移動通信基站的防雷接地系統的設計
□翟玉杰 冷柏昆 李文保
眾所周知，雷電具有很強的破壞性，主要有直擊雷、雷電感應、雷電波侵入和地電壓反擊四種形式。由于移動通信基站的天線設備不僅安裝在建筑物頂上，而且還有相當一部分安裝在鐵塔上，相對周圍環境而言，形成十分突出的目標，從而導致雷擊概率增多，移動基站常常遭受雷害，導致通信設備損壞、通信中斷。盡管我們采取了各種各樣的防雷措施，耗費了大量人力財力，每年雷害造成的損失仍然很大。怎樣才能有效地預防雷害，確保移動通信基站設備和工作人員的安全呢？幾年來的維護經驗告訴我們：必須根據每個基站的實際情況設計移動通信基站的防雷接地系統，實施基站針對性防雷。
一、找出移動基站雷害的隱患
移動基站防雷是一個復雜的系統工程，過去我們按照經典的防雷理論，為了提高基站防雷系統的泄流能力，選用了80kA甚至100kA的大型防雷器，但是防雷效果卻不令人滿意，而且防雷器都是檢測合格的入網產品。經查，是工程師沒有按照基站的實際情況設計防雷系統。我們調查統計了全省近兩年來的雷擊事故，得出一條重要數據：基站內設備被直擊雷和雷電感應破壞的概率為零。這是因為基站設備（包括基站室外電力變壓器）的位置普遍較低，完全處于建筑防雷設施、鐵塔以及架空線路避雷系統的保護之下，雷電流只能沿鐵塔避雷系統、架空線路避雷系統和建筑防雷等外圍的避雷系統泄放，所以基站設備很難遭到直擊雷損害。另外基站內的設備外殼、天饋線、走線架等金屬物全部安裝了接地保護，再加上與室外的雷擊點和避雷器接地引線有足夠的距離，所以雷電感應也很難發揮作用。幾年來雷擊事故的主要現象為：基站B級防雷器保護空開動作，部分單相交流設備和直流設備損壞。我們從中不難看出地電壓反擊和雷電波侵入是造成基站設備損壞的主要原因，所以基站防雷系統應以防止地電壓反擊和雷電波侵入為主要目標。
二、防止地電壓反擊
地電壓反擊是當雷電流沿基站附近的避雷器對地泄放時，由于接地電阻的存在引起基站的地電位升高，基站直流負荷如BTS電源、開關電源的監控單元、基站的動力環境監控器等設備相對遠端地一般都存在寄生電容，這些設備一端與工作接地相連，無流的遠端地與基站的工作接地間存在電位差，因而產生差模脈沖電壓，當超過設備的容許限度時必然造成設備的損壞。基站的單相交流負荷如基站空調、照明等設備的零線接在變壓器的交流地上，當雷電流沿基站附近的避雷器對地泄放時，變壓器的交流地和交流重復接地的電位也會升高，因此基站的單相交流設備也同樣存在地電壓反擊的問題。
如圖1所示，我們把基站設備與接地有關的電路簡單等效為線路電阻、線路寄生電感（可忽略不計）、線路負載（如傳感器、BTS、空調、燈具等）終端對遠端地的寄生電容組成的串聯回路。假設基站的沖擊接地電阻r為2Ω，防雷器對地的泄放電流為2kA，這時基站的接地排的瞬間電壓為U=I×r=4kV，負載兩端的瞬間浪涌電壓可達4kV，如不采取措施，必然造成設備損壞。
三、因地制宜消減反擊電壓
如何避免地電壓反擊造成的損失？我們一般很自然會想到使用交流過壓保護器和直流浪涌抑制器，即在交流變壓器的低壓側、基站交流配電箱的地零間加裝交流過壓保護器；在直流負載的電源輸入端加裝浪涌抑制器。所有交流過壓保護器和直流浪涌抑制器必須靠近被保護的設備安裝，避免被保護設備由于接地或電源引線過長引起脈沖反射。另外一個非常重要的問題就是將基站的工作接地與室外避雷器接地在基站地網上的引接點分開焊接，這樣可以大大降低基站工作接地母排的電壓浪涌幅值。我們知道，雷電電流沿地網泄放時，在避雷器引下線與地網連接點附近土壤內形成一個強電位場，距離越近電壓越高，將基站工作接地與室外避雷器接地分開，可以大大降低基站的反擊電壓。所以YD5068-98《移動通信基站防雷與設計規范》明確指出：基站工作地與防雷地在基站聯合接地網上的引接點距離不應小于5m，條件允許時宜間距10m～15m。實際上除電力線路外，基站的鐵塔遭雷擊次數最多，與鐵塔共用接地網的基站經常受到地電壓反擊的損害，如果鐵塔地網邊緣距離基站大于5m，應在基站附近另建環形工作接地網；條件差的基站可以沿鐵塔地網與基站工作接地的引接線，補設接地樁；只能利用鐵塔地網的基站也應把鐵塔避雷接地的引接點與工作接地的引接點分別安裝在對角塔基上。對于山頂基站尤其應注意將基站的工作接地與鐵塔避雷接地及基站室外接地分開，因為山頂基站的接地電阻較大，接地引線較長，雷電流泄放相對緩慢，所以地電壓反擊比較嚴重。
降低接地電阻也有利于防止反擊事故。接地電阻較大的山上基站，可利用塔基鋼筋、蓄水池、無爆炸電擊危險的金屬管路等自然接地體降低接地電阻，埋設地樁有困難的山上基站也可從塔基沿山體的自然溝壑（最好選擇陰暗潮濕的地方），制作橫向輻射接地網，輻射接地網長度應小于30m，塔基四周輻射的橫向接地網越多越有利于雷電散流。
四、適當選用電源線路保護空開防止雷電波侵入
避雷器的響應特性有軟硬之分：氣體放電管和火花間隙防雷器是基于斬弧技術的角形火花隙和同軸放電火花隙，當線路電壓超過防雷器的擊穿電壓后，防雷器的絕緣電阻立刻急劇下降，放電能力較強，殘壓相對較高，恢復電壓低于原來的擊穿電壓，屬于硬響應特性；屬于軟響應特性的是壓敏電阻和浪涌抑制二極管，其特點是響應時間短，放電電流小，殘壓低而且恢復電壓基本不變。避雷器的直流1mA 參考電壓是我們選擇避雷器的絕緣要求，硬響應的防雷器的工頻后續電流和防雷器絕緣劣化可能造成線路短路，所以防雷器前面應該配置過流保護空氣開關或熔絲，其額定電流應小于防雷器的最大短路允許強度。如果主電路保護空開大于防雷器的最大保險絲強度，應設避雷器分路保護空開。
雷電波的脈沖寬度為納秒級，所以一般防雷器均以響應時間達到納秒為標準，有人就把基站的防雷系統按照納秒級防雷時間進行設計，比如在C級防雷器上加裝了很小的保護空開如20A或32A，認為這樣既防雷又安全。實際上，在所有基站設備發生過壓損壞的雷擊事故中，由于防雷器保護空開的斷路作用，防雷器并沒有完全起到泄放雷電、限制電壓的作用。這種事例從反面證實了應該選用較小設備的保護空開，并且使防雷器緊靠被保護設備安裝，使被保護設備與防雷器具有相同的安全級別。
納秒級的雷電波在對地泄放中產生的地電壓反擊和雷電波侵入作用時間可能被延長至毫秒級甚至更長，我們在選用防雷器和設備的保護空開時，應根據防雷器的最大允許熔絲電流和線路的進線容許短路電流以及設備的負荷電流綜合考慮，一般應按如下標準選擇：
設備的總保護空開額定電流 > 設備的負荷電流；
設備的總保護空開額定電流 ≤ 防雷器的最大允許熔絲電流；
設備的總保護空開額定電流 << 電路進線的容許短路電流。
五、實現分級防雷
防雷器的殘壓是保護基站設備的重要參數，一般來講，泄流能力強的防雷器，響應時間長，殘壓高。世界上沒有任何一種防雷器能滿足所有混合雷電沖擊波、殘壓以及響應時間指標的要求，所以應根據表1中基站電源設備的絕緣等級劃分防雷層次，實現多級防護，對雷電能量逐級減弱，使各級防雷器殘壓相互配合，最終使過電壓值限制在設備絕緣強度之內。我們認為應該結合YD5078-98《通信工程電源系統防雷技術規定》和基站的實際情況，從交流電力網高壓線路開始，根據基站主要電源配套設備的耐雷電沖擊指標和防雷器殘壓要求，采取分級協調的防護措施，進行基站的防雷系統設計。具體基站主要配套設備的耐雷電沖擊指標和防雷器殘壓要求如表1所示。
實現各級防雷器的能量分配與電壓配合的要點在于利用兩級防雷器之間線纜本身的感抗。電纜本身的感抗有一定的阻礙電流及分壓的作用，使雷電流更多地被分配到前級泄放。當保護地線與其它線纜緊貼敷設或處于同一條電纜之內時，要求兩級防雷器之間線纜長度在15m左右，當防雷器接地線與被保護電纜有一定距離（>1m）時，要求線纜長度大于5m即可。在一些不適合采用線纜本身作退耦措施的，如兩級防雷器靠近或線纜長度較短時，可利用專門的退耦器件，此處沒有距離方面的要求。
當電力變壓器設在站內時，在變壓器高壓側和低壓側的三相線應分別對地加裝無間隙氧化鋅避雷器，作為供電線路的A級和B級過電壓保護；當220V/380V低壓供電線路直接進入基站時，應首先進入一樓進行B級過電壓保護，在一樓設置B級過電壓保護有困難時，應在機房所在樓層配電箱處設置B級過電壓保護，此時須保證B級與C級電源避雷器之間的供電線路有15m以上的距離，以確保B級避雷器的正常響應。如果距離太近，勢必造成C級防雷器響應超前于B級防雷器，B級防雷器沒動作，C級防雷器可能被燒毀。基站的交流穩壓器應該安裝在B級防雷器的后面，C級防雷器的前面。
市電進入基站機房后，應在機房內配電箱的輸出端加裝相應的C級電源避雷器，C級電源避雷器技術參數如下：
雷電通流量≥2kA；響應時間≤25ns；殘壓峰值≤1.3kV（標稱放電電流為1.5kA等級）。
為了進一步防止雷電過電壓的危害及當供電線路發生故障時造成的危害過電壓，需在開關電源等交流負荷電源進線端的空開后加裝D級防雷器，在直流配電屏的輸出端上安裝浪涌吸收裝置（直流避雷器），作為電源線路的E級過電壓保護，并在直流負荷設備的電源入口處安裝浪涌吸收裝置。對于雷害嚴重的地區或有雷害史的移動通信基站可考慮多加裝一級交流電源避雷器，確保供電線路的防雷安全。交流配電箱、開關電源等所有負荷設備的內部防雷器接地端子應與機殼就近連接。如果負荷設備的內部防雷器與上一級避雷器之間的距離太近，無法達到15m，則負荷設備的內部防雷器則可采用串聯型避雷器，即去耦合電感。
六、"3+1"防雷器更適合于基站電源系統
防雷器連接形式與基站低壓供電系統保護相符合，也是基站防雷不容忽視的問題。目前基站的交流電源無論是自建變壓器還是轉供電都屬于TT系統，過去我們通常使用4×1防雷器，即四只相同的防雷器分別接在相線和中性線上，盡管防雷器具有較強的放電能力，但是超載并不能完全排除，其后果是產生L-PE間的漏電流，另外設備或線路的絕緣故障也同樣產生L-PE間的漏電流。由于TT系統的接地電阻較大，漏電流不能很快使線路保險熔絲或空開斷開，共用基站接地排的設備外殼可能帶電，危及人身和設備安全。排除這個隱患的最佳辦法就是使用"3+1"方案。
使用該方案應首先給相線和中性線分別接入三個與前面相同的防雷器，在地和中性線防雷器之間接入一個總和電流防雷器。當相-零間防雷器出現漏電時，漏電流通過中性線回到變壓器，由于中性線電阻較小，所以經過一個短暫的時間防雷器的熱敏開關斷開這個漏電流。另外當出現地電壓反擊時，地和中性線防雷器之間的防雷器動作很快，可以更有效地保護單相電源設備。
眾所周知：U=L·di/dt，線路寄生的電感量與線路長度成正比，與線路的彎曲正相關，只有降低線路的寄生電感，才能降低雷電流泄放路徑中產生的電壓，因此基站的B級防雷器應盡量安裝在距室內地排最近的地方。相線、零線與防雷器的連接盡量采用凱文接法，即被保護設備的電源應單獨從避雷器的端子上引出，使防雷器端子至被保護設備電源引線的連接點的距離縮短至零。防雷器的接地線應短、直，盡量不與其他線路靠近或平行敷設。
基站防雷系統工程是保證通信網絡暢通、人員和設備安全的重要環節，涉及基站鐵塔、天饋線、土建、供電、設備安裝以及周圍建筑等許多方面，需要我們樹立長遠的戰略目標，不斷總結經驗，從實際情況入手，不斷提高防雷技術水平和基站的防雷能力。
移動通信基站的防雷接地系統的設計