移动基站接地等电位技术简介

移动基站接地等电位技术简介

1、引论2、接地的目的与误区3、移动基站接地的现状4、基站内经常遭雷击损坏设备的原因与分析5、机房内等电位连接改造内容简介1、引论

随着移动网络覆盖面的增加、网域的扩张，从节约成本等因素考虑，迫使许多移动通信机房需在高山、民用建筑中建立。而高山和民用建筑本身的环境对于移动通信机房来说是比较恶劣的：高山的土质很差，多为碎石土壤、风化岩或花岗岩石，表面土仅十几至几十厘米厚，并且土壤电阻率极高；民用建筑本身的接地系统不完善。在这种情形下如一味的降低机房地阻的代价是极高的且有时也是不可能的。据相关部门统计，遭雷击损坏的基站中：机房接地电阻5以下的占74%，5-10的占19%，10以上的占7%；该数据表明机房接地电阻的高低与雷击概率的关系为同样的地理环境下地阻小的机房反而更容易遭受雷击。当今信息技术的不断发展，大规模集成电路的普遍应用。通信设备的抗干扰能力增强了，但其耐雷击脉冲的能力降低了。只有设备间的电位差缩小了，才能减小雷击脉冲对设备的影响，而对于接地电阻值的大小则无关紧要了。因此，基站的防雷应从综合防雷，系统的进行设计，运用等电位的理论进行施工改造。才能真正确保“高枕无忧”。本讲稿针对移动机房防雷现状，阐述了等电位理论的概念、方法、施工要求以及其重要性。望能够给因移动基站被雷击损坏所困扰的设计施工人员带来一些启示。2.1移动基站接地的目的2.1.1按照IEC60950《信息技术设备的安全规范》采用通信开关电源供电的通信设备属于基本绝缘类设备。所以这类设备的外露可导电部分一定要可靠接地，其目的是为了防止设备故障时的危险电压对人身构成电击危险。因此应直接接保护地；2.1.2对于以分离器件为主的模拟通信设备，由于考虑干扰信号的地环流影响，所以设备需要独立的工作接地，但对于以大规模集成电路器件为主的数字通信设备，由于设备本身的抗干扰能力较强但内部器件的抗电涌能力极差，所以工作地可以也必须直接和保护地合一。2、接地的目的与误区2.1.3对于直流系统（-48V系统为直流正接地，+24V系统为直流负接地）其接地目的至少应包括以下两个方面：a.固定电位，防止在供电系统故障后，危险电压对人身构成电击危险；b.固定电位，防止在供电系统故障后，危险电压对设备本身的危险。

所以该接地也可以且必须和保护地合一。2.1.4为防止静电对设备本身的危害，应直接接保护地。2.1.5为给窜入系统的雷电能量提供一个泄放的渠道，应直接接保护地。2.2.1不是因为设备要防雷就一定要接地 手机不接地、电视机不接地、飞机不接地，但其防雷问题都解决的很好。这是因为雷是天与地之间的一种电荷释放现象，在该过程中，会在信息技术设备系统中产生感应过电压。对特低安全电压类设备（手机、飞机）和加强绝缘类设备（电视机），由于其不接地，所以这两类设备只要处理好差模（线间）感应雷过电压就行了。而对于基本绝缘类设备，由于安规要求必须接地，所以不但要解决差模（线间）感应雷过电压的防护问题，而且还要解决共模（线地间）感应雷过电压的防护问题，并且一般而言差模感应雷过电压的幅值远小于共模感应雷过电压的幅值。另外，由于移动通信基站是一个非常复杂的系统，雷电过电压引起的地电位抬高，高电位反击常常是造成设备损坏的主要原因，所以就造成了人们对接地的偏见，认为防雷就必须接地，甚至很多人以为防雷就是接地。

正确的概念是：基站接地是安规的要求，而不是防雷的要求；正是由于系统的接地，使得其防雷问题变得更加复杂。2.2.2不能简单的认为接地电阻越小，防雷效果就越好 通常接地电阻越小，防雷问题就越容易解决，但防雷效果和接地电阻并无直接关系。这是因为对防雷而言，接地线电感对设备的影响远大于接地电阻对设备的影响。这个原因在于只要按照标准设计和施工，接地电阻上的电压降对整个机房设备都是等电位的，而不会在设备间形成大的电位差，但引线电感上的电位差却是直接加在设备间的。天馈线开关电源GSMSPD接地电阻理论地ab配电箱380V入基站等电位示意图

如接地电阻处的电位抬高则整个机房内电位抬高,设备仍处于等电位中；但如设备至地之间引线较长的话，a线为天馈避雷器接地线（通常长度为2~3米，也有的基站为5~7米），b线为电源SPD接地线（通常长度为3~5米，也有的基站为7~9米，个别甚至有10米以上）,其上的电位差都可能引起设备损坏。这个电位差，可根据下式算出：U=Ldi/dt+IR，如引线长1m，入侵的雷电流为20kA（8/20s），则每米导线上的电压降为3.6kV，b电位会抬高至36kV，开关电源则会因过压导致损坏。如入侵的雷电流为5kA（8/20s）则每米导线上的电压降为1.2kV，a电位会抬高至6kV左右，GSM设备会因过压导致损坏。

正确的概念是：对必须接地的设备，从防雷角度讲，必须进行可靠接地，但地阻值的大小是安规的要求，对防雷效果并无直接影响。对防雷效果影响最大的是基站内系统间的等电位连接，因此为了保证基站内设备安全，设备间必须进行合理有效的等电位连接。

根据YD5068-98《移动通信基站防雷与接地设计规范》的要求，基站的接地电阻应小于5Ω，但基站所处地理环境千差万别，满足条款的要求可能有众多问题，也难以达到条文所要求的接地电阻值，当然由于基站的地网类型很多，不可能用一种模式去解决所有的问题。那么由于郊区、山区、城市、专用机房和租用建筑物环境因素不同，基站地网是否能满足标准的接地电阻的要求呢？下面分别讨论。3、移动基站接地的现状3.1建在郊区或山区的基站地网 目前建在郊区或山区基站移动通信基站有各种各样的地网，接地电阻值从几欧至几十欧姆不等。这主要由基站所处的地理环境和土质以及站址所在地区土壤电阻率所决定，对于正在运行的基站设备实践证明：“接地电阻的大小对基站设备技术参数以及信号传输没有任何影响”。另外对于建在山区的基站实际所处的地理位置与雷电的活动区域有着一定的联系，而且土质很差，大地电阻率极高（1500.m以上），要使基站的地网电阻做的很小是极为困难的。3.2建在城市利用办公大楼和大型建筑物的地网 国家标准GB50057-94《建筑物防雷设计规范》对于建筑物的接地一般都采用其钢筋混凝土基础作为地网，因为建筑物其钢筋混凝土基础埋地较深，与大地的接触面积大，在相同的土质条件下，用其基础作接地体可比一般人工接地所得的电阻低的多，另外基础钢筋埋设在混凝土中，作为接地体的钢筋不会受到外力的损伤和破坏，不需要维护、使用期限长，接地电阻稳定。对于通信局（站）这种接地方法是相当有效的。同样利用办公大楼、大型宾馆、高层建筑的基础作为基站机房和天馈线系统的接地是可行的（相对而言，此类建筑物内的主钢筋作为防雷接地系统是安全的）。3.3建在城市和郊区利用小型民用建筑的地网 移动通信系统的扩容，微蜂窝、小区化，城市中多数基站一般都利用小型民用建筑设立站址，在其建筑物房顶安装移动通信天线，并在楼顶的某一间房子作为机房，其接地也是从避雷带或房间中的柱子引出。国家标准GB50057-94《建筑物防雷设计规范》，对于通信局（站）和民用建筑的防雷设计，从建筑物的分类来讲就不是一个类别，对于通信局（站）的防雷设计要求，远高于小型民用建筑的防雷设计，不同类别的建筑物使用的目的是不同的，明明是民用建筑物，基站却要设计在这里，这就为移动通信基站的防雷接地带来不少的难题，另外往往由于条件所限或者租用的民用建筑物所处的业主和环境因素，实施接地系统的改造需要得到业主的同意。3.4机房内设备接地线的连接方式

设备的接地一般按下图所示方法，呈大星形状接地。较长的能有十几米，这样当基站受雷击时，设备间的电位差就会非常大，导致设备发生损坏。.地网排状接地汇流排设备

通信局（站）地网的概念在小型民用建筑中是不可能存在的，小型民用建筑本身的防雷接地仅是利用建筑物内的金属构件和基础内的钢筋作为防雷接地系统，由于作为雷电流引下线柱内的主钢筋并非要求焊接，此时若将建筑物本身金属构件的作为唯一的接地系统是不可靠的。4、基站内经常遭雷击损坏设备的原因与分析

曾遭雷击损坏的设备：电源类占88%（变压器、配电箱、稳压器、整流模块、空调主板、照明系统），信号类占12%（GSM或CDMA设备的核心CPU、用户板、监控、传感器、消防控制板、小微波）。高压避雷器被雷击损坏稳压器被雷击损坏感应过电压造成信号线对机壳放电光缆终端盒被雷击打掉这些设备的损坏的都是由于机房内某些设备的电源线、信号线遭受雷击或有感应过电压时，使得自身电位抬高。而其他设备仍处于低电位或零电位状态，由于机房内设备通过电源线或信号线均有若干联系，这样就在设备间形成了等电位差，导致了设备的绝缘及内部元器件被击穿所至。机房设备的接地方式的等效图一般如图一所示，当有雷击时，会在接地引线上产生较大的电位差，这个电位差有时足以使设备损坏。设备A设备B地电位抬高U=Ldi/dt+IR零电位

这个电位差，可根据下式算出：U=Ldi/dt+IR，如引线长1m，入侵的雷电流为20kA(8/20us),则每米导线上的电压降为3.6kV,如接地线长度为5米则地电位抬高为18kV。

为了减小此电位差，可采取如图所示的方法加以改造，这时的电位差，可根据下式算出：U=Ldi/dt+IR如引线长1m，入侵的雷电流为20kA(8/20us),则每米导线上的电压降为3.6kV，如果等电位连接点提高到a点（a至设备B之间为0.5m,a至PE之间为4.5m），则设备A和设备B之间的电位差降为原来的十分之一1.8kV，此改造方法适用于机房设备较多的情况下使用。

采取右图所示的方法改造后设备间的电位差会更低，效果更好。

a设备A设备B地电位抬高U=Ldi/dt+IRa设备A设备Ba地电位抬高U=Ldi/dt+IR4.2.3通信用开关电源必须和电源一级SPD进行等电位连接 移动基站机房设备的等电位连接，一般都忽略了一个至关重要的环节，就是开关电源与电源一级SPD之间的等电位连接。因为一般从交流配电箱配送到开关电源的都是三相四线形式的电源，不做等电位连接的等效形式如图所示：被保护设备SPDU1U2U3以上是SPD安装后的残压示意图。当有雷电流时，其中：U1为从配电箱到SPD的连线上的残压；U2为SPD自身的残压；U3为从SPD的接地端子到接地汇流排间连线的残压。这时，加在被保护设备的上残压为：U改造前=U1+U2+U3

SPD与被保护设备的等电位为了减小加在被保护设备上的残压，我们可以采取如图所示的办法，即在SPD的接地端子与被保护设备的接地汇流排间加一根等电位连接线。此时加在被保护设备上的残压为：U改造后=U1+U2

或U改造后=U改造前-U3当有雷电流（8/20µs）时，在导线上产生的电压降可按下式计算：假如引线长1米，入侵的雷电流为20kA（8/20us），则每米导线上的电压降为：V=1×1.44(μH)×20(kA)/8(μs)+IR≈1×1.44(μH)×20(kA)/8(μs)=3.6（kV）

5、机房内等电位连接改造

5.1机房内接地汇流排的改造 在机房走线架上依据走线架的位置新设一组环形（日字形或口字形）接地汇流排，材料采用30×3mm铜排。要求环形接地汇流排为全封闭的且电气连通。环形接地汇流排在靠近墙壁的两侧用膨胀螺栓和绝缘子将其固定在墙壁上，位于走线架上的两侧可用螺钉直接固定在走线架上。根据实际情况，位于走线架上的接地排可竖立在走线架上，也可横放在走线架上。接地引下线应就近与环形接地汇流排可靠连接。对于公用建筑或租用民房还应将房间里柱子的柱钢筋敲出，也与接地汇流排电气连通。

机房内各设备应用不锈钢螺钉就近与环形接地排可靠连接。包括交流配电箱、开关电源、GSM设备、SDH设备、DDF、环境监控设备、走线架、金属门窗等。

特别说明：如果机房内空间位置、设备摆放的情况不能完全做环形地排，可采用将局部设备做环形地排后，再与其他设备电气连通。5.2机房地面的改造

基站的接地电阻为R，当5Ω≤R＜10Ω时，沿机房设备四周铺设一圈厚度3~5mm、宽度为1m的绝缘橡胶板；当10Ω≤R＜20Ω时，将机房内的全部地面用厚度3~5mm的绝缘橡胶板铺设；当20Ω≤R＜30Ω时，全机房水泥毛地面铺设100mm×100mm网格尺寸的钢筋网，并和机房地网进行等电位连接,然后再在其上做水泥或水磨石地面，然后再用厚度3~5mm的绝缘橡胶板将机房全地面铺设。5.3电源线的改造根据通信行业标准YD/T5098-2001《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》3.1条规定：“出入通信局（站）电力电缆（线）、通信缆线应采用金属套电缆或敷设在金属管内，且电缆的金属套或金属管应两端可靠接地”。5.3.1将变压器架空至机房的电源线穿金属管埋地，埋地长度应大于15米，距离不够时可采用将电源线盘绕成空心电感圈来增加，并在两端做接地处理。这样可防止因架空线感应雷电过电压引入机房而导致的设备损坏。

5.3.2已埋地的如未穿金属管，则需穿金属管后再埋地，并在两端做接地处理。5.3.3在电源线进入机房总配电屏处，将其中性线（N线）和机房地线电气连接，形成局部TNS系统，有条件时可直接将变压器的地网与机房地网用40X4扁钢焊接连通。避免因机房地网与变压器地网电位不同，当变压器地电位抬升时，造成对机房的反击。5.4交流/直流电源的雷电过电压防护5.4.1交流电源的过电压防护：基站位于高山和郊区的雷击概率原大于位于市区内的，故从经济适用角度考虑应在机房总配电处加装一级防雷器（高山和郊区型基站加装JD150K385H4J型三相电源防雷器，城市型基站加装JD120K385H4J型三相电源防雷器），形成电源线与地线的瞬态等电位。防止从电源线引入的雷电过电压造成机房设备的损坏。5.4.2直流电源的过电压防护：在开关电源的直流输出端加装YD30K045EH型直流电源防雷器，形成直流电源正、负极与地的瞬态等电位。防止因地电位升高造成的电位反击损坏设备。5.5GSM和CDMA设备的保护 从雷击损坏设备的数据看，GSM和CDMA设备的DXU（核心控制板）受雷击损坏的机率要比其他设备的机率高，且该设备的重要性比机房内其他设备的重要性要大，如该设备损坏，则直接会