防雷技术

移动通信基站： 基站综合防雷技术及应用
摘 自： China通信网发布时间： 2006-3-29 0:00:00
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2006-3-24  通信世界
摘要:本文针对铁岭地理位置、气候条件，依据信产部行业标准、规范及国内一些防雷技术理论，主要从直击雷的防护、暂态过电压保护及接地三方面着手，对雷击不同形式的危害进行综合防治，以确保联通基站免遭雷击危害。
关键词：基站防雷技术 研究
1 前言
我省年平均雷暴日数较高，铁岭的年平均雷暴日数为：26.4日，属于中雷击活动区。而且经过铁岭联通的几期工程建设，新建基站多已位于山区或郊外较空旷地区，金属构架的铁塔由于相对位置较高，是最易引发雷击的目标，铁塔一旦遭受雷击，基站内设备将位于雷电干扰中心（直击雷干扰半径为500m），内部引线将产生强烈的电磁感应，这种干扰甚至直接作用于基站内各种设备的线路板，而造成其损坏。另外雷电的电磁感应、二次效应以及地线的反击都会对基站内设备造成危害。所以对于高山和野外基站，作好直击雷防护至关重要。
多年的维护工作，亲历了无数的基站雷击的危害，查阅了大量国内、国外有关技术资料，结合工作经验，以下就谈谈对基站综合防雷技术及应用方面的几点观点和建议。还有很多不成熟之处，真诚的希望专家和同行们批评、指正。
2 直击雷的防护（铁塔顶部防雷保护）
首先谈谈直击雷的防护。通常的铁塔采用传统避雷方法，其工作原理是通过避雷针一次性较大能量的放电吸引雷电流袭击避雷针本身，以其良好的接地把雷电流传导入地来保护被保护目标。然而在避雷针引雷入地的过程中，被保护范围附近的电磁场也将发生迅速的变化，由于雷电感应，机房的线路中产生感应电压和电流，对设备造成损坏。因此，传统避雷方法可以有效地保护铁塔免受直击雷摧毁，却无法减少（甚至加剧）其对基站内设备的干扰甚至破坏。另外，地电位必将发生变化，这样就会影响设备间电位不平衡，从而造成设备的损坏或形成反击。
经过多年实践和摸索，国内已开发并使用了“导体多短针雷电放散”装置。它是通过防止地面电荷的积累及离子化通道的形成，能最大限度地减少雷击在被保护范围发生的几率，从而有效地保护基站内各种设备。
2．1，选型依据
目前，业内常用的优化避雷针是一种提早电子流发射避雷装置，它引雷后通过阻抗层（电感阻抗层或半导体阻抗层）进行限流，以减少雷击危害。这种避雷针虽然可以通过其限流作用，来减少地线反击及雷电感应的危害，但由于其引雷作用，却在另一方面增加了直击雷在塔上发生的概率，从而增加了雷电感应对内部设备干扰的次数。而且这类避雷针在遭雷击时，其阻抗层易受雷击损坏，因此要在每次雷击过后进行检查。
综上原因，建议上顶或开阔地带基站铁塔采用“导体多短针雷电放散”方式，进行铁塔直击雷的防护。即通过在铁塔顶部平台、避雷针及悬挂天线上加装导体多短针雷电放散装置以最大限度地减少直击雷发生的几率。“导体多短针雷电放散”装置是美国90年发明专利，1997年4月通过美国UL认证，也是目前国内唯一通过美国UL认证的防雷系列产品。
2．2，导体多短针雷电放散装置的工作原理
我们都知道：尖端周围的电场强度越高越容易放电，而电场强度取决于如下因素：
E=Q/4πεr2
由上式不难看出，相同空气介质条件下，在电荷量Q一定的情况下，尖端的曲率半径越小，电场强度越高。“导体多短针雷电放散”装置的放电尖端极细（直径0.2mm），因此在积累电荷库仑量很少的情况下，电场强度就已经很高，尖端开始放电，同时，“导体多短针雷电放散”装置的放散电极很多（从几万到十几万不等），又可以保证积聚到塔顶的大量电荷得到及时放散，有效地避免电荷的积累。由于每根针上积累的电荷库仑量很少，无法远距离电气击穿，故不易与云层的步进先导接通，因此不易引发雷击。而雷云是在空中不断移动的，只要在其移到铁塔上方的时间，阻止了雷电离子化通道的形成，这次雷击就避免了在被保护目标处发生。
“导体多短针雷电放散”装置将传统避雷针的一个较大的放电尖端，变为很多极细的放散电极，通过其大量放散电极的小能量、高频率的尖端放电，避免地电荷在铁塔顶部积累，阻止雷击离子化通道的形成，避免或减少雷击形成的可能。
2．3，导体多短针雷电放散装置的特点
2．3．1，放散电极数量很多、曲率半径极小，可以有效地避免电荷的积累，最大限度地减少雷击几率。
2．3．2，重量轻、低风载、安装方便。放散自重小，可以很方便地根据塔顶的结构及悬挂情况进行加装，不需要对原有的构造物进行改造，安装十分方便。且放散装置自身抗风能力强，能抗55米/秒的风速，不会增加铁塔的风载。
2．3．3，由于通讯塔顶需要保护的设备较多（如微波天线、GSM、CDMA天线等），按滚球法测算，安装于塔顶的传统避雷针，很难使远离塔体的GSM、CDMA天线处于保护范围之内。而配置中的点状放散装置可以任意加装在需要保护的目标上（如天线抱杆），确保塔顶所有设备位于保护范围之内。
2．3．4，“导体多短针雷电放散”装置是全金属结构，减少维护量，无任何副效应。
2．4，导体多短针雷电放散装置的合理安装位置
2．4．1，当雷云移到铁塔上方时，地电荷沿着塔腿向上移动，将首先到达铁塔顶部边沿并在此积累。配置中的“线状雷电放散”装置安装于塔顶四周，可使地电荷随时积累随时放散，从而降低铁塔顶部的电势，有效地防止直击雷从塔顶发生。
2．4．2，塔顶避雷针所处位置最高，最易引发直接雷击，需在此加装点状放散装置。
2．4．3，通信铁塔所处地理位置较高，安装于塔顶顶部的GSM、CDMA天线、微波天线抱杆同样有遭受雷击的可能性，需在这些部位加装点状雷电放散装置，以避免这些部位引发雷击。
2．5，导体多短针雷电放散装置的可靠性
具不完全统计，到目前为止，国内所安装的“导体多短针雷电放散”装置。无一例因使用或安装及技术等问题遭受直击雷（是否遭受直击雷可从装置中的放散电极是否完好判定）。
3 感应雷防护（站内暂态过电压保护）
再谈谈感应雷电对电子设备造成的危害，在基站遭受雷击的事故中，有很大一部分是因感应雷沿供电线路引入引起的，为防止这类危害的发生。经过多年试验的总结，建议在基站内采用分阶段保护措施来抑制雷电感应和系统操作引起的暂态过电压，使设备免受暂态过电压的破坏。
3．1，交流系统第一阶段防护
在交流线路引入基站后，在主配电盘处加装通流容量为80KA的暂态过电压保护装置，以防止感应雷沿交流线路引入对站内设备的危害。这一级的防雷产品因距离设备较近，除具有大的通流容量外还应具备快的反应时间。
这里建议采用每相通流容量为80KA（极限峰值为120KA）的“暂态过电压保护”装置进行这一级防护。对于市区或供电电缆埋地引入的其他基站，为尽量降低建设成本，也可采用每相通流容量为40KA的“暂态过电压保护”装置进行这一级防护。
3．1．1，选型依据：
防雷装置能否有效地对通讯设备起到应有的保护作用，关键因素有二个，一是对雷击浪涌电流的承受和泄放能力；二是反应时间。
3．1．1．1，泄流能力的选择依据
根据统计资料，雷电平均强度为25-40KA，迄今为止有记录的最强的雷击电流为200KA，因此为使绝大部分雷击引起的浪涌得到有效的抑制，暂态过电压浪涌抑制器的通流容量应在40KA以上。
如果基站地理位置较高，且交流线路架空引入，雷击危害将更为严重，所以浪涌抑制器应具有更大的泄流能力。建议采用每相通流容量为80KA(极限峰值120KA)的“暂态过电压保护”装置。
但市区或供电电缆埋地引入的基站因其遭受直击雷的几率较少，感应雷强度较低，可使用每相通流容量为40KA的“暂态过电压保护”装置。
3．1．1．2，反应时间越短越好
雷击为大能量、高频率放电，这就要求浪涌抑制器要有极快的反应速度，否则浪涌抑制器未及反应，浪涌已进入设备造成通讯设备损坏。
建议采用具有大的通流容量和快速反应时间的产品。
3．2，交流线路第二阶段防护
在单独设备空气开关处加装通流容量为20-40KA暂态过电压保护装置（视该区域的雷击强度及铁塔是否有引发直击雷可能确定），以逐级限制过电压及抑制内部线路感应及系统操作过电压。因开关电源自身配备的20-40KA的避雷模块可以满足这级防护的要求，在此可不重复配置。
3．3，电源系统第三阶段保护
对接地电阻较高或山区的基站，为防止地线反击，可在电源设备的正负极间加装48V直流浪涌吸收装置。
3．4，天馈线和数据线、信号线保护
因天馈线外部具有金属屏蔽层，雷电感应多集中于此，因此，如果馈线在塔顶、塔中和进入基站前多次良好接地，为减少信号损耗和改善驻波比指标，可不加装馈线避雷器，而且通讯设备供应商通常已在基站内配有馈线避雷器，可不重复配置。
4 有效的连接和接地
4．1，单点接地电位基准
最后谈谈如何有效的设备连接和接地。正确的连接与接地，对防止由于地面的跨步电压对设备造成的损害十分重要。所以，建议在基站内的设备连接，采用单点接地技术以防止这部分危害的发生。
4．1．1，所谓单点接地是指：
4．1．1．1，基站内所有设备的外壳应单点接地；
4．1．1．2，所有进线（交流电源线、馈线、电话线）在进入基站前应实现单点接地。
4．2，设备地线应分区接地
在接地汇流排上应将易产生浪涌的设备（如主配电箱、电源设备等）地线和易受浪涌干扰的设备分区接地以更有效地防止浪涌干扰。
5  结束语
雷电会导致多种不同形式的危害，没有任何一种产品或技术可以同时防止雷电所有形式的危害，因此防雷是一项系统工程，需要从构筑物雷电防护、暂态过电压浪涌抑制以及有效的连接和接地等几方面综合考虑，才能达到理想的防雷效果。
参考文献：1，信息产业部标准YD5068《移动通信基站防雷与接地设计规范》、2，信息产业部标准YD5078《通信工程电源系统防雷技术规定》、3，信息产业部标准YD2011《微波站防雷与接地设计规范》