【浅谈对移动通信基站防雷接地系统的设计
摘要：本文论述了移动基站防雷接地系统经常出现的问题，结合多年运维经验，切实地提出根据实际情况设计移动通信基站防雷接地系统的设计思想.
　　由于移动通信基站的天线设置大多安装在建筑物的房顶上，还有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。通信设备损坏，耗费了大量人力财力。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。
　　1　认清移动基站雷害的主要原因
　　移动基站防雷是一个复杂的系统工程，过去我们按照防雷理论，尽量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，但是防雷效果却不尽人意，经常出现基站防雷器没有明显动作，基站设备却已经发生损坏。是防雷器不好吗？不，防雷器都是检测合格的入网产品。原来是我们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或铁塔以及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。另外我们基站内的设备外壳、天馈线、走线架等金融物全部安装了保护接地，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。
　　2　防止地电压反击是基站防雷接地的主要课题
　　当雷电流基站附近的避雷器对地泄放时，由于接地电阻的存在必然引起基站工作地的电位升高，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，这些设备一端接工作接地，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。当超过设备绝缘耐压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。　　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）、终端对远端地寄生电容组成的串联回路。假设基站的冲击接地电r为2欧姆，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=1*r=4kV，可见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。
　　3　因地制宜消减反击电压　　那么怎样才能避免地电压反击造成的损失呢？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。除此之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。众所周知，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10-15m。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在对角塔基上安装。对于山项基站尤其应注意将基站的工作接地与铁塔避雷接地及站基室外接地分开，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。
　　降低基站接地电阻也有利于电压反击事故。接地电阻较大的山上基站，可利用塔基钢筋、蓄水池、无爆炸和电击危险的金属管路等自然接地体，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也有利于雷电散流。
　　4　适当地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远近软硬之分：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，当线中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。硬响应特性的防雷器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关大于防雷器的最大保险丝强度，应设避雷器分路保护空开。　　众所周知，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纺防雷时间进行设计，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，防雷器保护空开动作占100、防雷器正常占90以上，显而易见，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，防雷器并没有完全起到泄放雷电、限制电压的作用。这种事例却从反面证实了应该选用较小的设备的保护空开，并且把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甚至更长。我们把受地电压反击和雷电波侵入影响的基站设备简单等效为寄生电感、回路电阻、对地电容组成的串联的电路。由于电感、电容的储能作用，即使不发生震荡，高压脉冲在衰减过程中其存在时间也会被大大延滞，另外雷击经常造成电网操作过电压的持续时间更长，所以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。
　　5　实现分级防雷
　　防雷器的残压是保护基站设备的最重要参数，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。另外多级防护对于某一级防雷器失效、防雷器的残压不配合设备绝缘强度等也是必须的。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备。避雷器的直流1mAA参考电压是我们选择避雷器的绝缘要求，选用时应考虑电网的电压波动上限值和操作过电压远小于直流1mA参考电压，具体基站主要配置设备的耐雷电冲指标和防雷器残压要求如表1：表1　基站配套设备的耐雷电冲击指标和防雷要求防雷级别基站设备名称额定电压（V）模拟雷电冲击波电流峰值（KV）(1.25/50μs)模拟雷电冲击波电流峰值（KV）(8/20μs)避雷器压峰值要求（KV）直流1mA（V）备注A电力变压器1000≥75≥20≤45(5kA)23000电力变压器高压侧B交流稳压器220/380≥6≥3≤2.6(1.5kA)600/1200变压器低压则和低压供电户端C交流配电器220/380≥4≥2≤1.3(1.5kA)600/1200基站内D交流整流器220/380≥2.5≥1.25≤1.3(1.5kA)600/1200基站开关电源、空调E直流配电屏直流-48≥1.5≥0.75安装在直流屏后，直流设备前
　　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），这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，这时无距离要求。摘要：本文论述了移动基站防雷接地系统经常出现的问题，结合多年运维经验，切实地提出根据实际情况设计移动通信基站防雷接地系统的设计思想。
　　由于移动通信基站的天线设置大多安装在建筑物的房顶上，还有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。通信设备损坏，耗费了大量人力财力。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。
　　1　认清移动基站雷害的主要原因
　　移动基站防雷是一个复杂的系统工程，过去我们按照防雷理论，尽量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，但是防雷效果却不尽人意，经常出现基站防雷器没有明显动作，基站设备却已经发生损坏。是防雷器不好吗？不，防雷器都是检测合格的入网产品。原来是我们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或铁塔以及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。另外我们基站内的设备外壳、天馈线、走线架等金融物全部安装了保护接地，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。
　　2　防止地电压反击是基站防雷接地的主要课题
　　当雷电流基站附近的避雷器对地泄放时，由于接地电阻的存在必然引起基站工作地的电位升高，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，这些设备一端接工作接地，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。当超过设备绝缘耐压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。　　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）、终端对远端地寄生电容组成的串联回路。假设基站的冲击接地电r为2欧姆，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=1*r=4kV，可见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。
　　3　因地制宜消减反击电压
　　那么怎样才能避免地电压反击造成的损失呢？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。除此之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。众所周知，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10-15m。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在对角塔基上安装。对于山项基站尤其应注意将基站的工作接地与铁塔避雷接地及站基室外接地分开，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。　　降低基站接地电阻也有利于电压反击事故。接地电阻较大的山上基站，可利用塔基钢筋、蓄水池、无爆炸和电击危险的金属管路等自然接地体，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也有利于雷电散流。
　　4　适当地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远近软硬之分：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，当线中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。硬响应特性的防雷器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关大于防雷器的最大保险丝强度，应设避雷器分路保护空开。　　众所周知，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纺防雷时间进行设计，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，防雷器保护空开动作占100、防雷器正常占90以上，显而易见，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，防雷器并没有完全起到泄放雷电、限制电压的作用。这种事例却从反面证实了应该选用较小的设备的保护空开，并且把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甚至更长。我们把受地电压反击和雷电波侵入影响的基站设备简单等效为寄生电感、回路电阻、对地电容组成的串联的电路。由于电感、电容的储能作用，即使不发生震荡，高压脉冲在衰减过程中其存在时间也会被大大延滞，另外雷击经常造成电网操作过电压的持续时间更长，所以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。
　　5　实现分级防雷
　　防雷器的残压是保护基站设备的最重要参数，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。另外多级防护对于某一级防雷器失效、防雷器的残压不配合设备绝缘强度等也是必须的。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备。避雷器的直流1mAA参考电压是我们选择避雷器的绝缘要求，选用时应考虑电网的电压波动上限值和操作过电压远小于直流1mA参考电压，具体基站主要配置设备的耐雷电冲指标和防雷器残压要求如表1：表1　基站配套设备的耐雷电冲击指标和防雷要求防雷级别基站设备名称额定电压（V）模拟雷电冲击波电流峰值（KV）(1.25/50μs)模拟雷电冲击波电流峰值（KV）(8/20μs)避雷器压峰值要求（KV）直流1mA（V）备注A电力变压器1000≥75≥20≤45(5kA)23000电力变压器高压侧B交流稳压器220/380≥6≥3≤2.6(1.5kA)600/1200变压器低压则和低压供电户端C交流配电器220/380≥4≥2≤1.3(1.5kA)600/1200基站内D交流整流器220/380≥2.5≥1.25≤1.3(1.5kA)600/1200基站开关电源、空调E直流配电屏直流-48≥1.5≥0.75安装在直流屏后，直流设备前
　　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），这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，这时无距离要求。