移动通信基站防雷与接地技术的研究

朱 明，曾明育，于 潇

（广西钦州市气象局，广西 钦州535000）

近十年，移动通信行业迅速发展，通信网络覆盖全国，而移动通信基站的正常运行是移动通信畅通的保障。长期以来，移动通信基站遭受雷击损坏设备、影响信号发射等情况频繁发生。特别是在雷暴日数多和雷暴强度较高的地区，雷电灾害事故更为严重。工业与信息化部邮电设计院（现中讯邮电咨询设计院）曾对全国十几个省市通信局（站）遭雷击情况进行过调查统计，发现雷击造成通信设备损坏的事故中，有75%左右是因为雷电过电压侵入移动基站供电系统而引起的。移动通信基站的供电系统和站房内设备的正常运行，是保证信号正常发射和接收的基础，因此做好移动通信基站的防雷措施特别是天馈系统、电源系统和站房内设备的防雷安全至关重要。

1 雷电形式及对移动通信基站的危害

雷电主要有直击雷、感应雷、雷电波侵入和雷击电磁脉冲等四种形式。

（1）直击雷

直击雷是指闪电直接击在建筑物、大地或防雷装置上，产生电效应、热效应和机械效应。直击雷的危害是巨大的，基站一旦遭受直击雷，而又没有安装合格的防直击雷装置，则会击毁基站的铁塔、房屋、通信设备，以及伤害工作人员。

（2）感应雷

感应雷又称雷电感应，它是通过雷云之间或雷云对地放电，在附近的线路，管道、构架等类似传导体上产生感应过电压，又叫二次雷效应。雷电感应又分为静电感应和电磁感应。它主要会对移动基站内的设备造成危害，危害程度虽然没有直击雷严重，但其发生的概率却比直击雷高得多。

（3）雷电波侵入

雷电波侵入指由于雷电对架空线路或金属管道的作用，雷电波可能沿着这些管线侵入屋内。它是由雷击在通信线路或金属管道上产生的冲击电压沿线缆或管道向两个方向迅速传播的过电压波。当通信设备与传输线缆金属管道有直接连接时，便有可能发生雷电波入侵通信设备。闪电在空间的通道或闪电进入地上建筑物的避雷针系统以后产生的瞬变电磁场，都会在空间一定范围内产生电磁作用。

（4）雷击电磁脉冲

雷击电磁脉冲指闪电直接击在建筑物防雷装置和建筑物附近所引起的效应。绝大多数是通过连接导体的干扰，如雷电流或部分雷电流、被雷电击中的装置的电位升高以及电磁辐射干扰。后两种雷害都会对基站内的设备造成损害。

2 移动通信基站的防雷措施

2.1 基站天馈系统的防雷

移动通信基站的天馈系统是移动通信系统的重要组成部分，其性能优劣对整体移动通信质量的影响至关重要。因此无论基站建在什么地方，天线一定要在接闪器的保护范围内，即在直击雷保护区内。依据《建筑物防雷设计规范》（GB50057—2010），直击雷保护系统由接闪器、引下线、接地装置组成。为了达到更好的通信信号发射和接收效果，移动通信基站的铁塔一般都装设得很高，因此铁塔顶部的避雷针建议采用直径为16 mm的镀锌圆钢。塔身可以作为防雷引下线使用。在铁塔底部宜用两根直径不小于10 mm镀锌圆钢沿对角分别与接地装置连接。天馈线应安装在铁塔的保护范围内。

天馈系统除了要作直击雷防护外，还应包括对感应雷、雷电波侵入和雷击电磁脉冲的防护。天馈线宜用双层屏蔽电缆或单层屏蔽电缆套金属管在铁塔中央敷设，屏蔽层应在铁塔上端和下端各接地一次，入户处再接地一次。铁塔高度超过60 m时中间再接地一次。处于中雷区以上且馈线较长时，在机房入口处宜安装天馈线电涌保护器。架空电缆吊线的两端和架空电缆线路中的金属管道应接地。信号电缆应采用屏蔽电缆或护套电缆穿金属管埋地进线，应安装信号电涌保护器（信号SPD）。电涌保护器、电缆金属层应接地，空线对应短接并接地。光纤屏蔽层和加强芯应接地。

所选择安装的信号电涌保护器，一是要达到能顺利有效地释放天馈线上的雷击电流，保护通信设备免受雷击。选择信号SPD时，必须根据移动通信基站所在地的年雷暴日数设雷电电流大小等具体情况来选择确定安装在天馈线上的信号SPD技术参数，并将信号SPD安装在通信设备的馈线入口附近，将信号SPD的保护地就近连接到机房内等电位连接端子板上。二是要保证整个天馈系统的良好匹配，使信号的传输稳定、可靠、准确。如果信号SPD与天馈系统不匹配，就会降低发射机的有效功率，缩小单基站的有效覆盖面积，使用手机是会出现接收电平低、回声、上网速度慢等现象。防雷是移动通信基站建设中的一个辅助工程，建站建设最重要的是考虑网络覆盖、通信质量因素，不允许因为防雷工程中安装了SPD而使单站的有效覆盖面积缩小和使通信质量下降。依据《通信局（站）雷电过电压保护设计规范》（YD/T5098—2001）中5.4.1规定：“同轴型SPD的插入损耗≤0.2 dB，电压驻波比≤1.2”。因此，移动通信基站的信号SPD应满足以上要求，保证信号SPD与天馈线匹配。

2.2 基站电源系统的防雷

根据《移动通信基站防雷与接地设计规范》（YD5068—98）要求，基站交流供电系统应采用标准的TN—S系统。依据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343—2004）的规定，基站电源系统应分四级浪涌保护。第一级保护是电源SPD，用于从雷电防护区的用户LPZ0B区到LPZ1区的用户主配电柜的雷电防护，安装于电源线进入基站总配电箱处。标称放电电流应大于80 kA（8/20μs），电压保护水平Up等于2.0kV，此处的SPD主要是泄放大部分电流，并在一定程度上降低雷电过电压。第二级保护应装在进入机房交流屏的入口处（LPZ1区与LPZ2区界面交界处），标称放电电流应大于40 kA（8/20μs），电压保护水平Up等于1.8 kV，此级的作用是进一步降低电压幅度。第三级应装在被保护电子设备的电源线入口端，标称放电电流应大于20 kA（8/20μs），电压保护水平Up等于0.8 kV，使电压箝位在被保护电子设备的耐受电压范围内。第四级保护，对于直流电源线路应装在直流电源供电前端，对被保护电子设备能作精细保护。

2.3 建筑物（站房）的防直击雷措施

移动通信基站房一般不是很大，高度一般是3 m左右，可以参考第三类防雷建筑物要求设置防直击雷装置。不过为了更好地起到防雷效果，建议在建筑物四角各设置一根引下线与接地装置连接。引下线明敷时可以选用直径不小于8 mm的镀锌圆钢，利用建筑物本身的柱筋或暗敷引下线时则应选用直径不小于10 mm的镀锌圆钢。建筑物屋顶上宜沿屋檐设置一圈避雷带，避雷带材型宜选用直径不小于8 mm的镀锌圆钢，另在檐角位置设置避雷针，用材为直径不小于12 mm的镀锌圆钢。避雷针、引下线、接地装置宜采用焊接连接，焊接部位应做刷漆或镀锌等防腐处理。其搭接长度应满足下列规定：双面焊接，圆钢与圆钢搭接为圆钢直径的6倍；单面焊接，圆钢与圆钢搭接为圆钢直径的12倍。

2.4 建筑物（站房）和线路的屏蔽

在发生雷击时，由雷电暂态电流产生的暂态电磁脉冲变化是很快的，能使在其附近一定范围内的未屏蔽电子设备受到干扰和损坏。由国外进行的摸拟实验表明：在不加屏蔽的条件下，使电子设备（计算机）失效的脉冲磁感应强度Bt＝0.007×10－4T，使电子设备元器件损坏的脉冲磁感应强度Bd＝2.4×10－4T。参考这些数据，可以进一步估计雷电脉冲磁场对电子设备引起的工作失效率和元件器损坏率。

屏蔽是一种直接而有效地控制电磁干扰的方法。屏蔽是指用良导体将干扰源或敏感体（受干扰的设备或部件）包围起来，以隔离被包围部分与外界电的、磁的或电磁的互相干扰。屏蔽措施不是孤立的，必须和其它防雷措施结合起来，良好的接地是屏蔽措施的关键。对于移动通信基站应分为站房屏蔽接地与线路屏蔽接地两部分。

2.4.1 建筑物（站房）的屏蔽

建筑物的屏蔽，它指的是利用钢筋混凝土结构内的钢筋（建筑物内地板、天花板、墙面及梁、柱内的钢筋等），在相交处电气连接，并与金属门框焊接，在门窗上分别加装金属网并与门窗实施有效的电气连接，使其构成一个六面体的网笼（笼式避雷网），从而实现屏蔽。该屏蔽笼在导体结构上虽然是稀疏的，但它可以构成对电磁脉冲辐射的初级屏蔽。金属导体、电缆屏蔽层及金属槽（架）等进入站房时，应做等电位连接。

2.4.2线路的屏蔽

变压器低压侧电力线应采用带金属绝缘层的埋地电缆并穿入金属管内埋地敷设。需要保护的信号线缆，宜采用屏蔽电缆，且应在屏蔽层两端及雷电防护区交界处做等电位连接并接地。为了防止由多点接地所产生的低频干扰，可将电缆穿人金属管内或采用双屏蔽电缆，将金属管或双屏蔽电缆的外屏蔽层的两端与两电子设备外壳分别连接并就近接地，金属管内的电缆单屏蔽层或双屏蔽电缆的内屏蔽层可以采用一端接地，这样既可以保证安全，又有利于抑制低频干扰。

2.5 等电位连接

等电位连接是感应雷防护的一个重要措施，花费少，防雷效果却很明显，其目的是减少电磁辐射感应出来的雷电流所引起的电位差。等电位连接的方法是在站房内，围绕站房四周，在地上设置接地母线，此母线在四角与站房处的接地线连接，连接点间距不大于18 m。房内各种电缆的金属外皮、金属外壳、各种金属管道、金属门柜、金属进风管、走线架、设备防静电接地、安全保护接地、浪涌保护器（SPD）接地端等均应以最短距离与环行的接地母线连接，这样，电子设备和导线即处在一个“法拉第笼”内。

3 接地系统的做法

移动通信基站和站房的地网应围绕铁塔和建筑物做成环形闭合网格状地网，铁塔地网的网格尺寸不大于3 m×3 m，铁塔地网、建筑物防雷地网、变压器地网应3 m～5 m连接一次，且连接点不少于两处。防雷地、工作地、防静电地、安全保护地、防感应雷地必须共用同一接地装置。接地体距地面不小于0.7 m，在人行道附近不小于1.0m。垂直接地体长度为1.5 m～2.5 m，间距为1.5～2.5倍。

站房接地引入线应使用截面积不小于95 mm2的多股铜绞线或≥40 mm×4 mm的扁钢，长度不宜超过30 m。接地引入线从地网中心部位就近引出，引出点避开防雷引下线和铁塔塔脚。当基站建在办公楼或大型公用建筑上时，接地引入线可从机房柱筋或邻近预留接地端子引出。站房内环行接地汇集线应使用截面积不小于90 mm2的铜材或160 mm2扁钢，并应就近与建筑钢筋多点连通。采用星形连接方式的站房，总汇流排应为不小于400 mm×100 mm×5 mm的铜排。如采用二级接地汇流排的，两级汇流排之间的连接线应采用不小于70 mm2的多股铜线。

4 结 语

移动通信基站的防雷系统是保证信号正常发射和接收的基本措施。在基站设计施工时，防雷系统应遵循层层设防、多级分流保护原则，采取多层与多类防护措施相结合的综合防护措施，这样才能较好地减少雷电给移动通信造成的影响。

［1］ 建筑物防雷设计规范（GB50057－2010）［S］.北京：中国计划出版社，2011.

［2］ 建筑物电子信息系统防雷技术规范（GB50343－2004）［S］.北京：中国建筑工业出版社，2004.

［3］ 通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范（YD/T5098－2001）［S］.北京：中国信息工业出版社，2001.

［4］ 移动通信基站防雷与接地设计规范（YD/T5068－98）［S］.北京：中国信息工业出版社，1998.

［5］ 李姜宏，黄树燕，林铂岷.移动通信基站防雷设计与接地技术［J］.气象研究与应用，2009，30（3）：81－83，90.

［6］ 刘 庭.移动通信基站防雷优化设计［J］.无线通信技术，2009，（1）：25－27.