移动基站的雷击风险评估

郭光

摘 要：文章介绍了移动基站的雷击风险评估方法，指出了移动基站潜在的雷击风险，以及基站遭受直击雷时对周围电磁环境造成的影响，并提出降低雷击风险的相应措施，对拓展雷击风险评估的研究领域具有重要作用。

关键词：移动基站；雷击风险评估；雷电电磁脉冲

1 概述

随着我国移动用户的不断增加和对移动网络服务精益求精的需求，移动基站的密度越来越大，由于移动基站天线塔较高，而且大多数移动基站位于郊区或者高山上，雷雨天气时极易遭受雷击，对基站内的通信设备造成损害，同时移动基站附近频繁的落雷还恶化了周围的电磁环境，对基站附近的电子信息系统也构成一定的危害，因此，有必要对移动基站做出科学而合理的雷击风险评估，将雷击基站的风险降到最低点。

2 雷击风险评估方法介绍

雷击风险评估是根据雷电及其灾害特征进行分析，对可能导致的人员伤亡、财产损失程度与危害范围等方面的综合风险计算，为建设工程项目选址和功能分区布局、防雷类别与防雷措施确定等提出建议性意见的一种评价方法。

雷击风险评估的主要任务包括：识别组织面临的各种风险（R）；评估损害风险概率（P）；评估损害的损失率（L）；可能带来的经济损失（Re）；确定组织承受风险的能力（RT）；确定雷电电磁脉冲屏蔽的效能（SE）；推荐风险消减对策（方案a、方案b）[1]。

同其它类型的雷击风险评估一样，风险计算主要包含三个重要的方面：雷击损坏的概率和损失率，而损坏概率又是与年预计雷击次数N，密切相关，直接决定着风险的大小。上述因子通过某种关系组织在一起，构成了风险值R。

3 移动基站的雷击风险评估

本评估方法的前提是没有给移动基站提供任何特殊的保护措施，这种保护措施包括基站自身组成的部分或者线缆外部自身的保护装置。但是，现实中总有一些因子减小了雷电对基站的影响，所以破坏发生的可能性总比理论要低一些。

3.1 移动基站雷击风险评估的公式

移动基站的风险R依然由雷击损坏的频率F，和损失率δ，且存在下列关系[2]：

R=∑F·δ

3.2 移动基站的组成及其雷电损害成因

移动基站由基站建筑物、电力线缆、电信线缆、基站设备和铁塔天线组成。根据雷电的破坏途径和规范，直接或者间接对移动基站造成的损坏成因可以分为四种：雷击建筑物或天线直接造成损坏；雷击邻近建筑物电流泄放入地时通过电阻或电感耦合对移动基站内设备造成的损坏；雷击入户设备（电力、电信线缆）造成的损坏；雷击与基站连接的铁塔天线时造成的损害。

3.3 雷击损坏的频率F

风险区域包含组成基站的各个构筑物的单独风险区域部分，应该注意到不同的风险区域可能会重叠在一起，当计算总的风险区域时应注意这点，也就是说要单独计算每部分的实际等效面积。

高的天线铁塔在一定程度上可以保护比它矮的移动基站的机房免受直击雷损害，一般直击雷引起的破坏要远远大于感应雷引起的破坏。因此，对于入户的线缆要比地面附近需要保护的区域优先考虑。

四个表达式分别描述了直击雷对基站造成的损害d，雷击基站附近引起的损害n，雷电击中线缆或线缆附近引起的损害s，雷击与机房连接的铁塔，对基站造成的损害a。在大多数的情况下，第三种引起的损害是占主要地位的，但是对比较大的建筑或者有移动铁塔的建筑，来自其它几种的影响占主导地位的。

在计算等效面积时将各种因素单独分开计算，有利于识别保护失败的原因，并提出最有效的方法。

3.4 损害概率P的估算

不同的概率P取决于用于降低损坏可能性的已经存在或将要采取的措施，所以影响P的各种因子可以分为两类，一类是本身自然具有的保护措施的因子，如建筑物的材料、天线、地网；另一类是给建筑物或者线缆提供的特殊的保护装置的因子，如SPD、线缆屏蔽。概率P不能大于1。

同建筑物雷击风险评估中的损害概率P一样，移动基站的损害概率P也由几个分项组成，分别是基站内部及外部的地表类型、基站的結构类型、基站外部的保护装置、基站内部的保护装置和入户线缆的特性。这些概率值应该基于计算或者长时间的实践得出，但是当无法确定时，可以采取下列表格中的参考数据，当基站满足同一个表格内的多项时，应将各因子相乘得出风险值，因为采取的措施越多，损害的概率就越小。

3.5 损坏的风险R

移动基站可以承受的一系列的风险可以用下式表示：R=（1-e-F·t）·δ，可以简化为R=F·δ=∑Fi·δi

权重因子δ表示由于雷击移动基站附近或相应的入户线缆造成的间接破坏的影响。它表示没有保护的基站的年预计损害与被保护对象的总价值之间的关系。权重因子δ应该根据不同的损害类型采取不同的方法。

3.5.1 人员伤亡

人员安全是防雷保护设计和安装的关键问题。人身安全风险存在于绝缘体击穿或由于在安装和维护与线路连接的设备时发生的浪涌。为了防止发生严重的人员伤亡，人员伤亡的权重因子δ定为1。

3.5.2 服务设施损失

雷击造成服务设施的潜在损坏经常是很难估计的，举一个例子，假如一个移动基站在工作了24小时后被损坏了，一种严重的情况是在这段时间内或者更长时间内无法正常工作，比如附近的移动天线被雷击了。在这个假设下，δ=24/8760，但是，大多数情况下， 服务设施的损害仅仅是网络设施的一部分，损害的后果减小到nx/ntot，nx是因损害受影响的用户数量，ntot是连接到交换机或者远程站点的总用户数。

3.5.3 物理伤害

移动基站的内的硬件设备即使在没有保护的情况下也是很少损坏的。通常是连接到外部网络接口的部分会损坏，例如各种网络和通讯端口。对于硬件的损害，对应δ的典型值为0.2，更高的值用于雷电直接击到网络线缆时的选择。直击雷对移动基站机房或邻近设施，尤其是邻近的天线将会造成比浪涌侵入线路更为严重的损坏。对于没有保护的移动基站，δ值最高取到0.8已经算是比较现实了。

3.6 可接受的风险Raccept

保护措施的目的是为了减小损害的数量，把损害的风险降低到可以承受的范围之内，如果要考虑经济损失风险的话，可接受的风险水平要由移动运营商来决定。当可接受的风险水平确定以后，降低损害或用户服务设施的损害应该占决定性因素了。它包括不可用的设备、计算机、其他信息设备的直接费用。服务中断，可能也会影响到企业的生产力和收入，紧急服务由于操作失误造成的简介损失可能会更大，必须要给予高度的重视。排除经济损失外，移动基站的损坏主要包括两个方面：物理损失和服务设施损失。因此对应的可接受的风险也包括两个，可接受的物理损坏的风险和服务设施损坏的风险，该风险应由移动通信运营商给出，下表给出了参考值：

3.8 雷击大地密度Ng

Ng是雷击风险评估时非常重要的一个因子，原则上该因子应该由雷电监测预警系统监测到的实时雷电为依据计算得出，可以采用这样的方法，将某地区的移动基站全部用GPS定位，然后将基站的位置反定位到地图上，并且通过调阅雷电监测预警系统的雷电资料，对移动基站附近三公里范围内的地闪次数进行统计，用公式并且计算出移动基站的雷击大地密度：

3.9 磁场评估

雷电在形成和发生阶段，由于雷电感应原理可以形成两种干扰源，分别为静电场、雷电电磁脉冲。两种干扰中，雷电电磁脉冲对电子系统的危害最大。雷电电磁脉冲是发生地闪或云闪时产生的一种时变电磁波，通过传导干扰和电磁辐射干扰两种方式对信息系统造成危害。对于传导干扰，一般是在相应线路上安装浪涌保护器，对设备的线路端口进行保护，而电磁辐射干扰，必须采用电磁屏蔽的方式，从静电屏蔽和雷电电磁脉冲屏蔽入手，利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播而达到消减电磁场强度的目的。

评估移动基站的屏蔽效能时，可以用屏蔽体电磁效能测试系统的振荡器产生接近首次雷击或后续雷击的电磁波频率，测试现有建筑物和机柜的屏蔽效能，根据测试结果和设备对电磁骚扰的抗扰度进行屏蔽设计。

屏蔽体的屏蔽效能用下面公式表示：

SEH=20lgH0/HS（H0：屏蔽前某点的磁场强度，HS：屏蔽后某点的磁场强度）。

实验室表明，当磁场强度大于0.07高斯时，裸露的电路板会发生误动作，大于2.4GS时裸露的电路板会发生永久性损坏。因此，屏蔽效能的评估也是雷击风险评估中非常重要的一个项目。

4 结束语

随着雷击事故的不断发生，雷擊风险评估已经受到各个行业的关注。现有雷击风险评估还停留在建筑行业，对于特殊行业如化工、基站、风电、油轮的雷击风险评估还处于空白状态，文章提供的移动基站的雷击风险评估给出的方法和思路，依然遵循建筑物雷击风险评估的常规方法，可为其它特殊用途的生产、生活场所提供雷击风险评估新的思路，完善防雷减灾工作，为重大项目的决策提供一个科学的依据。

参考文献

[1]苏伟，罗佳俊.雷击风险评估程序的开发与应用[J].电气技术，2010（4）：32-36.

[2]易高流.雷电监测资料在雷击损害风险评估中的应用[J].江西气象科技，2004，27（4）：45-47.

[3]尹娜，肖稳安.区域雷灾易损性分析、评估及易损度区划[J].热带气象学报，2005，21（4）：441-448.

[4]邓春林，季严飞，刘刚.基于雷电定位数据的区域雷击灾害风险评估方法探讨[J].南京信息工程大学学报：自然科学版，2010，2（3）：230-235.

[5]中国气象局.QX/T 85-2007雷电灾害风险评估技术规范[S].北京：气象出版社，2008.