1、通信基站的防雷和接地保护方略摘要：通过对基站遭雷击和不完善接地引起的故障案例分析，指出了查清雷电、电势差、静电危害的途径及因素是预防工作的关键，阐述了接地系统不仅是通信系统的重要组成部分，而且还关系到人员和设备的安全，重点介绍了基站防雷和接地保护方法及其操作经验。 关键词：雷电；电势差；静电；接地；地网 中图分类号: TM862 文献标识码：A 文章编号 1 引言 随着通信行业的高速发展和手机的普及，移动基站已经走进村落，有的站点建设还涉及到一些边远山区或公路沿线两旁，为了信号覆盖的需要，通常站点设置都在较高位置，在雷雨天气容易遭到雷击，轻则使网络中断，严重的损毁站内的设备。另外，基站内包括移
2、动收发信机、交流配电柜、直流高频开关电源、蓄电池、传输中继柜、空调等电气设备，其采用的供电方式不尽相同，有交流 380V、220V 和直流-48V 等，因而设备工作产生的静电、漏电或设备间的电位差都可能影响设备的正常运行，严重时还会损坏器件，甚至威胁维护人员的安全。以上因素表明，基站防雷和设备保护接地工作在基站工程建设中是一个重要环节，只有对危险源有了充分认识，才能使基站接地工作做到有的放矢，事半功倍。因此，在查阅了通信系统大量防雷接地的相关文献，并结合实际工作经验对其进行系统性的综述。 2 基站遭雷击和不完善接地引起的故障案例 实际生产工作中，被雷电击中导致设备故障的情况时有发生；由于接地地
3、阻值超标或是接地不可靠，造成的设备运行不稳定的情况不时出现，由此造成的经济损失更是数以万计。 马龙石河基站雷雨天出现严重故障，站内部分电气设备被雷击损毁，高频开关电源、传输设备、收发信机主设备（BTS）外部有明显的烧焦痕迹，高频开关电源柜内的主控模块和整流模块尤为明显，主控单元显示屏呈焦黑状，整流模块连接母板的插针都呈黑色。红河绿春大黑山基站雷雨天二扇区设备不工作，现场发现机柜内的二扇区接天馈线的合路器指示灯熄灭，馈线接头处有烧过痕迹（呈黑色） 。 上述两个案例可以通过外部的明显特征判断雷击是故障的原因。下一个案例，没有外观的痕迹，在判断故障原因时就比较困难，需要采用多种方案来验证。 师宗捏龙
4、基站开通正常运行一段时间，雷雨天时整个基站通信中断。维护人员到现场处理发现：配套设备如交流配电屏、高频开关电源、传输设备、电池和空调都工作正常，而主设备收发信机（BTS）内部的部分单元主控单元、传输单元、载波机、电源单元工作指示灯熄灭，不能用计算机对其做联机操作。根据经验，造成单元故障的原因主要有两种情况：其一是单元内部的元器件自然损坏；其二是外部原因造成，比如温度过高、过电压、雷击引入等。首先确认单元是否正常，断电后，从机柜中拔出单元检查没有发现外观上的异样（如果遭到雷击会有过电流烧毁的痕迹） ，随后测试机柜电压，-50.3V,在标准范围；继之查看高频开关电源主控单元的历史纪录，告警信息中没
5、有严重告警提示，输入的三项交流电压在标准范围，零线与地之间无电压差；最后检查接地，连接可靠，测量地阻值 3.5,低于 5 要求值。经过以上排查，基本判定是单元自身故障。更换故障单元，基站恢复正常运行，但其运行不到1 个月，又出现了同样的问题。因主设备是诺基亚公司生产的，故障的单元已返回国外的生产线进行维修，所以我们暂时得不到单元故障的最终原因，只能通过现场迹象和手中的用户手册判断，在故障定位方面不能做到精准。第二次除了更换故障单元，还更换了机柜，并对天馈线的防雷措施做了加强，但设备运行不久又出现了同样故障。由于出现两次相同故障，而且根本原因也没有查明，随后查找了主设备和高频开关电源的相关资料，
6、通过对主要电压电流参数值作细致对比，发现武汉洲际生产的高频开关电源能承受的电压波动范围要大于诺基亚公司生产的主设备（BTS）部分单元，即当输入的交流瞬时电压增高，没有对高频开关电源设备造成损害，但增加的电压立即会通过整流模块（交流变直流）输出到主设备（BTS） ，造成主设备单元中的元器件被过电压击穿。在第三次处理该站故障时，移动公司加装了防浪涌的过电压保护装置。至此，该站没有再发生同样的故障。 没有等电位接地会引起传输设备误码增高，导致基站传输单元掉死，继而造成通信单元时钟偏移，通话掉话。台州路桥中能集团基站运行一段时间后，主设备（BTS）时常掉死，首先对各单元做测试，没有故障提示或性能降低报
7、告，又对关联设备进行检查高频开关电源柜工作无异常，传输设备告警灯闪烁，指示误码率高。从原理上分析，传输设备误码率高主要由设备内部元器件性能下降、传输线路损耗大、连接头虚焊或没有可靠连接导致。经检查，对线路、接头的问题进行了排除，更换传输设备，然而运行一段时间后又出现了同样问题。排除设备本身问题，再进一步检查，用万用表测量发现传输设备与主设备之间有 2V 电压差，对传输设备重作接地处理，问题得到彻底解决。河口南屏基站运行后出现基站主时钟和 2M 时钟不同步的告警，站点周围有用户反映手机通话时偶尔会出现掉话情况。对主控单元的晶振时钟进行校准一段时间后问题再次出现，便更换主控单元，问题还是没有解决。
8、其后经测量基站地网地阻值高达 30,远远超出 5 标准值，于是通过降低地网地阻值的方法，故障得以排除。 3 雷电、电势差、静电的危害途径分析 3.1 雷电侵入途径分析 3.1.1 通过电源线、信号线或天馈线引入 基站的耗电量大，很多基站是单独安装变压器从高压电网上取电，降压到 380V 后再对基站内设备供电。试验表明，雷电频谱在几十 MHZ 以下频域，主要能量集中分布在工频附近。因此，雷电与市电相耦合的概率很高。电力线路往往要翻山越岭，架空的电力电缆容易遭到雷击。高压电力线路遭直击雷袭击后，经过变压器耦合到各低压 0.38kV/0.22kV线路传送到建筑物内各低压电气设备；另外低压线路也可能被
9、直击雷击中或感应雷过电压。据测，低压线路上感应的雷电过电压平均可达10kV，完全能击坏各种电气设备，尤其是电子电器设备。 国家对信号线路的铺设有严格的规定，省际间传输干线要求地埋方式，其他可以采用架空方式走线。基站属于传输线路的末端，都是采用架空线路进入机房。如果发生了落雷到通信电缆附近时，因为大地不是完全导体，就产生垂直电场和水平电场。感应电压产生感应电流通过通信线缆的固定金属芯或是金属屏蔽层沿电缆的长度方向进入机房。基站内通信线路终端以及通信中心大楼内通信线路终端发生的感应电压的频率近似值计算参照公式（1） 、 （2） 。 NS=0.6105V1.8 （1）NC=0.36104V1.8 （
10、2） 式中 NS基站内通信线路终端发生的感应电压的频率； NC通信中心大楼内通信线路终端发生的感应电压的频率； V感应电压的峰值。 为了扩大覆盖范围，基站天线通常都是放置在屋顶或塔顶，尤其是在郊区、农村和山区，天线的摆放位置更要求尽可能高，馈线连接天线由高往低处布线，最后进入机房，连接到主设备。在雷雨天，位置处在高处的天线遭到雷击直击雷或感应雷的可能性增大，雷电产生的瞬时电流容易经过天馈线进入机房，对设备造成损害。 3.1.2 地电位反击引入 地电位反击通常通过以下两种方式损害设备：阻性耦合方式经数据线破坏设备，或经中线、地线破坏设备。雷击时，强大的雷电流经过引下线和接地体泄入大地，在接地体附
11、近放射型的电位分布，若有连接电子设备的其他接地体靠近时，即产生高压地电位反击，入侵电压可高达数万伏。建筑物防直击雷的避雷设施引入了强大的雷电流通过引下线入地，在附近空间产生强大的电磁场变化，会在相邻的导线（包括电源线和信号线）上感应出雷电过电压。这个电位差可根据下式算出： UA=IR +HL0di/dt 式中 UAA 点对真实地的暂态电位，kV； di/dt雷电流波头时间变化率； I雷电流，kA； R接地体的冲击电阻，； L0引下线单位长度电感，H/； HA 点到接地体的长度，m。 如引线长 1m，入侵的雷击电流为 20kA(8/20s)，则每米导线上的电压降为 3.6kV，如接地线长度为 5
12、m，则接地电位抬高为 18kV。 3.2 电势差和静电的危害 基站系统中，通电时交直流电源线缆会使周围的闭合线路和金属构件产生电磁感应，工作中的电气设备也会使基站内的导体产生静电感应，当电荷积累到一定程度，就会对设备构成损害（设备间的电压差也会对设备造成危害） 。其他方面，由于工作人员身体所带有的静电，操作中也会对设备造成影响。 4 接地方法综述 4.1 基站地网的组成及要求 基站地网是防雷和接地保护的基础，所有危害电荷和电流都是通过地网泄入大地，因而前期地网安装尤为重要。接地材料的选择，入地深度、接触面积大小都要根据当地情况(如大地土壤结构、电阻率、雨量大小、雷暴天数等)而定，要求地阻在 5
13、 以内，而且接地引线要尽可能短，以便降低阻抗，方能使瞬间的大电流在极短时间泄入大地，避免地阻过高形成的地电压反击室内电气设备。基站地网通常由机房地网、铁塔地网和变压器地网等部分组成。 4.2 防雷接地措施 防雷工程涉及面广，不可能依靠一两种先进的防雷设备和防雷措施就能完全消除雷击过电压、感应过电压的影响，必须针对雷害入侵途径，对各类可能产生雷击的因素进行排除，采用综合防治均压、屏蔽、分流、接地、保护（包括安装先进的防雷产品、过电压保护器、浪涌保护器）,才能将雷害减少到最低限度。防雷接地措施分为外部防雷和内部防雷，这两道防线，相互配合，各司其职，缺一不可。 4.2.1 外部防雷（图 1） 通过外
14、部高大建筑形成的空间隔离保护，由接闪器和引下线组成，末端接到地网。当有雷电来袭时，接闪器能够在第一时间把危害电荷通过避雷引下线引入大地，使机房免遭雷击，并减少室内电气设备及金属器件产生感应电压的几率；另外，天馈系统也要在进入机房前安装避雷器件，把可能会产生的感应电流提前引入大地。 图 1 基站铁塔及天馈系统防雷 4.2.2 内部防雷 内部防雷系统主要是对建筑物内易受过电压破坏的电子设备（或室外独立电子设备）加装过压保护装置避雷器和内部防雷系统主要是对建筑物内易受过电压破坏的电子设备（或室外独立电子设备）加装过压保护装置避雷器和防浪涌保护器，在设备受到过电压侵袭时，防雷保护装置能快速动作泄放能量
15、，从而保护设备免受损坏。内部防雷又可分为电源线路防雷和信号线路防雷两种（图 2） 。 图 2 线路过电压保护示意图 1）电源线路防雷。电源线路遭雷击是各类雷电侵入危害中最常见的一种。电源防雷系统主要是为了防止雷电波通过电源线路而对机房内设备造成危害。为避免高电压经过避雷器对地泄放后的残压过大，或因更大的雷电流在击毁避雷器后继续毁坏后续设备，以及防止线缆遭受二次感应，依照 GB50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范 ，应采取分级保护、逐级泄流原则。一是在机房的总进线处安装放电电流较大的首级电源避雷器，二是在机房内电源入设备前加装次级或末级电源避雷器。为了确保遭受雷击时，高电压首先经过
16、首级电源避雷器，然后再经过次级或末级电源避雷器，首级电源避雷器和次级电源避雷器之间的距离要5m（如果两者间距不够，可采用带线圈的防雷箱） ，这样即可避免次级或末级电源避雷器首先遭受雷击而损坏。 2）信号线路防雷。信号线路包括光传输、微波传输、电信号传输和高频信号传输等线路。由于雷电波在线路上能感应出较高的瞬时冲击能量，因此要求网络通信设备能够承受较高能量的瞬时冲击，而目前大部分通信设备由于电子元器件的高度集成化而致耐过压、耐过流水平下降，在雷电波冲击下遭受过电压而损坏的现象越来越多，其后果是可能造成整个通信系统的运行中断、消防系统失灵等。因此，必须在网络通信口加装必要的防雷保护装置以确保网络通
17、信系统的安全运行，选型时也应充分考虑到防雷产品与通信系统相匹配。 4.3 等电位联结措施 等电位联接，即机房内所有设备和金属器件的接地互相联接（图 3） ，即可有效防止过电压的产生。 图 3 机房接地系统 在通信系统的初级和次级网络设备之间防止过电压的生成，即可避免放电。设备机架和电缆走线架要采用等电位联接。室内设备的电缆都尽量布置紧密，以防止电位差。接地导体呈线性安装并尽可能的短，可以降低阻抗和轴向电感。另外，电气设备单元外层加装屏蔽，屏蔽层与机柜外壳有良好接触，机柜也作接地处理，就能对所有单元起到防止静电和电磁干扰的作用；机房内地面也需要做防静电处理，使电气设备与地面绝缘，避免形成地回路。
18、 5 实施效果 本文开始提到的几个案例，经过相应的技术措施改进施工后问题得到了解决，且设备后期运行良好，系统装置运转周期延长。这也意味着减少了后期此类故障的处理次数，有效降低了运营商频繁处理故障带来的成本；同时证实，这些技术措施在防雷和接地保护、减少电势差及静电电荷危害设备性能方面效果显著，而且取得了较好的经济成效。 6 结论 现代电子技术的高速发展，带来的负效应之一是其抗雷击浪涌能力降低，以大型 CMOS 集成元件组成的电子设备，普遍存在着对暂态过电压、过电流耐受能力较弱的缺点。 暂态过电压不仅会造成电子设备产生误操作，由于接地系统不直接产生经济效益，往往容易被各运营商忽视，更加大了设备因接
19、地措施不到位而引起故障的概率。因此，只有在前期工程建设以及后期的设备运行维护中，提高对防雷和接地系统重要性的认识，对每一项防雷、接地工程工作做到精心设计、精心组织、精心施工、精心操作，严格把关，充分做好每一个环节、每一个部位的工作，才能在雷电危害来临时把损失降到最小，从而创造出更好的经济和社会效益。 参考文献： 1移动通信基站防雷与接地设计规范 YD5068-98.北京:北京邮电大学出版社，1998-09 2建设部标准定额研究所.建筑物电子信息系统防雷技术规范 GB50343-2004.北京: 中国建筑工业出版,2004-06 3 能源部.电气装置安装工程接地装置施工及验收规范 GB50169-92.北京: 中国计划出版社,1993-07 4强爱宁.移动通信基站铁塔接地设计的探析J.陕西建筑,2009,(11)
