线通信局(站),当馈线采用同轴电缆时,应在同轴电缆引进机房入口处安装标称放电电流不小于5KA的同轴SPD,同轴SPD接地端子的接地引线应从天馈线入口处外侧的接地线、接闪带或地网引接。 
天馈线的防雷器根据接口形式可采用TDF20K25P300M/W、TDD20K25P400M/W、TDN20K25P400M/W等天馈线路防雷器,标称放电电流ln=10KA,电压保护水平Up≤600V,插入损耗≤3dB,驻波比≤1.2。 
3.2.2供电系统的感应雷防护 
基站的供电系统是基站的一个重要组成部分。基站的供电可以由外架空线进入,也可以由穿属管埋地进入基站。由于电源线架很长,线路的走势也相当复杂,很容易感应到较强的雷电流。所以无论是哪种接入,电源线都应该在LPZ0B区入户进入LPZ1区处加装一级防雷器,以及在开关电源的整流设备前安装第二级防雷器,在UPS电源输入端及直流输出端安装第三级防雷器,并设置电源精密保护。 
①在电源线路由LPZ0B区入户进入LPZ1区的电源总配电柜处可选用YD25-255H4/B+C三相电源电涌保护器,试验类别为Ⅰ类试验(limp=25kA,ln=25KA,Up=1.8KV,Uc=255V)。前端串接63A电源断路器,电涌保护器PE线长度不应大于0.5m,采用16mm2BVR铜芯线就近接地。 
②在电源分配电柜处可选用YD40K385QH电源三相电涌保护器,试验类别为Ⅱ类试验(ln=20KA,Up=1.5KV,Uc=385V)。前端串接32A电源断路器,电涌保护器PE线长度不应大于0.5m,采用10mm2BVR铜芯线就近接地。 
③在UPS电源进线端处可选用YD20K385QH三相电源电涌保护器,试验类别为Ⅱ类试验(ln=10KA,Up=1.2KV,Uc=385V)。前端串接32A电源断路器,电涌保护器PE线长度不应大于0.5m,采用6mm2BVR铜芯线就近接地。 
④在直流屏处可选用YD40K085EH直流电源电涌保护器,试验类别为Ⅱ类试验(ln=20KA,Up=0.5KV,Uc=85VDC)。电涌保护器PE线长度不应大于0.5m,采用6mm2BVR铜芯线就近接地。 
⑤在机房设备电源处可采用YD10K275EH-Z型电源分配单元电涌保护器,试验类别为Ⅱ类试验(ln=5KA,Up=1.2KV,Uc=275V)。电涌保护器PE线长度不应大于0.5m,采用6mm2BVR铜芯线就近接地。 
3.2.3信号系统的感应雷防护 
信号系统定着基站信号传输的主要功能,做好信号系统的防雷也是相当重要的。信号系统雷电防护措施主要有: 
①出入通信局(站)光缆或电缆,应在进线室将金属铠装外护层做接地处理,另外光缆应将缆内的金属构件,在终端处接地; 
②进入通信局(站)的信号线应在终端处加装SPD,空线对必须就近接地。 
通信系统由于受到工作电平、接口速率、和传输性能(插入损耗)、线路阻抗等指标的约束,不能象供电系统一样分几级防雷,因此信号线防雷应在通信线路与设备的接口即LPZ1-LPZ2区处使用一级与之通信接口、工作电平、速率相匹配、线路阻抗匹配的精细级防雷器,同时通信线应就近接地。 
信号线路防雷可选用LDJ10K05XH-8C型网络信号电涌保护器,试验类别为Ⅱ类试验(ln=5KA,Up≤25V,Uc=6V)。电涌保护器PE线长度不应大于0.5m,采用6mm2BVR铜芯线就近接地。 
3.2.4监控系统的感应雷防护 
近年来,中国移动基站普遍采用了智能监控系统,据统计监控系统设备目前已经成为移动基站中设备被雷电损坏频度最多的设备,也是被损坏最严重的系统。监控设备电源及信号没有防雷措施,且耐压水平低;监控系统存在大量的数据采集线路,这些线路的布放不规范,往往是捆在一起,且很多数据采集线不是屏蔽线缆;可以说监控系统纷繁复杂的布线为雷电流入侵提供了更多的渠道,与本身羸弱的防护能力形成巨大的反差,因此,对移动基站监控系统的主要雷电防护措施有: 
①对监控数据采集线的布放进行合理规划,所有数据采集线路应使用屏蔽线,且其屏蔽层应接地,尽可能的降低雷电电磁脉冲在数据采集线路上感应出的雷电流; 
②在监控主设备下设一个小的监控设备接地参考点作为所有监控设备的接地,并用超过16mm2的接地线与基站总等电位排进行连接。目的用来降低各监控设备间因接地产生的电位差,在监控设备端安装相应的电源防雷器,释放从地线或电源线引入的雷电流; 
③在一些损坏频度较高的设备与监控设备间的通信端口安装相适用的信号线防雷器,对于监控系统的数据采集线路以及控制线都是信号线,因此在选择防雷器时要考虑信号线防雷器的接口类型、工作电压、传输速率、线路阻抗与系统设备相匹配; 
④在监控主机前端安装LDB10K12U视频信号防雷器,试验类别为Ⅱ类试验(ln=5KA,Up≤40V,Uc=12V)。电涌保护器PE线长度不应大于0.5m,采用6mm2BVR铜芯线就近接地; 
⑤在摄像机前安装SDB10K-220/3三合一电涌保护器对摄像机的电源线路、信号线路及控制线路进行防雷保护,试验类别为Ⅱ类试验,电源部分参数为(ln=5KA,Up≤900V,Uc=275V),控制信号部分参数为(ln=3KA,Up≤40V,Uc=12V)。电涌保护器PE线长度不应大于0.5m,采用6mm2BVR铜芯线就近接地。 
3.3机房的屏蔽及等电位 
在机房四周设置一均压环,作为各防雷器及通信设备的接地线汇聚排,并与室外接地装置可靠连接。均压环材料为30*3紫铜排。将机房周围的所有金属物体进行等电位连接,如机房的门、窗、墙体内部的钢筋等,使其成为一个屏蔽网,可以在一定程度上减少雷电发生时,外界感应雷、雷电电磁脉冲对机房内部各个设备的破坏。 
3.4基站接地系统 
移动通信基站应按均压、等电位的原理,采用联合接地系统,防雷接地、低压配电系统(保护)接地、工作接地、屏蔽接地、等电位接地等共用一个接地系统。对有铁塔的基站应将铁塔地网与机房地网相焊接,机房总接地排的接地线与地网连接时应避开铁塔及接闪杆的专用引下线,两者间距离要求大于5米,以免铁塔和接闪杆上的雷电流沿总地线引入线流入机房内。对一些租用大楼或民用建筑的基站,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,建筑物其钢筋混凝土基础埋地较深,大楼的接地电阻基本上能满足要求,因此可以使用大楼的主钢筋作为防雷接地系统。其工频接地电阻宜控制在10欧的范围内。如果山区基站接地电阻难以满足要求,可以通过使用降阻材料来降阻。 
在移动基站外部进线孔处设立接地排,并与基站地网相连。将所有进入基站的缆线的接地与之相连,如天馈线接地、铁塔走线架的接地、光缆加强芯的接地、供电线屏蔽管道的接地等。出入通信局(站)的电力电缆(线)、通信缆线应采用金属护套电缆或敷设在金属管内,且应埋地引入,缆线埋地深度应不小于0.7m。特别对于进入通信局(站)的低压电力电缆宜全程埋地引入,其电缆埋地长度不宜小于15m等。这些工程措施都具有一定的雷电防护作用。 
接地装置材料选择,金属接地体应采用热镀锌材料,在各个焊接点由于已破坏了原来的热镀锌层,因此一定要做防腐蚀处理。垂直接地体长度为1.5~2.5m,垂直接地体间隔为其自身长度的1.5~2倍。接地体上端距地面不小于0.7m,且应在冻土层之下。垂直接地体可采用∟50*50*5mm的角钢或接地铜棒等材料,水平接地体和接地引入线可采用—40*4mm扁钢以及接地模块,并添加降阻剂等材料降低接地电阻。

     移动通信基站雷电防护示意图


移动通信基站防雷解决方案

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