毕业论文移动基站的防护技术.doc

第 1 页 共 13 页 目目录录 一、引言2 2 二、基站整体防雷总述2 2 三、防雷类别的确认3 3 四、直接雷防护4 4 五、电源系统的避雷与过压保护4 4 六、天馈线系统的过压保护7 7 七、中继传输系统的过压保护7 7 八、接地系统9 9 第 2 页 共 13 页 移动基站的雷电防护移动基站的雷电防护 南京信息工程大学 杨海山 210044 【 【摘要摘要】 】 随着科学技术日新月异的发展，各类基站不断增多，由雷击导致基站出 现的事故也随之增多，因此为了防止移动通信基站遭受雷害，确保基站内设备的 安全和正常工作，确保建筑物、站内工作人员的安全，提高网络运行的安全系数， 实施移动通信基站的整体防雷与接地工作是十分重要的。（修改） 【关键词关键词】 移动基站 防雷 接地 一、一、引言引言 移动基站的整体防雷工程是一项要求高、难度大的综合工程，涉及多方面 的因素，需要针对不同的系统分别加以保护，又要考虑多个系统的协调工作， 在工程中不能造成对系统的任何影响。因此，在遵守国家和信息产业部有关规 范的基础上，引入国际电工委员会的先进防雷技术和标准要求，以达到更好的 防护效果。 设计依据以下标准和规范：设计依据以下标准和规范： (1) 中华人民共和国信息产业部标准移动通信基站防雷与接地设计规范YD5068- 98； (2) 中华人民共和国信息产业部标准通信工程电源系统防雷技术规定YD5078-98； (3) 原邮电部标准通信局（站）接地设计暂行技术规定YDJ26-89 (4) 国家标准建筑物防雷设计规范GB 50057-94； (5) 原邮电部标准微波站防雷与接地设计规范YD 2011-93； (6) 国际电工委员会（IEC）标准Protection of Structures against Lightning IEC 61024； (7) 国际电工委员会（IEC）标准Protection against Lightning electromagnetic impulse(雷电电磁脉冲的防护) IEC 61312； (8) 国际电信联盟 ITU-T SG5 相关建议书：K.11（过电压和过电流保护的原则）， K.27（电信大楼内的连接结构和接地），K.34（电信设备电磁环境条件分类）， K.35（远端小型机房的连接结构和接地），K.40（电信中心对雷电电磁脉冲的防 护）。 二、基站整体防雷总述二、基站整体防雷总述 移动基站是由电源系统、接收发射系统、天馈线系统、中继传输系统等构 成的一个综合系统，防雷的目的是保证各系统都能正常工作，不受雷电的干扰 和破坏。基站所处环境的不同，雷击的季节和强度都不一样，所以将需保护的 第 3 页 共 13 页 基站作为一个整体，堵塞所有的雷击入侵渠道，实行分区和等电位连接的原则， 在工程实施中按规范执行，才能起到全面的保护效果。 根据防雷分区的概念可以知道，不同防雷区之间的电磁强度不同，除 LPZ0 区外，内部防雷区因电磁衰减而与外部防雷区的雷击电磁强度不一样。因 此，加强屏蔽措施，在一定程度上可以防止雷电电磁脉冲的进入。那么，穿越 防雷区界面的线路就成了雷击的主要通道。做好穿越防雷区的线路上的防雷， 无疑是整体防雷的重点。 外部防雷装置承担大部分的雷电电磁的能量，是整个防雷系统中的最基础 一环，表面看起来与内部防雷区没有关联，但是，强大的下泄电流产生的电磁 场能在进入内部防雷区的线路上感应出过电压，破坏内部设备。 除了线路入侵和电磁感应之外，雷电电磁脉冲还可通过接地系统进入内部 防雷区。当雷击在地网附近，雷电流通过接地线下地，地网瞬间的高电位可能 通过接地线反击设备，造成破坏。由此可以得出，防雷工程不仅仅包括安装避 雷针和使用浪涌保护器，还包括屏蔽与接地等其它有助于减少电磁强度的措施。 IEC /TC-81 将整体防雷总结为：DBSE 技术即分流（Dividing）、均压 （Bonding）、接地（Earthing）、屏蔽（Shielding）四项技术的综合。如果从 设计阶段开始综合考虑四项措施，严格符合基站防雷接地规范，就能起到理想 的防护效果。 三、防雷类别的确认三、防雷类别的确认 勘测情况：该基站位于一土山上，周围空旷，雷击环境比较差，该基站机 房的长宽高尺寸为：201610，该地区的年平均雷暴日数为 41 天。 N=KNeAe =1.53.000.0091 =0.04. K-校正系数，土山顶部的建筑物取 1.5； Ne-建筑物所处地区雷击大地的年平均密度（次/Km2.a）； 则： Ne=0.024Td1.3=0.024411.3=3.00 Ae-与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（Km）。 第 4 页 共 13 页 L=20、W=16、H=10 分别为建筑物的长、宽、高,则防雷类别根据建筑物年预计 雷击次数确定，预计雷击次数的公式如下： N-建筑物预计雷击次数（次/a）；则： 因为 N=0.040.03，根据标准 GB50057-94 和 YD5003 得出直击雷防护属二类； 由于移动站的通信设备大量使用微电子电路，其抗过压能力很低，理论和实践 均表明，该类设备的损坏主要是雷电电磁脉部造成，雷电电磁脉冲发生的概率 远高于直击雷。有鉴于此，我们认为通信站的雷电电磁脉冲防护应加强。 四、四、直击雷直击雷防护防护 4.1、接闪器的设计： 由于建筑物的防雷类别为二类，所以用滚球设计接闪器时滚球半径 R=45m； 由于机房和配电房的屋面无需要保护的设备，它们的屋面接闪器采用避雷带与 建筑物混凝土内的钢筋相连构成暗装避雷网。 铁塔上的天线可在铁塔上加装避雷针保护，如（图一）所示，设天线顶端距地 高度为 h 米，距避雷针的距离为 d 米，避雷针高为 H 米。则有： 由于 R 为 45 米，h 和 d 可通过实测获得，所以避雷针高 H 可以确定。测的 h=25 米,d=1 米,可求 得 H=27 米即避雷针顶部距地面为 27 米。避雷针可选用 LZ1680,其导流面积大于 100mm2，符合 GB50057 的要求。可根据安装需要焊接或螺栓紧固在铁塔顶部。 图一图一 4.2、引下线的设计 避雷针可用铁塔作引下线，因铁塔已良好接地，所以只需在安装避雷针时 保证避雷针与铁塔有良好的电气连接，并做防腐处理即可，机房和变压器房的 第 5 页 共 13 页 避雷带用建筑物内的钢筋作引下线，将屋面避雷带按标准要求分别接在四个角 上，将避雷带与机房混凝土内的钢筋相连。 五、五、电源系统的避雷与过压保护电源系统的避雷与过压保护 由于电力线大多架空铺设，受雷击或感应的机会相当大，基站电源系统发 生的雷电事故也较多。除此之外，位于郊外的基站供电属于 TT 系统，电网电 压波动大，易造成过压损害用电设备。因此电源系统避雷及过压保护是首要解 决的问题。但国家对高压系统的避雷保护有专门规定，归属电力部门负责，因 此本方案只针对进入基站机房内的低压电力线进行保护设计。 YD5068-98 规范中第 3.1.9 明文规定要求在低压电力线进入交流屏前，安 装可靠的防雷器件，但并未涉及具体需防护雷电的级别和能量的配合。而国际 电工委员会防雷技术组织（IEC/TC81）的国际通行规范 IEC61312-1 给出了防雷 保护区概念，并对各级避雷器提出具体技术要求。 根据 IEC 的统计，自然界中首次雷击电流幅值超过 200KA 的机率不到 1%，首次雷击电流波形为 10/350s（分别指波头和半值时间）。由于外部防 雷的接闪和电磁的衰减，约有 50%的雷电能量入地，因此 IEC-1312 规定了作为 处在 LPZ 0-A 和 LPZ 0-B 防雷区之间的首级避雷器的放电流，应（40-60） KA （10/350s）。考虑到符合电气安全的设备，其耐过压能力一般是工作电 压的 2-3 倍，因此作为最内部的防雷器的残压要求在 600V 左右，对精细的电子 设备要求更低。由于雷击的强度与设备的耐压水平悬殊，IEC 经过实践证明只 有分级保护才能达到这一要求。根据设备的不同位置和耐压水平，可将保护级 别分为三级或更多。 根据多数基站配电的情况未经屏蔽的供电线路穿越各级防雷区，结合 设备耐过压能力，采取符合国内和国际规范通行的两级防雷能够达到保护目的。 对于部分雷击频繁强烈的地区，可适当增加分级分区的数量。 5.1 第一级采用德国 DEHN 公司的电源避雷器：DEHN VGA280/4，用开关箱 固定安装在基站电源总进线开关处，对地并联在三根相线和中线上，直接用 25mm2铜缆接地至总接地线。避雷器具有遥控监测触点和损坏报警指示，配合 雷击计数器，具备了移动基站防雷技术规范所有功能要求。 DEHN VGA280/4 技术参数：技术参数： 响应时间25ns； 雷电通流量60KA（雷电冲击电流波为 10/350s）； 第 6 页 共 13 页 残压峰值2.5KV 5.2 根据 IEC 364-4-442，为防止变压器高压侧某一相对变压器壳短路，造成用 户侧相线对地产生持续高电势差，第二级采用“3+1”系统，即 3 个 C 类保护类保护 器器 DEHN guard 275 T/FM 分别由三根相线对中线安装，再加上一个 DEHN gap C，连接中线和地线。这样可以进行相-相、相-中、相-地、中-地的全面保 护 电源第二级避雷器安装在交流配电屏处，通过交流配电屏可靠接地（参阅 图二），同时具有遥控监测触点和损坏指示窗口，插拔模块结构可以进行不断 电的更换操作，标准 DIN 导轨安装，也可直接在交流屏内安装。 DEHN guard T/FM 3+1 技术参数：技术参数： 响应时间25ns； 雷电通流量40KA（雷电冲击电流波为 8/20s）； 残压峰值1000V（放电电流为 15KA 等级）； 5.3 现场第一级避雷器与第二级过压保护器的安装点达到技术要求的 10 米距离，作为退 耦器件，在基站不具备线路施工条件时，可考虑安装专用退耦器。 L1 总总开关箱开关箱 节节点距离点距离 10m 交流配交流配电电屏屏 L2 开开 关关 L3 电电 源源 N DEHN VGA280/4 DEHN guard/3 DEHN gap C/1 雷击计数器雷击计数器 PE 图图二、二、 电电源系源系统统防雷示意防雷示意图图（ （标标准配置）准配置） 第 7 页 共 13 页 5.4 在部分内部屏蔽措施不得力，或基站设备距离开关电源距离较长的基站， 可以选择安装电源第三级直流避雷器 DEHNrail 48 FM，抑制前级较高的残压对 后端弱电设备的干扰。安装在开关电源直流输出处，通过直流配电屏接地，或 者直接安装在基站设备和传输设备的电源输入端。 DEHNrail 48 FML 技术参数：技术参数： 响应时间25ns； 雷电通流量5KA（雷电冲击电流波为 8/20s）； 残压峰值350V（放电电流为 2KA 等级）； 具有监控指示灯和遥控监测触点。 六、天馈线系统的过压保护 YD5068-98 规范第 3.3 条规定，基站天线必须在接闪体的保护范围内，同 时依照第 3.3.2 条规定做好馈线屏蔽层的三点接地。同轴馈线电缆与天线相连， 从铁塔或支撑架上引入机房，注意接闪器的引下线要与馈线相隔一定距离。馈 线作为雷击感应的主要通道，应在馈线进入室内的防雷区 LZP 0-1 界面处，安 装同轴馈线保护器。 6.1 由于移动基站的工作环境比较恶劣，大多数是无人值守机房，根据 ERICSSON 基站设备的实际情况，选择瑞士瑞士 HUBER+SUHNER 公司的公司的 3400.17.0098 双频馈线避雷器双频馈线避雷器，安装在走线架上、主馈线与下跳线之间的 7/16 DIN 接口处，通过屏蔽层可靠接地。此类避雷器具有寿命长、损耗低、免维护、 高功率等特点，有别于传统的气体放电式避雷器。 3400.17.0098 双频馈线避雷器技术参数：（在图中注明天馈双频馈线避雷器技术参数：（在图中注明天馈 SPD 的安装，对于的安装，对于 屏蔽体的跨接，接头的处理）屏蔽体的跨接，接头的处理） 工作原理: /4 波导分流方式 阻 抗：50； 连接接头：7/16 DIN， F -FM 工作频段：8241990MHz; 插入损耗：0.1dB 驻波系数：1.15 平均功率：500W 雷电通流量：8kA（雷电冲击电流波为 8/20s） 残压峰值：200V 基站基站 馈线上部接地 下部接地 入室处接地 第 8 页 共 13 页 H+S 3400.17.0098 图三、天馈线防雷接地示意图图三、天馈线防雷接地示意图 6.2 良好的馈线屏蔽层接地是保证避雷器工作的基础。邮电行业规范对接 地作了严格的三点接地的规定，即馈线上部（馈线顶端与天线接口处）、下部 （馈线在铁塔下部折弯前）和经走线架进机房处都要可靠接地。对于超过 30 米 长的馈线或铁塔高度 60 米时，依据规范要在铁塔中部增加接地点。 6.3 出于工程安装的快捷性，符合规范的防渗、防潮、防泄漏的要求，建 议使用专用馈线屏蔽层接地设备-瑞士 HUBER+SUHNER 公司的专用接地卡， 规格包括 1/2、7/8、1 1/4等。 七、中继传输系统的过压保护七、中继传输系统的过压保护 基站的中继系统的传输有三种形式，光纤、微波和 PCM 电缆，其传输的 通道处于 LPZ 0 和 LPZ 1 防雷区之间，也是引入雷电波的通道，因此中继传输 线路的防雷是整体防雷中不可缺少的部分。YD5068-98 规范第 3.4 条规定在信 号电缆进站处加装信号避雷器。 7.1 光纤由于其传输信号的特殊性，不受雷电干扰，光端机电源得到保护 后，做好屏蔽铠甲的接地就可以达到良好的防护效果。（是否有金属芯、远供 第 9 页 共 13 页 线、监控线） 7.2 PCM 电缆中继线是雷击感应的重点，根据基站地处环境差别大，信号 电压低、易受干扰等因素，选用尤其能适合于恶劣环境、性能优越的信号避雷 器：德国德国 DEHN 公司的公司的 UGKF/BNC 或或 DEHN SI 12V,安装在中继线入户处、 DF 架的接口前，并就近接地到接地汇集排。（补充基站网络结构拓扑图） 图四、图四、基站网络结构拓扑图基站网络结构拓扑图 UGKF/BNC 和 DEHN SI 12V 依据防雷分区的概念，在同一保护器内实现 粗保护和精细保护，具有频带宽、插入损耗低、放电流大的优点。 DEHN UGKF/BNC 或或 DEHN SI 12V 技术参数：技术参数： 插入损耗0.1dB 响应时间1ns; 雷电通流量10KA（雷电冲击电流波为 8/20s） 残压峰值20V(放电电流为 5KA 等级) 带宽 75MHz，最大传输速率 16M Bit/s。 7.3 微波中继设备采用了比较特殊的接口方式，由于微波的传输频率较高， 具有一定的对雷电衰减的能力，在规范中未涉及此项内容，根据实际经验，将 微波馈线（信号电缆）全屏蔽并根据接口不同情况安装信号或馈线避雷器即可。 八、接地系统八、接地系统 所有避雷器的保护原理是在雷击瞬间保证设备、大地、建筑物及其附属设 备之间构成等电位体，从而避免过电压的损害，其中最关键的就是接地系统。 第 10 页 共 13 页 从防雷保护的原理不难理解，等电位的构成需要各系统共同接地，否则可能因 为地电位反击而形成二次破坏效应。YD5068-98 规范中第 4.1 条明确指出：基 站使用联合接地网。 8.1 理想的接地装置（包括从接闪器、接地线到接地体）电阻是很小的， 当雷击时，不论雷电流有多大，接地装置上任何一点对大地的电势差很低，这 样对人和设备是绝对的安全。事实上这样的接地装置是不存在的，而在实际工 程中，就要求接地阻值应尽可能地小，规范 YD5068-98 要求，基站地接地电阻 值一般应小于 5 欧姆。 8.2 为了保证移动通信基站稳定可靠的工作，防止寄生电容耦合干扰，保 护设备及人身的安全，解决环境电磁干扰及静电危害，都必须有良好地接地系 统。在共用地网时，各种功能地接地既相互联系，又相互排斥，瞬时干扰及接 触部分产生电磁波会给信号线带来辐射噪声，引起误码和存储器信息丢失，所 以要注意信号电路、电源电路、高电平电路、低电平电路地应采用并联式直接 接地，而避免接在同一点上。 8.3 按照 IEC 整体防雷技术的接地要求，保证设备在雷击瞬间应处在等电 位状态。 由于部分基站的信号地、保护地相对独立，从“节约、实效”的原则考虑， 将各地网简单相连。在地网施工中，接地体应依照 YD5068-98 规范第 4.2 条要 求采用热镀锌钢材，连接使用铜缆。在地网的施工中，不仅要将地阻值降低， 而且要注意合理地设计地网结构，以保证大电流下地时均匀快速地向大地分散。 图五、图五、地网平面示意图地网平面示意图 8.4 图六说明了接地和等电位连接的工作原理。 在雷击瞬间由于避雷器件的快速导通和大电流的泄放，使设备内部线路器 件、机壳、铁塔和建筑墙体金属构件以及金属屏蔽物等都与地网同时连通。这 样在雷电发生的瞬间，机房内部和外部各个物体处在与地网相等的电位上，避 第 11 页 共 13 页 免了因物件之间的电势差而使设备损坏。 8.5 避雷器在极短的时间内(ns 级)响应，电流快速泄放，地网能否快速发 散电流，是整个系统建立等电位的关键。因此要根据地理环境和土壤电阻率的 不同而设计地网的结构，使电流合理快速的发散。 8.6 接地电阻偏高的基站必须进行整改。由于基站属联合接地，外部防雷 系统接闪电流大，防止互扰的角度考虑，接地体的铺设应以封闭环行为佳。对 环行接地体所包围的面积的等效半径（A/）1/2小于 5m 的情况下，每一引下 线应增加水平或