动通信基站防雷接地系统的设计方案

1、动通信基站防雷接地系统的设计推荐 翟玉杰中国联通辽宁分公司 摘要本文论述了移动基站防雷接地系统经常岀现的问题，结合多年运维经验，切实地 提岀根据实际情况设计移动通信基始防雷按地系统的设计思想。 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，形成十分突岀的目标，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

2、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，得岀一 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

3、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。 ffll基站设备与接地电路尊效簡圍 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

4、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，如图I。假设基站的冲击接地电阻 r为2欧姆，

5、防雷器对地的泄放电流为2k A，这时基站的接地排的瞬间电压为U= I* 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

6、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 设计规范明确指岀：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l0-l5m。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

7、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防止地电 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堑， 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

8、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

9、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，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。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 延长至毫秒级甚至

10、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，如图2。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。 找ft即唯电枚懦电田 * *员戕曲讹14 图2愛捷电压反击和西电波侵入影afl的 茶站i殳豪需效电路圈 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

11、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 l 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 的防雷系统设计。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

12、电网的电压波动上限值和操作过电压远小于直流lmA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： 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。 当电力变压器设在站内时，在变压器的高压

13、侧和低压侧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220/380V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 l 5M以上距离，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

14、雷器技术参数如下： 雷电通流量2kA 响应时间w 25ns 残压峰值w 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，尚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 源等所有符合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

15、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。 表1基站駅喬设备的耐葯电冲击宙标和防错要求 z- . - ! - .: !:-:. 4 J , .i. dl y ” rj, 3 .卵绘电乎eV) ir-LlnA fl.知遨M 7 A A MM 1 5=20 23(000 电力变FE咼高压K SOO 1200 幻h謄帖！沁J 压供电门瑞 C 210/360 id. tiO/U4JO 2. S mil- SkA) 600/1200 辱站斤負Z、住 -1 r八 d0. 7B 氏猊舟Fi扳灯盲 ft 垃各赳 6 3 XI十1 ,，防雷器更适合于基站电源系统 防雷器连接形式与基站

16、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4X1防雷器，即四只相同的防雷器分别接在相线和中性线上，如图3。 尽管这种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 T T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3十I 方案。 首先在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，如图4。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