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      移動通信基站的雷害與防護
      發布時間:2014-7-15

      移動通信網是國家現代通信網的重要組成部分,在信息基礎設施中占有重要的地位。隨著通信事業的迅速發展,移動通信基站越建越多,而且這些基站承擔著繁忙的通信信息的傳輸任務。由于移動通信頻段采用甚高頻和特高頻,其電波為直線傳播,因此大多數移動通信基站都建在較高的地方,以獲得良好的通信效果。這樣,移動通信基站相對于周圍環境而言,形成一個十分突出的目標,從而導致移動通信系統和基站容易遭受雷擊,因此損壞通信設備的事故在全國各地多次發生。有的基站遭受雷擊后,使通信中斷,直接經濟損失幾十萬甚至上百萬元,造成不良后果。正因為如此,對基站的雷擊防護是一個十分重要的問題,必須妥善解決,以保證通信設備正常運行。

      一、 基站遭受雷擊時的損害情況

          通過對部分遭受雷擊的基站進行整治發現,基站遭受雷擊時,通信設備損害的情況如下:

      (1) 擊壞脈碼調制(PCM)的通路盤、信令盤等設備;

      (2) 擊壞移動交換機(EMX)部位的TTY、MTI板、ASI板等;

      (3) 擊壞基站部位的VOC板、BSC板、包括VCC、SCC、CSC板等;

      (4) 擊壞電源部件等;

      (5) 擊壞與天饋線相連的高頻機架。

      二、 雷電瞬間過電壓的成因

      1、 雷擊

      (1) 雷電直擊到電源輸入線,繼而損壞用電設備。雖然電力傳輸線上都安裝了各種保護間隙和電力避雷器,但是,這雖然可使雷電沖擊波經過輸電線路時侵入線對地的電壓受到了限制(IEEEC62.41),但線與線之間過電壓則無法控制。

      (2) 以感應方式如電阻性、電感性或電容性耦合到電源線、信號線或電話線上,最終危害設備。

      2、 操作過電壓

      眾所周知,當電流在導體上流動時,會產生磁場儲存能量,電流越大,導線越長,儲能越多,所以當大負載(特別是感性大負載)電器設備開關時,便會產生瞬間過電壓。瞬間過電壓對不同阻抗的負載將產生不同的損害。另外,供電網絡上掛接了大量的電力電子器件組成的用電設備,如大功率模塊式整流電路、開關電源等也會給供電電網帶來干擾,形成浪涌過電壓。

      三、 雷害引入途徑

      (1) 鐵塔天饋線引入雷害

      一般的基站鐵塔高度約為50~60米,有些甚至高達80~90米,。當鐵塔的避雷針受到直接雷擊時,雷電流途徑之一是通過鐵塔經其接地裝置散流入地,使地網地電位升高;另一途徑是如果天饋線為同軸電纜,在其內導體上感應出較強的感應電流,這樣A-B段內導體上感應電流為iA-B,B-C段內導體上感應電流為iB-C,iA-C = iA-B + iB-C,即為整個同軸電纜的感應電流。如果有n條同軸電纜的總感應電流I = niA-C,這個感應電流最終經同軸電纜內導體進入通信機,燒壞移動通信設備。例如,1995年8月四川省某移動基站遭受一次雷擊就是從天饋線引入雷電流,結果PCM設備,直接經濟損失20多萬元,影響了正常通信,造成了不良后果。

      1、 架空電力線和其他架空線引入雷害

      移動通信系統的基站如果有架空電力線或其他架空線,其架空電力線或其他架空線也是引入雷害的重要途徑。原因是當雷云放電時,其空間形成強大電場。根據分析,在架空電力線路靠近終端時,主要成分是水平電場,出線在電場中的突出物體最易出線感應電荷的集中,使其周圍電場強度顯著增加,架空電力線路很容易發生尖端放電而被雷電擊中。當架空電力線路遇雷電襲擊時,將過電壓引入基站機房,很可能燒壞基站的通信設備。有時,雷云即使對地放電也會在架空電力線路上產生感應過電壓,當S2>h2時

      U=25Ih/S

      式中:

      I----雷電流的幅值(A)

      h----架空電力線路高度(米)

      S----雷擊點與架空電力線路間的距離(米)。

      該過電壓亦會對電源設備造成威脅,當基站有其他架空線時,也可能在架空線上出現類似雷電過電壓,這類雷害事故主要表現為交、直流電源盤的損壞和電話交換機的損壞。

      2、 基站機房引入雷害

      某些基站機房可能建在山頂上,如果機房位置的海拔高度很高,有時直擊雷可能從橫向及斜面擊來,出現所謂的“繞過避雷針,再擊至被保護物”的繞擊現象。在這種情況下,孤立的避雷針,往往已不能防御雷電對機房的直擊,因此,基站機房必須采取必要的防雷措施。

      四、 現代防雷特點

      1、 外部防護----將絕大部分雷電流直接引入地下泄放;

      2、 內部防護及過電壓保護----阻塞沿電源線或數據線、信號線引入的侵入波危害設備;

      3、 過電壓保護----限制被保護設備上雷電過電壓幅值。

      這三道防線互相配合,各盡其職。

      具體講:

      1、 外部防護

          外部防護主要指直擊雷的防護,它是防雷技術的主要組成部分。其技術措施可分為接閃器、引下線、接地體和法拉第籠。對于外部保護,IEC1312—1推薦:全部雷電流的50%流入所考慮建筑物的接地裝置,另50%分配于進入建筑物的各種設施(外來導電物、電力線和通信線等),由此可見外部保護的重要性。對于計算機機房或郵電、電信、電力等行業的通信機房幾微波站等,一定要認真按標準或規范要求作好外部防護的措施。接閃器建議采用具有限流功能的AR避雷針(其已通過ISO9002質量體系認證及信息產業部產品鑒定)。對于建筑物頂部的信息系統外置設備的直擊雷保護,應按GB50057—94的第3.2.3條處置,金屬物體可不裝接閃器,但應和房屋防雷裝置相連;在房屋接閃器保護范圍之外的非金屬物應裝接閃器,應和房屋防雷裝置相連。在房屋高度大于滾求半徑時,如屋面設置了合格的避雷帶時,可將房屋高度假定為正負零高度,作避雷針并按滾球法計算其能否保護外部設備。

      2、 內部保護

          內部保護指對雷電等侵入的防護,其技術措施可分為屏蔽,均壓等電位和防閃絡等。

      (1) 屏蔽

          屏蔽是利用各種金屬屏蔽體來阻擋和衰減施加在計算機等設備上的電磁干擾或過電壓能量。對計算機系統來說,具體可分為建筑物屏蔽、設備屏蔽和各種線纜的屏蔽。強調:一、屏蔽管線的接地。一般要求如戶線采用地下電纜入戶,其電纜金屬護層在前后兩端作良好接地。二、使用金屬絲編制網、屏蔽電纜,因其重量輕、使用方便而廣泛應用,但是在電磁波頻率較高時,其波長接近編織層網孔尺寸,波的透入增加,因此最好在穿一層金屬管。

      (2) 等電位連接

          其目的在于減少雷電流所引起的電位差。等電位是用連接導線或過電壓(浪涌)保護器將處在需要防雷空間內的防雷裝置、建筑物的金屬構架、金屬裝置、外來導線、電氣裝置、電信裝置等連接起來,形成一個等電位連接網絡以實現均壓等電位,防止防雷空間內的火災、爆炸、生命危險和設備損壞。

      (3) 防閃絡措施

      在IEC電子標準術語中對反向閃絡定義為“網絡中通常處于地電位的部分受到雷擊而引起的相對地的絕緣閃絡”。為防止閃絡,在國標GB50057-94中提出了等電位連接或隔離距離的要求。對于裝有防雷裝置的建筑物,在防雷裝置與其他設施和建筑物內人員無法隔離的情況下,應采用等電位連接。當利用建筑物的鋼筋或金屬物結構作為引下線,同時建筑物的大部分鋼筋、鋼結構等金屬物與被利用部分連成整體時,金屬或線路與引下線之間的距離可不受限制。

       

      五、 防護措施

      1、移動通信系統的基站的接地系統應按照均壓等電位的理論改造或設計,將機房地、鐵塔地、交流變壓器地共同組成一個聯合接地的大地網,見圖。聯合接地主要解決兩個技術問題。一是解決雷擊對通信設備和工作人員的安全問題;二是用三相五線制供電解決交流電流對通信的干擾問題。

      2天線鐵塔防雷

      (1) 移動通信天線應有防直擊雷的保護措施。天線鐵塔應設避雷針并與鐵塔焊接。天線安裝位置應在避雷針的防雷保護區內。避雷針的保護區如圖所示。其中保護角取30°~45°,多數保護設計取30°。避雷針與鐵塔焊接的目的就是確保避雷針有良好的接地線,以保證雷電流及時流入大地。

      (2) 當鐵塔比較高時,天饋線(包括塔燈電源線,金屬護套)、引下線都要多點接地,以增加雷電流的入地途徑和使饋線上的過電壓分割為多斷,加強分流和均壓效果,并將饋線在機房外就近接入地網,使由饋線上引入機架上的過電壓減至最小程度。

      (3) 塔燈電源線相線在機房入口處對地加裝氧化鋅無間隙避雷器,零線直接接地。

      3、 架空電力線和其他架空線的防雷

      (1) 由上面分析可知,架空電力線也是移動通信基站引入雷害的通經之一,因此有條件的基站應將架空電力線改為電纜并埋入地下,其深度為70cm,且使用有金屬屏蔽層的電纜為好。如果無金屬屏蔽層,用金屬管套包著電纜最好。金屬層接地且要作防銹處理,在進入機房前電纜金屬層要與機房聯合地網相連,交流電纜進入機房后還要采取防雷措施。

      (2) 電話線的防雷問題也應重視。眾所周知,移動通信網大多都需要與有線電話網相連,因此有時要將電話線引上高山,不少基站采用架空電纜上山,因而很容易遭受雷擊。電話電纜的防雷,首先是電話電纜必須有金屬屏蔽層,在電話電纜進入機房前,金屬屏蔽層應與機房的聯合地網相連;進入機房后,電話線上還要安裝防雷器件,然后方可接入終端設備。

      4、 機房防雷

      (1) 機房應有防直擊雷的保護措施。機房屋頂應設避雷網,其網格尺寸不大于3m*3m,并與屋頂避雷帶按3m間距一一焊接連通。機房房頂四角應設雷電流引下線,該引下線可用  40mm*4mm鍍鋅扁鋼,其上端與避雷帶、下端與地網焊接連通。機房屋頂上其他金屬設施分別就近與避雷帶焊接連通。

      (2) 機房地網、鐵塔地網、變壓器地網間至少要有兩根鍍鋅扁鋼相連接。

       

      六、 其他需要說明的問題

      (1) 移動通信基站供電采用K.27建議推薦的TN—S三相五線制主要解決交流零線上的不平衡電流通過聯合接地體對移動通信的干擾問題。因為供電交流電流較大,中性線平時就有電流,用其作為保護地線時,就成為干擾源,所以不能采用中性線作為交流保護地線。為了防止零序電流流入聯合接地地網,應直接從中性點引一根線(無流零線),作為交流保護地線,嚴禁采用中性線作為交流保護地線。

      (2) 移動通信基站的機房配線方式應該按單點接地原理配線,見下圖。這種配線方式主要解決對通信的干擾問題,因為這種配線方式使干擾電流不能形成回路,解決了從配線方式可能形成的對通信的干擾問題。

      (3) 日常維護工作應注意以下幾點:

      ① 防雷的施工單位應嚴格按照防雷設計要求施工,如接地體的裝設、機房配線方式等。

      ② 新建 、改建、擴建的移動通信系統的基站維護單位要作好隨工檢驗工作,應把防雷設施的施工質量作為隨工檢驗的主要內容之一。

      ③ 選擇移動通信系統的基站防雷器件時,應選用符合國家標準、行業標準指標要求并經過有權檢測中心檢測認可的防雷器件。在使用中定期檢測防雷器件的各項指標,如發現不合格應定期更換。

      北京愛勞高科技有限公司

      2000.5.15

       

       

       

       

       

       

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