移动通信基站的防雷保护

许能文

摘  要：移动通信基站防雷保护是整个无线通信网络的关键基础设施，但是移动通信基站防雷保护在整个通信建设中占的比例并不大但却非常关键。运营商在通信基站防雷保护主要是根据接地电阻来要求建设接地网大小，而接地网的大小却不是越大越有防护能力，雷电的影响原因复杂。文章主要针对目前通信基站防雷保护需要多少接地电阻，需要多大接地网面积，做出可在不考虑接地网不论土壤电阻率、不论接地网的接地电阻大小的概述，并对存在的问题做出相应的阐述，通过泄放和均衡来采取雷电防护系统三部分相应的对策。

关键词：移动通信基站;接地电阻;防雷保护

中图分类号：TN929.5     文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2015）36-0057-04

1  概  述

雷电带给人类生活很大的影响。在远古时代，雷电所产生的极为壮观的声、光、电现象，或因此而引起森林的火灾，就可能启发了人们对火的发现和利用;由此产生的有机化合物的合成更可能是地球生命起源物质之一。在现代生活中，雷电仍对人类的生命安全有所威胁，对航空、通信、电力、建筑等国防都有重大影响，因此雷电现象的物理机制及其防护问题一直为人们所关注。

通信基站的防雷是我们铁塔公司目前需要解决的重要问题，它直接影响到三家运營商通信设备运行安全，更会有所威胁到基站附近人畜的生命安全。但雷电的产生是一个复杂的过程，极古老又普遍的现象，国内外至今尚无这方面完善的专著。可是闪电放电问题多方面的复杂性，使得任何人要想通晓所有积累的成果并完全领会它们的意义几乎是不可能的。

2  面临的问题

笔者只能根据气象学家和物理学家各自进行的许多闪电现象的研究结果，与设计院、施工队在以往施工实践联系起来，谈谈笔者个人看法解决我们所面临的问题。

2.1  第一个问题：通信基站接地电阻的问题

按照国家通信行业标准：（YD5068-98）5.0.1条文规定移动通信基站地网的接地电阻值应小于5 Ω，对于年暴日小于20 d的地区，接地电阻值可小于10 Ω。

（GB 50689—2011）6.2.6条文规定基站地网的接地电阻值不宜大于10 Ω。

对于土壤电阻率大于1 000 Ω·m的地区，可不限制基站的工频接地电阻，应以地网面积的大小为依据。

按照以上两条规范，那么我们铁塔公司将面临着很大的难题。人工接地体在均匀土壤中单一接地体电阻计算公式。

2.1.1  垂直接地体

①管形接地体。

R=■In■

②等边角钢接地体。

R=■In■

2.1.2  水平接地体

扁钢接地体：

R=■In■

其中，d为管状直径，m;b为角钢、扁钢边长，m;ι为垂直接地极长度，m;t为由地面到管顶埋深，m。

各种土壤的电阻率如下：

①陶粘土、泥炭、泥灰岩、沼泽地、黑土、园田土、白垩土电阻率近似值10～50 Ωm。

②砂质粘土、黄土、含沙粘土电阻率近似值100～300 Ωm。

③多石土壤、红色风化粘土、下层红色质岩、表层土类、石下层砾石电阻率近似值400～600 Ωm。

④砂、砂砾、砂层深度大于10 m、地面粘土深度小于1.5 m，底层多岩石电阻率近似值1 000 Ωm。

⑤岩石电阻率近似值5 000～20 000 Ωm。

⑥混凝土电阻率近似值40～18 000 Ωm。

按以上公式计算：如果我们采用50*50*5（mm）角钢每根长 2 m埋深0.6 m做接地体，按土壤的电阻率400～600 Ωm计算， 那么5 Ω接地网就需25～38根。

按每根接地体相隔距离是接地体本身长度的2倍，那么地网占地面积256～416m2。;作为建宏基站征购土地还可以，如果是建微基站、微微基站基础设施投资太大也不利于环境保护。

2.2  第二个问题：通信基站接地电阻的测试问题

（GB 50689—2011）通信局（站）防雷与接地工程设计规范条文：附录E，接地电阻的测E.0.1地网接地电阻的测试，E.0.1-1或图E.0.1-测试。E.0.2三极法测试方法应按本规范图E.0.1-1（a）接线，如图1所示。且应符合下列要求：

①电流极与接地网边缘之间的距离d13应取接地最大对角线长度D的4～5倍，d12的电压极到接地网距离宜为电流极到接地网距离所占比例的一半左右。测量时，沿接地网和电流极的连线应移动三次，每次移动为d13的5%。

②如果d13取4D—5D有难度，在土壤电阻率较均匀的地区，可取2D，d12可取D;而在不均匀的地区，d13可取3D，d12可取1.7D。

③可用三角法和直线法对比互校，如图2所示，也可采用几个方向的测量值互相比较。

④电流极和电压极都需可靠接地。

像这种测试方法只适宜土壤电阻率小于100 Ω。当接地电阻值达不到所需要求值时，施工队继续挖沟打接地极扩大地网面积，检测人员又用这种测试方法反复三次最终还是达不到要求。不只是劳命伤财，更破坏了地理环境。

老百姓深受其害移动挖、联通挖、电信挖、广电挖，挖掉了民心，挖掉了和谐。针对这种情况，我们看看气象学家对雷电的研究。

3  关于雷电的相关研究

3.1  雷电活动分布规律的情况

①从地理纬度上看，赤道最高，再分别向赤道南、北递减。

②温湿热地区比冷而干地区雷击频率高。

③建筑群中个别潮湿的建筑物（如冷冻库等）易遭雷击。

④尖屋顶及高耸建筑物、构筑物（如水塔、烟囱天线、旗杆等）易遭雷击。

3.2  雷电活动选择性的情况

3.2.1  土壤电阻率的相对值要小，利于电荷的很快聚积

如大片土壤电阻率就较大，小的地方就容易受雷击。而土壤电阻率突变的地方最易受雷击，如一些岩石与土壤的交界处。

3.2.2  从地形上看

要利于雷雨云的形成与相遇。雷击机会在分布上，突出为山的东坡多于北、西北坡。

①雷击机会在分布上，突出为山的东坡多于北、西北坡;

②山中的局部平地受雷击机会大于峡谷（这是因为狭谷窄不易曝晒和对流，缺乏形成雷击的条件）;

③湖边、海边遭受雷击机会较小，但海边如有山岳，则靠海一侧山坡遭受雷击机会较多;

④雷击的地带与风向一致，风口或顺风的河谷容易遭受雷击。

3.2.3  从地面物体上看

要充分利用雷雨云与大地建立较好的放电通道。

①孤立或建筑群中高耸的建筑物易受雷击;

②排出导体的废气管道容易遭受雷击;

③层顶为金属结构，地下埋有大量金属管道，室内装有大量金属槽道、走线架及金属设备场所易受雷击。

4  物理学家对雷电危害的研究以及雷电的危害

4.1  直接雷：电效应、热效应、机械力

4.1.1  直接雷击

雷电的先导前端到达地面上10 m左右的地方时产生闪击，由此产生的电场强度达到临界值，此时地面上的垂直导体即能激发出一个短的向上流光，这种现象就是直接雷击。其电流路径将从垂直导体流入地下。入地的雷电流持征是波首短而波尾长。

雷云之间、雷云与大地之间的主放电通道产生极大的热能并由此产生对大自然的破坏就是直接雷击。而这种雷击破坏方式多样，以人畜伤亡、房屋倒塌、森林火灾等为破坏主要方式。

4.1.2  防御的常见方法：避雷针、防雷器、截获器。

避雷针的方法：将雷电定向引导至接闪器上，以接闪器代替被保护物受雷击。

防雷器的方法：以防雷元件特定阻抗来减弱雷电流，并对雷电流脉冲前沿进行展宽。

截获器的方法：其主要机理是在雷电流作用下，截获器产生比避雷针大的多数量级而起到拦截电流到保护区域外。如此就可把雷电流从保护区域引开。

4.2  雷击电磁脉冲（感应雷）

静电感应、电磁感应、电磁脉冲、雷击反击。

4.2.1  感应雷击

雷电流在避雷针四周产生的强大感应磁场在金属导线导体上感应出极大的电压。雷电现象处于先导放电阶段时在金属导线导体表面感应出异性电荷，在主放电阶段结束这部份异性电荷因入地途中产生感应电压。其他落雷的雷爆和其他操作点的电磁爆也在金属导线导体上感应的过电压。

感应雷击破坏对象的主要有电子电气设备、电子设备中计算机、交换机、有线无线转换器、干线放大器等。

4.2.2  防止感应雷击的办法

主要采用等电位、隔离、疏导等办法。

4.3  雷电入侵波

产生雷电入侵波的机理是来自落雷点建筑物雷电高电位的冲击，还有来自落雷点建筑物雷电反冲击电流。

引入雷电入侵波的主要路由是：信号线路、传输线路、电源线路、接地线路。

防御方法主要采用等电位、隔离、疏导等办法。

4.4  随机雷击

随机雷击是一种随机性突发性破坏性都非常大的雷击现象（滚地球雷、侧击雷）。至今无有效防治方法。

雷击对某一特定对象进行破坏时，其渠道是多种多样的。有直接雷击通道、有感应雷击通道、有雷电入侵波进雷通道、有地电位反击通道。

结合气象学家和物理学家对雷电各自研究方法所得的结果联系起来，用来解决我们面临问题的条件，是至关重要的。

筆者认为今后各类基站做接地网时可以根本不用考虑接地电阻值这个问题。因为接地电阻大小的问题根本解决不了直击雷。地网面积越大，接地电阻越小，雷电流就越大通过避雷针及其引下线，并在其四周产生的感应磁场增强，而此磁场又在引线导体上感应出极大的接触电压、旁侧网络，我们称之为引雷入地。

5  未来的地网模式

5.1  平地上塔边屋宏站地网形式

平地上塔边屋宏站地网形式，如图3所示。

5.2  塔下屋宏站地网形式

塔下屋宏站地网形式，如图4所示。

5.3  H杆地网形式

H杆地网形式，如图5所示。

5.4  H杆基站等电位的连接

H杆基站等电位连接，如图6所示。

注：凡钢铁过渡条、固定抱箍、平台、防水雨棚及天线抱杆均应与防雷引下扁钢可靠焊接，其设备接地扁钢也须与平台可靠焊接。

6  结  语

总之，地网的形状是根据地形情况来变化的，但总体接地极宏基站不少于16根，微基站接地极不少于12根（市郊）这样做不但节省人力物力更加保护了环境。

不考虑所谓的接地电阻，是因为大家根本不清楚“接地电阻”的真正概念及其准确的测量方法。电阻是加在被测物二端的电压，此电压产生的通过被测物的电流强度的比值。按欧姆定律的概念这个比值是恒定的不随外加电压而变。大地电阻的所谓接地电阻，这与实验上用的电阻有很大的差别，它的两端在何处？一端在接地体上，而另一端则是在哪里？

雷电的主要危害是来自于由雷电引起的电磁脉冲的耦合能量，是通过三个通道产生的瞬态浪涌：

①自来水管、电源线、天馈线、信号线等金属线引发的浪涌;

②地线通道，地电位反击;

③空间通道，电磁脉冲的辐射能量。

金属管线通道的浪涌和地线通道的地电位反击是电子信息系统受损的主要原因，而其最常见的致损形式是在电力线上引起的雷损，所以应把它作为防护的重点。又由于雷电无孔不入，雷电防护将是一个系统工程，而其防护的中心内容就是泄放和均衡。

泄放是将雷电与雷电电磁脉冲的能量通过大地泄放，并且采用层次性原则，尽可能多且远地将多余能量在引入通信系统之前泄放入地。

均衡是使系统各部分不产生足以致损的电位差的表现，即系统所在环境及系统本身所有金属导电体的电位在瞬态现象时保持基本相等，实质上是基于均压等电位连接而成的。

所以，地网要有一定的规模，不论土壤电阻率、不论接地网的接地电阻大小，只要做到雷电防护系统三部分：

①由接闪器、引下线、接地体组成的外部防护可将绝大部分雷电能量直接导入地下泄放。

②由均压等电位连接、过电保护组成的内部防护可均衡系统电位，限制过电压幅值。

③由合理的屏蔽、接地、布线组成的过渡防护可减少或阻塞通过各入侵通道引入的感应。

参考文献：

[1] 虞昊，臧庚媛，张勋文，等.现代防雷技术基础[M].北京：清华大学出版社，

1995.

[2] Martin A. Uman.銀燕（译）.防雷技术与科学[M].北京：气象出版社，2011.

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