移动通信基站的防雷接地系统的设计
□翟玉杰 冷柏昆 李文保

 

众所周知，雷电具有很强的破坏性，主要有直击雷、雷电感应、雷电波侵入和地电压反击四种形式。由于移动通信基站的天线设备不仅安装在建筑物顶上，而且还有相当一部分安装在铁塔上，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，移动基站常常遭受雷害，导致通信设备损坏、通信中断。尽管我们采取了各种各样的防雷措施，耗费了大量人力财力，每年雷害造成的损失仍然很大。怎样才能有效地预防雷害，确保移动通信基站设备和工作人员的安全呢？几年来的维护经验告诉我们：必须根据每个基站的实际情况设计移动通信基站的防雷接地系统，实施基站针对性防雷。

    一、找出移动基站雷害的隐患
    移动基站防雷是一个复杂的系统工程，过去我们按照经典的防雷理论，为了提高基站防雷系统的泄流能力，选用了80kA甚至100kA的大型防雷器，但是防雷效果却不令人满意，而且防雷器都是检测合格的入网产品。经查，是工程师没有按照基站的实际情况设计防雷系统。我们调查统计了全省近两年来的雷击事故，得出一条重要数据：基站内设备被直击雷和雷电感应破坏的概率为零。这是因为基站设备（包括基站室外电力变压器）的位置普遍较低，完全处于建筑防雷设施、铁塔以及架空线路避雷系统的保护之下，雷电流只能沿铁塔避雷系统、架空线路避雷系统和建筑防雷等外围的避雷系统泄放，所以基站设备很难遭到直击雷损害。另外基站内的设备外壳、天馈线、走线架等金属物全部安装了接地保护，再加上与室外的雷击点和避雷器接地引线有足够的距离，所以雷电感应也很难发挥作用。几年来雷击事故的主要现象为：基站B级防雷器保护空开动作，部分单相交流设备和直流设备损坏。我们从中不难看出地电压反击和雷电波侵入是造成基站设备损坏的主要原因，所以基站防雷系统应以防止地电压反击和雷电波侵入为主要目标。

    二、防止地电压反击
    地电压反击是当雷电流沿基站附近的避雷器对地泄放时，由于接地电阻的存在引起基站的地电位升高，基站直流负荷如BTS电源、开关电源的监控单元、基站的动力环境监控器等设备相对远端地一般都存在寄生电容，这些设备一端与工作接地相连，无流的远端地与基站的工作接地间存在电位差，因而产生差模脉冲电压，当超过设备的容许限度时必然造成设备的损坏。基站的单相交流负荷如基站空调、照明等设备的零线接在变压器的交流地上，当雷电流沿基站附近的避雷器对地泄放时，变压器的交流地和交流重复接地的电位也会升高，因此基站的单相交流设备也同样存在地电压反击的问题。
    如图1所示，我们把基站设备与接地有关的电路简单等效为线路电阻、线路寄生电感（可忽略不计）、线路负载（如传感器、BTS、空调、灯具等）终端对远端地的寄生电容组成的串联回路。假设基站的冲击接地电阻r为2Ω，防雷器对地的泄放电流为2kA，这时基站的接地排的瞬间电压为U=I×r=4kV，负载两端的瞬间浪涌电压可达4kV，如不采取措施，必然造成设备损坏。

    三、因地制宜消减反击电压
    如何避免地电压反击造成的损失？我们一般很自然会想到使用交流过压保护器和直流浪涌抑制器，即在交流变压器的低压侧、基站交流配电箱的地零间加装交流过压保护器；在直流负载的电源输入端加装浪涌抑制器。所有交流过压保护器和直流浪涌抑制器必须靠近被保护的设备安装，避免被保护设备由于接地或电源引线过长引起脉冲反射。另外一个非常重要的问题就是将基站的工作接地与室外避雷器接地在基站地网上的引接点分开焊接，这样可以大大降低基站工作接地母排的电压浪涌幅值。我们知道，雷电电流沿地网泄放时，在避雷器引下线与地网连接点附近土壤内形成一个强电位场，距离越近电压越高，将基站工作接地与室外避雷器接地分开，可以大大降低基站的反击电压。所以YD5068-98《移动通信基站防雷与设计规范》明确指出：基站工作地与防雷地在基站联合接地网上的引接点距离不应小于5m，条件允许时宜间距10m～15m。实际上除电力线路外，基站的铁塔遭雷击次数最多，与铁塔共用接地网的基站经常受到地电压反击的损害，如果铁塔地网边缘距离基站大于5m，应在基站附近另建环形工作接地网；条件差的基站可以沿铁塔地网与基站工作接地的引接线，补设接地桩；只能利用铁塔地网的基站也应把铁塔避雷接地的引接点与工作接地的引接点分别安装在对角塔基上。对于山顶基站尤其应注意将基站的工作接地与铁塔避雷接地及基站室外接地分开，因为山顶基站的接地电阻较大，接地引线较长，雷电流泄放相对缓慢，所以地电压反击比较严重。
    降低接地电阻也有利于防止反击事故。接地电阻较大的山上基站，可利用塔基钢筋、蓄水池、无爆炸电击危险的金属管路等自然接地体降低接地电阻，埋设地桩有困难的山上基站也可从塔基沿山体的自然沟壑（最好选择阴暗潮湿的地方），制作横向辐射接地网，辐射接地网长度应小于30m，塔基四周辐射的横向接地网越多越有利于雷电散流。

    四、适当选用电源线路保护空开防止雷电波侵入
    避雷器的响应特性有软硬之分：气体放电管和火花间隙防雷器是基于斩弧技术的角形火花隙和同轴放电火花隙，当线路电压超过防雷器的击穿电压后，防雷器的绝缘电阻立刻急剧下降，放电能力较强，残压相对较高，恢复电压低于原来的击穿电压，属于硬响应特性；属于软响应特性的是压敏电阻和浪涌抑制二极管，其特点是响应时间短，放电电流小，残压低而且恢复电压基本不变。避雷器的直流1mA 参考电压是我们选择避雷器的绝缘要求，硬响应的防雷器的工频后续电流和防雷器绝缘劣化可能造成线路短路，所以防雷器前面应该配置过流保护空气开关或熔丝，其额定电流应小于防雷器的最大短路允许强度。如果主电路保护空开大于防雷器的最大保险丝强度，应设避雷器分路保护空开。
    雷电波的脉冲宽度为纳秒级，所以一般防雷器均以响应时间达到纳秒为标准，有人就把基站的防雷系统按照纳秒级防雷时间进行设计，比如在C级防雷器上加装了很小的保护空开如20A或32A，认为这样既防雷又安全。实际上，在所有基站设备发生过压损坏的雷击事故中，由于防雷器保护空开的断路作用，防雷器并没有完全起到泄放雷电、限制电压的作用。这种事例从反面证实了应该选用较小设备的保护空开，并且使防雷器紧靠被保护设备安装，使被保护设备与防雷器具有相同的安全级别。
    纳秒级的雷电波在对地泄放中产生的地电压反击和雷电波侵入作用时间可能被延长至毫秒级甚至更长，我们在选用防雷器和设备的保护空开时，应根据防雷器的最大允许熔丝电流和线路的进线容许短路电流以及设备的负荷电流综合考虑，一般应按如下标准选择：
    设备的总保护空开额定电流 > 设备的负荷电流；
    设备的总保护空开额定电流 ≤ 防雷器的最大允许熔丝电流；
    设备的总保护空开额定电流 << 电路进线的容许短路电流。

    五、实现分级防雷
    防雷器的残压是保护基站设备的重要参数，一般来讲，泄流能力强的防雷器，响应时间长，残压高。世界上没有任何一种防雷器能满足所有混合雷电冲击波、残压以及响应时间指标的要求，所以应根据表1中基站电源设备的绝缘等级划分防雷层次，实现多级防护，对雷电能量逐级减弱，使各级防雷器残压相互配合，最终使过电压值限制在设备绝缘强度之内。我们认为应该结合YD5078-98《通信工程电源系统防雷技术规定》和基站的实际情况，从交流电力网高压线路开始，根据基站主要电源配套设备的耐雷电冲击指标和防雷器残压要求，采取分级协调的防护措施，进行基站的防雷系统设计。具体基站主要配套设备的耐雷电冲击指标和防雷器残压要求如表1所示。
    实现各级防雷器的能量分配与电压配合的要点在于利用两级防雷器之间线缆本身的感抗。电缆本身的感抗有一定的阻碍电流及分压的作用，使雷电流更多地被分配到前级泄放。当保护地线与其它线缆紧贴敷设或处于同一条电缆之内时，要求两级防雷器之间线缆长度在15m左右，当防雷器接地线与被保护电缆有一定距离（>1m）时，要求线缆长度大于5m即可。在一些不适合采用线缆本身作退耦措施的，如两级防雷器靠近或线缆长度较短时，可利用专门的退耦器件，此处没有距离方面的要求。
    当电力变压器设在站内时，在变压器高压侧和低压侧的三相线应分别对地加装无间隙氧化锌避雷器，作为供电线路的A级和B级过电压保护；当220V/380V低压供电线路直接进入基站时，应首先进入一楼进行B级过电压保护，在一楼设置B级过电压保护有困难时，应在机房所在楼层配电箱处设置B级过电压保护，此时须保证B级与C级电源避雷器之间的供电线路有15m以上的距离，以确保B级避雷器的正常响应。如果距离太近，势必造成C级防雷器响应超前于B级防雷器，B级防雷器没动作，C级防雷器可能被烧毁。基站的交流稳压器应该安装在B级防雷器的后面，C级防雷器的前面。
    市电进入基站机房后，应在机房内配电箱的输出端加装相应的C级电源避雷器，C级电源避雷器技术参数如下：
    雷电通流量≥2kA；响应时间≤25ns；残压峰值≤1.3kV（标称放电电流为1.5kA等级）。
    为了进一步防止雷电过电压的危害及当供电线路发生故障时造成的危害过电压，需在开关电源等交流负荷电源进线端的空开后加装D级防雷器，在直流配电屏的输出端上安装浪涌吸收装置（直流避雷器），作为电源线路的E级过电压保护，并在直流负荷设备的电源入口处安装浪涌吸收装置。对于雷害严重的地区或有雷害史的移动通信基站可考虑多加装一级交流电源避雷器，确保供电线路的防雷安全。交流配电箱、开关电源等所有负荷设备的内部防雷器接地端子应与机壳就近连接。如果负荷设备的内部防雷器与上一级避雷器之间的距离太近，无法达到15m，则负荷设备的内部防雷器则可采用串联型避雷器，即去耦合电感。
    六、"3+1"防雷器更适合于基站电源系统
    防雷器连接形式与基站低压供电系统保护相符合，也是基站防雷不容忽视的问题。目前基站的交流电源无论是自建变压器还是转供电都属于TT系统，过去我们通常使用4×1防雷器，即四只相同的防雷器分别接在相线和中性线上，尽管防雷器具有较强的放电能力，但是超载并不能完全排除，其后果是产生L-PE间的漏电流，另外设备或线路的绝缘故障也同样产生L-PE间的漏电流。由于TT系统的接地电阻较大，漏电流不能很快使线路保险熔丝或空开断开，共用基站接地排的设备外壳可能带电，危及人身和设备安全。排除这个隐患的最佳办法就是使用"3+1"方案。
    使用该方案应首先给相线和中性线分别接入三个与前面相同的防雷器，在地和中性线防雷器之间接入一个总和电流防雷器。当相-零间防雷器出现漏电时，漏电流通过中性线回到变压器，由于中性线电阻较小，所以经过一个短暂的时间防雷器的热敏开关断开这个漏电流。另外当出现地电压反击时，地和中性线防雷器之间的防雷器动作很快，可以更有效地保护单相电源设备。
    众所周知：U=L·di/dt，线路寄生的电感量与线路长度成正比，与线路的弯曲正相关，只有降低线路的寄生电感，才能降低雷电流泄放路径中产生的电压，因此基站的B级防雷器应尽量安装在距室内地排最近的地方。相线、零线与防雷器的连接尽量采用凯文接法，即被保护设备的电源应单独从避雷器的端子上引出，使防雷器端子至被保护设备电源引线的连接点的距离缩短至零。防雷器的接地线应短、直，尽量不与其他线路靠近或平行敷设。
    基站防雷系统工程是保证通信网络畅通、人员和设备安全的重要环节，涉及基站铁塔、天馈线、土建、供电、设备安装以及周围建筑等许多方面，需要我们树立长远的战略目标，不断总结经验，从实际情况入手，不断提高防雷技术水平和基站的防雷能力。