通信基站雷电防护系统说明

雷电防护系统

１、基站铁塔部分

通信基站的铁塔部分包括天线、馈线(分布基站RRU)和塔灯电源线，它们暴露于室外，受雷电的影响相当大，应尽可能做好其防护工作。利用基站铁塔和常规避雷针，可以有效地保护天线免遭直接雷击。

A、接闪器

大部分天线的防雷措施，主要是在通信铁塔上安装避雷针，这种方法经济、简单，但应严格按照以下要求进行设计。

基站天线通常放在铁塔上，天线安装位置应在避雷针的防护范围内。避雷针应架设在铁塔顶部，与铁塔焊接，并做好焊点防腐处理。避雷针的架设高度按滚球法计算，滚球半径应符合所选择的防雷体系的保护等级，避雷针宜采用圆钢或钢管组成，当针长为1～2m时，可采用直径为16㎜的圆钢或直径为25㎜的钢管。避雷针应与天线之间保持一定的间隔，防止由于避雷针的存在而损坏天线的辐射图形，影响通信效果。

B、防雷接地引下线

铁塔本身就是良好的引下线，因铁塔已良好接地，塔身截面足以安全通过雷电流。所以，只需接闪器与铁塔有良好的电气连接，并做防腐处理，即可保证雷电流及时流入大地，这样既减少投资，又达到保护的目的。

C、馈线

基站的馈线一般采用同轴电缆，由于它已在避雷针的保护范围内，其引入机房的主要是感应雷电波，所以，可采取屏蔽层接地的方法，将雷电流尽快泄入大地，减少对机房通信设备的影响。应将同轴电缆的金属屏蔽层在塔顶与铁塔的钢梁连接，作为一个接“地”点；离开塔身至机房转弯处上方0.5～1m适当位置与铁塔钢梁连接，作为另一个接“地”点；在机房入口处就近与地网引出的接地线妥善连通，作为第三个接“地”点。当同轴电缆长度超出60m时，金属屏蔽层应在铁塔中部增加一处接“地”点，使相邻两个接“地”点间的距离不超过60m。电缆金属屏蔽层接地可以防止高电位引入机房，在高电位到达电缆时，电缆金属屏蔽层与芯线之间的绝缘介质被击穿，两者连通。根据集肤效应，电流被排挤到金属屏蔽层而进入大地，从而起到钳制高电压引入的作用。同轴电缆进入机房后，在连接到基站通信设备前其芯线应加装天馈避雷器，以便让从芯线传来的雷电能量泄放到大地，防止感应雷的引入。

上述是对于传统射频拉远技术的馈线的防雷保护,而在联通基站现在大多采用分布式基站,分布式基站的RRU在铁塔上或房顶上就近与天线相连，目前的RRU前端端口采用腔体滤波器，其本身具备非常好的防雷功能，可以不在设置馈线避雷器，但是根据标准和防雷保护原则，也可以在RRU和天线之间装置馈线SPD保护RRU。

C、其它设施

基站铁塔顶部如设有航空标志灯，对于使用交流电的塔灯，其电源线也是雷电流引入的途径之一，应采取必要的防雷措施，首先应保证塔灯在避雷针的有效保护范围内。塔灯电源线应穿金属管布放或采用屏蔽电源线布放，屏蔽层、金属管全长应保持电气上的连续。穿线金属管在铁塔顶端与铁塔钢梁作可靠连接，在机房入口外侧处应与机房地网就近连通，为了加强屏蔽的效果，横向布设的金属管可每隔5～10m就近接地，尽可能焊接，并处理好焊接点防腐防锈。塔灯电源线应在机房入口外侧对地加装避雷器后再进入机房。塔灯电源线若不穿金属管，则必须采用有金属护套的电缆，绝对不许只用普通电源线引接灯塔电源。

2、基站电力传输部分

基站由市电或油机供电（现在新能源基站还有采用光伏、风电一体的新能源基站），通过架空线将高压电输送到变压器，经变压器变成低压电后，再由电力电缆进入基站交流配电屏。

A、高压架空线

由于高压架空线要经变压器、低压电缆才进入基站，所以，如何最大限度减小高压架空线进线段遭直击雷的概率，是我们应当重点解决的问题。为了防护高压架空线免遭直击雷袭击，宜在其上方架设避雷线，对高压架空线进线段进行保护，避雷线的架设长度不宜小于500m。避雷线能将雷云对高压架空线的放电引向自己并泄放到大地，防止高压架空线遭受直接雷击。一旦高压架空线受到雷电绕击时，避雷线还会起到分流、耦合和屏蔽作用，使高压架空线所承受的过电压降低。为了稳妥起见，还可在高压架空线终端杆上对地增设一组氧化锌避雷器，从而起到限制雷电波幅值和陡度的作用。

避雷线和氧化锌避雷器都应作相应的接地，避雷线除终端杆处，应每杆作一次接地，使得雷电流分散泄入大地。站区内终端杆接地体，离基站地网的距离应有20m以上，以避免地电位反击，若达不到此距离，需与地网连接。站外各杆应单设接地体，接地体宜设计成辐射形或环形，接地电阻值终端杆应小于10Ω，其余各杆小于30Ω。

B、供电电力变压器

通信基站宜装置专用独立电力变压器，并在变压器处完成由TN-C系统到TN-C-S供电接地系统的转换。为了保护变压器，必须在其来波方向设置一条装有避雷器，且其阀值电压远远小于雷电电压的接地支路，让雷电冲击波先行泄入大地，使其降低到变压器绝缘能承受的范围内。因此，变压器高压侧的三根相线，应分别在靠近变压器处，对地装设相应电压等级的氧化锌避雷器。在变压器低压侧，三根相线也应分别就近对地加装氧化锌避雷器。它可将侵入低压配电系统的大部分雷电流泄放入地，同时也保护了变压器的高压部分，因为侵入低压系统的过电压可以通过正、反变换到高压端，破坏高压端的绝缘。

C、低压供电输电电源线

从变压器到基站的机房，低压线路宜全程采用具有金属护套的电缆穿钢管埋地引入，电缆长度不宜小于50m，埋地深度不小于0.7m。在机房入口处，将金属护套和钢管就近与地网连通，由于雷电流的集肤效应，可使相当大的一部分电流沿金属护套和钢管接地端口泄入大地，最大限度衰减从其上引入的雷电高电压。电源引到机房后，应根据设备的多少和配置来增设相应的防雷保护措施。

3、基站机房部分

基站的核心通信设备都在机房内，因此，做好这部分的防雷是基站整体防雷工程的关键。

A、机房

如果基站机房位置的海拔高度很高，有时直击雷可能从横向及斜面击来，出现绕过避雷针，再击中机房的绕击现象。在这种情况下，独立的避雷针往往已不能防御雷电对机房的直击，因此，必须采取其它有效的防雷措施。

机房的防雷主要在屋顶安装避雷带或避雷网作为接闪器，并与屋顶各种金属设施就近焊接连通，以有效防止直击雷和绕击。避雷带和避雷网一般可采用圆钢或扁钢，圆钢直径不应小于8㎜，扁钢截面积不小于48㎜2，厚度不小于4㎜，避雷网的网格尺寸应与机房的防雷等级相一致。对于钢筋混凝土结构的机房，可利用其梁、柱、楼板和四周墙面内的混凝土钢筋作引下线。钢筋上端应与房顶避雷装置相连，下端与地网可靠电气连接，中间与各层均压环焊接可大大削弱闪电时的瞬变电磁场。

B、电源系统

通信电源是通信系统的“心脏”，做好通信电源的防雷保护是做好整个通信系统防雷工作的重要内容。对于电源系统的防护，可在该系统中加装过电压保护器，它能在极短时间内释放电路上因雷击而产生的大量脉冲能量，将被保护线路连入等电位系统中，使设备各端口的电位差不超过设备所能承受的冲击耐受电压，从而保护设备免遭损坏。

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。多级防护是以各防雷区为层次，对雷电能量逐级泄放，让各级避雷器的限制电压相互配合，最终使过电压值限制在设备绝缘强度之内，电源系统的三级防护：

第一级保护

考虑到进入配电房的电缆容易遭受雷电闪击或者感应雷电波，并且进入配电屏的雷电流没有分流，雷电流最强。因此，在变压器到机房配电屏的电缆芯线应对地加SPD，它可以对通过电缆的直击雷和高强度感应雷实施泄放，将数万甚至数十万伏的过电压限制到数千伏。由于配电房入口处的SPD要承受沿电缆侵入的浪涌电流的主要能量，应根据情况选择较大通流容量的开关型SPD，它主要采用气体放电管，其放电能力强，但残压较高。

第二级保护

考虑到从配电屏到机房配电箱的输电线路，主要是针对电源的次级防雷，也应在配电屏至机房配电箱之间的电缆芯线两端对地加装SPD，用于保护UPS、整流器等设备，它可将几千伏的过电压进一步限制到一点几千伏。

由于配电箱处的SPD是对经过初级避雷器限制电压后的直击雷和感应雷实施泄放，可选用通流容量相对较小的限压型SPD，它主要采用氧化锌压敏电阻，其残压低，无续流、响应时间短。

第三级保护

考虑到可能有残压和高压反击，在通信设备的前端也应对差模（线间）、线与地（共模）加装SPD，用于对终端设备的保护，它可将过电压限制到对后级设备没有损害的范围内。终端设备的防护可采用抑制或大功率TVS管，较之气体放电管和MOV，它有更快的响应能力和一定的放电限压的能力，当受到瞬态高能量雷电冲击时，它能以ns级量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，并且限制电压低而且稳定，有效地抑制外来雷电波的入侵。

级间配合

SPD应设置在任意两个防雷区的交界处，各级SPD的电压等级和通流量等级要与各级可能承担的雷电能量和各级设备的耐压配合。

另外，在目前采用分布式基站方式的通信基站，室外RRU需要是有源设备，需要直接供给电源，有采用交流直供和直流远供等多种方案，最常用的模式是直流远供，从机房的电源柜中输出直流-48V然后通过电源线输送到塔上，由于供电距离较远（可达50-60米远），遭受雷击的概率非常高，因此一般机房端采用一分三的串联直流点雨啊防雷箱，RRU端采用串联一带一的直流防雷箱，根据防雷分区界面，采用标称20kA最大40kA的防雷器，目前该种方案应用较广。

分布式基站直流远供防护方案

C、信号系统

馈线

天馈通道是雷击感应的主要通道，因此，同轴电缆除了其金属屏蔽层就近接地外，还应选择加不同的天馈避雷器。因SPD存在一定的插入损耗，会对天线辐射信号的强度装造成影响，选择时应保证其损耗尽可能小，阻抗和工作频率等指标与通信设备相匹。同轴电缆SPD一般在室外端和室内与设备的接口端分两级设置，其接地端子应就近接到机房外同轴电缆入口处的接地体上，以便让从同轴电缆芯线传来的雷电能量逐级泄放到大地，防止引入感应雷电流。

信号线

基站的信号线一般采用2Mb/s线，其芯线在设备接口处也应加装相应的信号避雷器，尽可能减少浪涌电流对通信设备的影响。在设置SPD时，还应考虑它的保护范围。这是因为在SPD和需要保护设备之间的线缆上，由于雷电波的反射效应造成振荡电压，其幅值与线路长度、负载阻抗成正比。如果线缆较长，SPD上的残压加上线缆的压降仍可能损坏设备，不能起到保护作用。所以，SPD应靠近通信设备安装，但有时设备不一定恰好设置在防雷区的交界处，这时应在通信设备处再加装一个SPD。

D、其它设施

由于金属管道如水管、气管等在地下易受到反击，所以应将它们在穿越各级雷电保护区的分界面处做等电位连接。在LPZ0区与LPZ1区的界面上，虽然机房屋顶与四周墙壁及地面已形成笼式结构，但由于受门、窗等影响，雷电电磁脉冲仍会侵入机房内，因此，可将所有金属门、窗等电位连接在一起。此外，还应将机房内走线架每隔5m就近连接到接地母排上，连接点不应不少于两点，以便让感应雷电流能顺利泄入大地。

E、设备接地和防雷接地

良好的接地可以将雷电流迅速引入地下泄放，从而达到防雷的目的。机房设有防静电地板时，应在地板下围绕机房敷设环形接地母排，并与机房钢筋保持绝缘。接地母排的材料为截面积不小于120mm2的铜材，也可采用相同电阻值的镀锌扁钢。机房内的所有设备、SPD以及各种缆线金属屏蔽层均应就近连接到环形接地母排上,形成一个等电位体。接地线可采用截面积为35～95mm2的多股铜线，因其导电性能和强度都比较好，且接地线应尽可能做到粗、短、直，以降低引线电感，确保防雷效果。

机房的接地母排通过接地引入线跟地网可靠焊接连通，形成一个完整的防雷接地系统。接地引入线一般不应少于两处，可沿机房四周均匀对称布置，接地引入线应作防腐、绝缘处理，裸露在地面以上的部分，应有防止机械损伤的措施，其材料可采用截面积不小于40㎜×4㎜的镀锌扁钢或截面积不小于95mm2的多股铜线。在建筑物内可能有多个局部等电位接地母排，这些接地母排与总等电位接地母排相互连通，以实现全建筑物范围内的等电位连接。

E、基站地网部分

地网是接地系统的基础，地网能否快速发散电流，是整个防雷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，设计地网的结构。

铁塔地网和机房地网

铁塔位于机房旁边时，应设单独的铁塔地网，同时利用塔基地桩内两根以上主钢筋作为铁塔地网的垂直接地体。铁塔地网面积应延伸到塔基四脚外1.5m以远的范围，网格尺寸应不大于3m×3m，其周边为封闭式。若铁塔位于机房屋顶，铁塔四脚应与屋顶避雷带就近不少于两处焊接连通，并对焊接处进行防腐处理，一定要保证连接点的数量和分散性，以利于分散引流。

机房地网应沿机房散水点外设环形接地装置，同时还应利用机房基础横竖梁内两根以上主钢筋共同组成机房地网。当机房基础有地桩时，可利用地下钢筋混凝土基础作为接地体，将地桩内两根以上主钢筋与机房地网焊接连通。这样，接地体是分布在地下四周的钢筋混凝土基础，与大地接触面广，接地电阻低且又稳定。

联合地网

铁塔地网、变压器地网、机房地网互相连接成为一个联合的共用地网，三网共地是均衡三网地电位极其重要的措施。当变压器设在机房内时，其地网可合用机房地网。铁塔地网、变压器地网和机房地网任意两者之间，应每隔3～5m相互焊接连通一次，连接点不应少于两点，以相互组成一个周边封闭的地网，经验表明，封闭环形结构的接地体有助于降低地面电位梯度和降低地电位反击的强度。

基站地网示意图

基站地网的接地电阻值应小于5Ω，当地网的接地电阻值达不到要求时，可适当增加地网面积。在地网外围增设辐射接地装置，环形接地装置由水平接地体和垂直接地体组成，水平接地体周边为封闭式，与地网宜在同一水平

面上，环形接地装置与地网之间以及环形接地装置之间应每隔3～5m相互焊接连通一次。

三、移动通信基站防雷设计

1、外部防雷设计

A、建筑物年预计雷击次数应按下式确定：

N＝kNgAe

式中：N──建筑物预计雷击次数（次/a）；

k──校正系数，在一般情况下取1，在下列情况下取相应数值：位于旷野孤立的建筑物取2；金属屋面的砖木结构建筑物取1.7；位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5；

Ng──建筑物所处地区雷击大地的年平均密度［次/(km2·a)］；

Ae──与建筑物截收相同雷击次数的等效面积(km2)。

B、雷击大地的年平均密度应按下式确定：

Ng＝0.024Td1.3

式中：Td──年平均雷暴日，根据当地气象台、站资料确定（d/a）。

C、建筑物等效面积Ae应为其实际平面积向外扩大后的面积。其计算方法应符合下列规定：

当建筑物的高H小于100m时，其每边的扩大宽度和等效面积应按下列公式计算确定：

式中：D──建筑物每边的扩大宽度（m）；

L、W、H──分别为建筑物的长、宽、高（m）。

当建筑物的高H等于或大于100m时，其每边的扩大宽度应按等于建筑物的高H计算；建筑物的等效面积应按下式确定。

Ae＝〔LW＋2H(L＋W)＋πH2〕·10-6

当建筑物各部位的高不同时，应沿建筑物周边逐点算出最大扩大宽度，其等效面积Ae应按每点最大扩大宽度外端的连接线所包围的面积计算。

由上述公式算得基站的年预计雷击次数，以及属于第几类防雷建筑物。

D、接闪器设计

首先在铁塔上安装避雷针对建筑物进行直接雷保护，避雷针的高度以及保护范围可以根据建筑物防雷规范《GB50057-94》中的要求计算得出，基站天线架设在屋顶的建筑物还应该在屋顶女儿墙上敷设避雷带，材料为热镀锌圆钢，直径12㎜。如果还不能完全保护建筑物，需利用建筑物屋顶的钢筋作为避雷网，对建筑物以及机房等进行保护。

E、引下线设计

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，并将铁塔分别在四个角上与建筑物混凝土内的钢筋相连即可，同时做好防腐处理。

机房建筑物避雷网可用建筑物内的钢筋作引下线，同时建筑物内的钢筋也起到了均压环的作用。

F、地网的设计

机房建筑物的接地体可采用建筑物地梁和框架柱混凝土桩基础内的钢筋，用框架柱基础内的主钢筋作垂直接地体，用地梁内主钢筋作水平接地体，它们可连接成均匀布置的地网。地网接地电阻值应满足规范要求，小于5Ω。

郊区型以及高山型基站的地网设计，由于地理条件以及土壤条件，很难将接地电阻做到符合规范，因此依据《通信局站雷电过电压保护工程设计规范》YD/T5098-2005，基站土壤电阻率低于700Ω·m时，基础地网的接地电阻可以控制在10Ω以内，在基站土壤电阻率大于700Ω·m时，对基站工频接地电阻不予限制，但地网的等效半径应该≥20m，并在地网四角敷设20—30m的辐射型水平接地体。

因为联合接地是等电位连接的基础，因此在完成联合接地以后我们将对基站内部的等电位连接进行全面的检查和分析。根据雷击事故分析我们已经发现在以前的标准中要求将机房中的直流工作地（－48V的正极）以及设备保护地、安全地以及设备防雷地就近接到总接地汇集线是有问题的，我们在考虑其必要的等电位连接前提下将基站内部的总接地汇流排分成两部分，而该两部分接地总汇流排应该采用40mm×4mm的扁钢（或相应铜带）与机房地网进行连接，连接时，两者之间距离应该大于5m以上，最好做到10m以上，同时这两处与机房地网连接点应该尽量原理铁塔地网，相距距离不小于5m，最好大于10m，接地引入线应该和接地汇流排在机房内可靠连接，并做好防腐以及防电化腐蚀；在机房的内部直流工作地、保护接地、安全接地接到一个总接地汇集线上；一级电源避雷器接地、二级电源避雷器接地、光缆加强芯以及金属防护层接地应该独立接入另外一个总接地汇集线上，同时考虑选择合理的接地导线以及接地线的布局。

传统基站基站等电位联结示意图

G、传输光缆以及电源线防雷接地设计

为了消除由于雷击沿光缆加强芯串入基站损坏设备，将光缆长距离埋地处理以及在光缆进机房前增加光缆接续盒都是非常好的方案，根据光缆引雷的特点，我们在光缆进入机房桥架后，在接入综合柜前，将光缆加强芯剥离后，将加强芯可靠连接于专设的与桥架以及综合柜绝缘隔离的接地端子，然后在采用截面大于等于16mm2的接地线与总接地汇流排（防雷专用）可靠连接。

对于交流供电电源线这个引入雷击概率最高的一种情况，将电源线长距离地埋、以及电源线穿金属管地埋以及对高低压架空线上部加装避雷线等都是有效的降低雷击信号的方式。考虑基站的地理环境以及供电模式，对于采取高压输送到基站近端变压供电的模式，应该向电力系统申请对高压线进行装设相应通流能力较大（最好大于10kA以上）的高压避雷器，必要时（雷击较重地区）在距变压器端设置2～3组避雷器，然后在对所有的进户电源线进行埋地进入，可采用金属铠装电缆或穿金属管，并将铠装层及金属管两端可靠接地，这样处理以后雷击电流将大大的被衰减，对基站的损坏情况将大大减少，同时我们还将在后面考虑进一步对由于电源线引入的雷击信号进行释放和衰减。

2、内部防雷设计

A、电源防护设计

当220/380V供电线路进入基站时，应首先在进站后的第一配电处进行第一级防雷保护，即在交流配电屏处安装第一级电源避雷器。达到YD/T规定的最高防护标准。

技术参数：

雷电通流量（8/20μs）≥80KA（城市型基站）；

≥100KA（郊区型基站）；

≥120KA（高山型基站）；

残压峰值

≤2500V；

响应时间

≤25ns；

三相供电采用3+1保护模式

单相防护建议采用对称全模保护

在机房配电箱的输入端加装相应的第二级电源避雷器。

第二级电源避雷器采用C类保护器进行相-中、相-地、中-地的全模式保

护。

技术参数：

雷电通流量≥40KA（8/20μs）；

残压峰值

≤1500V；

响应时间

≤25ns；

三相供电采用3+1保护模式

单相防护建议采用对称全模保护

在机房设备处安装第三级电源避雷器。

大多数系统设备已经内置

技术参数：

雷电通流量≥5KA（8/20μs）；

残压峰值

≤500V；

响应时间

≤25ns；

防护建议采用对称全模保护

目前分布式基站的直流远供方式防护需要在室外RRU端口装设-48直流电源避雷器和室内直流避雷器，一般的配置为室外一对一RRU对应一个室外防雷箱，室内一般采用一分三的直流防雷箱。

技术参数;

雷电通流量≥40KA（8/20μs）；

残压峰值

≤200V；

响应时间

≤25ns；

采用1+1保护模式

分布基站直流远供电源防护