莊　翼

[摘要]文章通過分析現(xiàn)階段GSM基站防雷和接地存在的主要問題，分別就直擊電、基站供電線路、移動(dòng)基站共用(聯(lián)合)接地系統(tǒng)等幾個(gè)方面提出了防雷的解決方案，指出接地是防雷系統(tǒng)的最重要環(huán)節(jié)，做好接地對于基站的防雷意義重大。

[關(guān)鍵詞]GSM基站防雷接地雷擊天線

1概述

我國移動(dòng)通信經(jīng)過十幾年的發(fā)展，從初期的第一代模擬通信發(fā)展到第二代數(shù)字通信。以及現(xiàn)在的3G網(wǎng)絡(luò)，從小規(guī)模、小范圍覆蓋發(fā)展到今天的大規(guī)模、覆蓋全國所有地市及村村通工程。微電子技術(shù)是移動(dòng)通信基站電子設(shè)備的核心。這些設(shè)備很脆弱，雷電易對它們產(chǎn)生破壞，將造成通信中斷和嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。移動(dòng)GSM基站有城區(qū)站、郊外站和高山站，其通信天線一般都有金屬塔支撐，因覆蓋需求機(jī)房所處地勢也較高，通信鐵塔容易成為雷云對地放電的接閃通道，從而導(dǎo)致基站容易遭受雷擊。過電壓尤其是功率強(qiáng)大的雷電電磁脈沖對基站電子設(shè)備硬件的損壞是呈逐年上升趨勢。現(xiàn)在大有移動(dòng)基站建到哪里雷電的侵害就跟蹤到那里趨勢。因此，加強(qiáng)移動(dòng)通信基站對雷電的防御能力，減小雷擊災(zāi)害損失，其防雷與接地措施必須結(jié)臺(tái)基站建筑物及基站通信專業(yè)的特點(diǎn)，做到綜合治理、系統(tǒng)防雷。

2基站防雷和接地問題分析

實(shí)踐中，GSM基站防雷與接地通常存在以下問題：

(1)天線與避雷針距離太近：天線雖然在滾球半徑范圍內(nèi)。但鐵塔避雷針與天線的垂直、水平距離太近，避雷針接閃時(shí)，天饋線上的雷電感應(yīng)電壓過高，對通信設(shè)備端口造成危害。

(2)接地電阻不符合規(guī)范：有的基站避雷針在機(jī)房屋頂雖然接地，設(shè)備也有接地，但接地電阻太大，不利雷電流泄流。

(3)天饋接地不符合規(guī)范：有的基站鐵塔高度大于或等于60m，天饋線中間和進(jìn)入機(jī)房前都沒有接地；有的饋線與通信機(jī)端口未設(shè)置饋線避雷器。

(4)供電線路敷設(shè)不規(guī)范：有的基站供電線路沒有從地下敷設(shè)進(jìn)站，而是架空直接進(jìn)入二樓機(jī)房，把雷電波直接引入房間。

(5)地網(wǎng)制作不規(guī)范：有的基站天線鐵塔地網(wǎng)和機(jī)房地網(wǎng)沒有形成聯(lián)合接地；有的基站機(jī)房內(nèi)通信設(shè)備接地不規(guī)范，直接與屋頂女兒墻上避雷帶相連，基站遭雷擊時(shí)致使通信設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞；獨(dú)立鐵塔旁的機(jī)房或鐵塔下面的機(jī)房通信設(shè)備接地不規(guī)范，只用一根扁鋼從鐵塔一個(gè)角引到機(jī)房作通信設(shè)備接地。

(6)光纖線路接地不規(guī)范：光纜進(jìn)入基站機(jī)房后。金屬層和金屬芯及光端機(jī)未接地，使光端機(jī)損壞。

3基站防雷和接地解決方案分析

由于各GSM基站的環(huán)境和建設(shè)方式不同，對基站防雷與接地不能一概而論，應(yīng)根據(jù)具體情況采取防雷與接地措施。建議新建基站在選址時(shí)，要考慮防雷與接地有利的地形，不宜選用高土壤電阻率的巖石地帶，要考慮做地網(wǎng)的問題；獨(dú)立鐵塔與機(jī)房不能靠得太近。鐵塔地網(wǎng)與機(jī)房有3m～5m間距。

YD5068-98《移動(dòng)通信基站防雷與接地設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(2000年版)是目前移動(dòng)基站防雷工程設(shè)計(jì)的直接依據(jù)。結(jié)合幾年來防雷工程的實(shí)踐，淺談基站防雷與接地方面的一些問題。

3.1直擊雷的防護(hù)

為保護(hù)GSM基站通信天線免遭直接雷擊，基站無論建在什么地方，天線應(yīng)有直擊雷的防護(hù)措施，應(yīng)在接閃裝置保護(hù)范圍之內(nèi)，即天線處于LPZOB區(qū)內(nèi)。安裝接閃裝置或天線時(shí)，應(yīng)注意天線頂部與接閃裝置頂部有3～5m的垂直距離，天線與塔身水平距離應(yīng)保持2.5m。在設(shè)計(jì)接閃裝置時(shí)應(yīng)按GB50057-94中滾球法確定，其滾球半徑應(yīng)為45m。接閃裝置與鐵塔作可靠的電氣連通。鐵塔建在建筑物樓頂時(shí)，接閃裝置應(yīng)納入建筑物直擊雪防護(hù)系統(tǒng)，塔腳與避雷帶在兩個(gè)方向焊接連通。

GSM基站同軸電纜饋線的金屬外護(hù)層，應(yīng)在上部、下部和經(jīng)走線架進(jìn)機(jī)房入口處接地，當(dāng)鐵塔高度大干或等于60m時(shí)，同軸電纜饋線的金屬外護(hù)層還應(yīng)在鐵塔中部增加一處接地。以此增加雷電流的入地途徑，并使饋線上的過電壓分割成多段承擔(dān)。加強(qiáng)分流和均壓效果。通過至少三次接地，直接使雷電能量在進(jìn)入機(jī)房機(jī)架前泄入大地，從而達(dá)到保護(hù)機(jī)架及設(shè)備安全的目的。

同軸電纜饋線進(jìn)入機(jī)房后與通信設(shè)備連接處應(yīng)安裝饋線SPD，以防來自天饋線引入的感應(yīng)雷。饋線SPD接地端應(yīng)引接到室外饋線入口處接地線上，選擇饋線SPD時(shí)應(yīng)考慮連接器、阻抗、工作頻段、衰耗等指標(biāo)與通信設(shè)備相適應(yīng)。

GSM基站機(jī)房應(yīng)有直擊雷防護(hù)措施，屋頂應(yīng)設(shè)避雷帶、避雷網(wǎng)，而且該網(wǎng)與避雷帶應(yīng)按一定間距焊接連通。

3.2基站供電線路的雷電防護(hù)

GSM基站交流供電方式應(yīng)采用三相五線制以解決交流零線上的不平衡電流通過聯(lián)合接地體對移動(dòng)通信的干擾問題。

從防雷角度考慮，目前作為電源線路的防護(hù)廣泛使用過電壓保護(hù)裝置(SPD)并采取分級(jí)保護(hù)的原理。一般通信電源都有三級(jí)防護(hù)措施，即B、C、D三級(jí)防護(hù)，B級(jí)一般設(shè)在電源線進(jìn)機(jī)房處，主要泄放大部分雷電流，并在一定程度上降低雷電過電壓；C級(jí)一般設(shè)在通信電源的交流配電單元，在于進(jìn)一步降低電壓幅度；D級(jí)設(shè)在整流模塊內(nèi)部。通過級(jí)保護(hù)的手段，將雷電流泄放入大地，從而扼制雷電流的入侵，將瞬態(tài)過電壓幅值降低到設(shè)備可以承受水平，起到保護(hù)電子設(shè)備的作用。

僅有完善的三級(jí)保護(hù)還不夠，有些移動(dòng)基站的低壓電力線路是架空引入的，很容易遭到感應(yīng)雷擊沿線路一直傳到機(jī)房將設(shè)備損壞。電源線架空入室，有可能遭到直接雷擊，這是引雷的重要途徑，應(yīng)該從加強(qiáng)屏蔽的角度去保障系統(tǒng)的安全，采用屏蔽電纜穿鐵管埋地敷設(shè)進(jìn)基站，YD5068-98第3.1.6條規(guī)定：“進(jìn)入移動(dòng)通信基站的低壓電力電纜宜從地下引入機(jī)房，其長度不宜小于50m(當(dāng)變壓器高壓側(cè)已采用電力電纜時(shí)，低壓側(cè)電力電纜長度不限)?！甭竦胤笤O(shè)的電力電纜，在進(jìn)基站機(jī)房前邊距離大于10m的室內(nèi)配電箱處安裝第一級(jí)限壓型SPD1，其通流容量為60KA～100KA；在機(jī)房內(nèi)安裝第二級(jí)限壓型SPD2，其通流容量為20KA～40KA。為了實(shí)現(xiàn)第一級(jí)與第二級(jí)SPD之間有效配合，在SPD1和SPD2之間線距小于10m時(shí)，必須在這兩級(jí)間串入解耦電感器。SPD的選擇應(yīng)考慮各級(jí)之間的能量分配和電壓配合，在許多因素難以確定時(shí)，建議在機(jī)房內(nèi)采用組合型串并式電源SPD。串并式是根據(jù)現(xiàn)代雷電防護(hù)中應(yīng)用場合、保護(hù)范圍、層次區(qū)分等特點(diǎn)提出的。其實(shí)質(zhì)是經(jīng)能量配合和電壓分配的多級(jí)放電器與濾波技術(shù)的有效組合。直流電源線路應(yīng)安裝直流電源SPD對線路進(jìn)行保護(hù)。

3.3移動(dòng)基站共用(聯(lián)合)接地系統(tǒng)

接地是分流和排泄直接雷擊和雷電電磁脈沖能量最有效的手段之一。沒有接地裝置或者接地不良的避雷設(shè)施就成了引雷入室的禍害。

YD5068-98規(guī)定移動(dòng)基站鐵塔地網(wǎng)、機(jī)房地網(wǎng)、變壓器地網(wǎng)進(jìn)行妥善連接，站內(nèi)實(shí)行聯(lián)合接地，并要求工頻接地

電阻值應(yīng)小于5Ω，對于年雷暴日小于20天的地區(qū)，接地電阻值可小于10Ω。經(jīng)實(shí)踐證明這是行之有效的規(guī)定。鐵塔地網(wǎng)是泄放直擊雷大電流的地網(wǎng)，直擊雷電流是沖擊電流，其地網(wǎng)用沖擊接地電阻表示，而沖擊電位在入地后是在地下不太深的地層中沿半球體成指數(shù)曲線衰減，越靠近直擊雷電流引下線入地的地方其沖擊電位越高。離開雷電流引入點(diǎn)愈遠(yuǎn)的地方，接地體上的電位就愈低，任何情況下，機(jī)房電子設(shè)備的接地引入線接地點(diǎn)與直擊雷電流引下線入地點(diǎn)應(yīng)有足夠的間隔距離，YD5068-98規(guī)定相互離開5m以上，條件允許時(shí)應(yīng)離開10m～15m，否則雷電沖擊高電位將對弱電設(shè)備造成反擊而受損。因此，機(jī)房電子設(shè)備的接地應(yīng)從機(jī)房地網(wǎng)上引入地線?；镜沫h(huán)境有不同，但都要做機(jī)房地網(wǎng)，并用導(dǎo)體引接到機(jī)房去，機(jī)房內(nèi)應(yīng)設(shè)置局部等電位連接帶，是LPZ1與LPZ2區(qū)界面處的等電位連接帶；而機(jī)房地網(wǎng)應(yīng)屬于總等電位連接帶的接地網(wǎng)，是LPZOB區(qū)與LPZ1區(qū)界面處的等電位連接。

機(jī)房內(nèi)各種線纜的金屬外層、設(shè)備保護(hù)接地、工作接地、金屬構(gòu)件、各種箱件、殼體、機(jī)架、屏蔽網(wǎng)等均以最短距離與局部等電位連接帶連接。采用的是S型星形結(jié)構(gòu)或M型網(wǎng)形結(jié)構(gòu)的等電位連接網(wǎng)絡(luò)，在這一連接處，電源系統(tǒng)可采用第二級(jí)電涌保護(hù)器(SPD)進(jìn)行連接。

設(shè)置GSM基站地網(wǎng)有以下幾種情況：

(1)基站建于城市現(xiàn)代建筑物的頂層

天線用鐵塔支持，鐵塔建在樓頂屋面上，避雷帶、避雷網(wǎng)與現(xiàn)代鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，天線與鐵塔的接地直接與避雷帶、避雷網(wǎng)連接，防直擊雷應(yīng)納入建筑物防直擊雷系統(tǒng)。這種建筑物有龐大基礎(chǔ)的接地網(wǎng)(包括與之相連的自然接地體)，基站機(jī)房的局部等電位連接帶與共用接地系統(tǒng)的連接，可以從樓層中部的輔助等電位連接帶或接地端子板上用接地線引入，亦可用接地干線與總等電位連接帶連接后引至機(jī)房。

(2)租用民房建的基站

租用民房建立的基站如圖1所示。鐵塔在樓頂，兩個(gè)方向接避雷帶，其引下線的地電阻應(yīng)小于10Ω。必須再做一個(gè)機(jī)房地網(wǎng)地電阻小于10Ω，兩個(gè)地網(wǎng)間在0.6m地下用扁鋼連成聯(lián)合地網(wǎng)，相距應(yīng)大于5m。機(jī)房內(nèi)局部等電位連接帶的引入線應(yīng)從機(jī)房地網(wǎng)上引接?；倦娫聪到y(tǒng)SPD1的接地線也應(yīng)從該地網(wǎng)上另用導(dǎo)線引接，不能直接從防雷引下線的地網(wǎng)上引入。要因地制宜進(jìn)行聯(lián)合接地。

(3)機(jī)房設(shè)在鐵塔旁的GSM基站

在某些平原地區(qū)或山上建立的移動(dòng)基站，機(jī)房設(shè)在鐵塔旁邊時(shí)，要做好鐵塔地網(wǎng)，泄放直擊雷大的沖擊電流。并做好機(jī)房地網(wǎng)進(jìn)行等電位連接，為泄放小的雷電流提供通路。在建鐵塔時(shí)，應(yīng)充分利用塔基地樁內(nèi)兩根以上主鋼筋作為鐵塔地網(wǎng)的垂直接地體。當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)的接地電阻值達(dá)不到小于10Ω要求時(shí)，可擴(kuò)大地網(wǎng)面積。在地網(wǎng)外圍增設(shè)1圈環(huán)形接地裝置或采用其他降阻措施。環(huán)形接地裝置由水平接地體和垂直接地體組成，水平接地體周邊為封閉式。也可在鐵塔四角設(shè)置輻射狀延伸接地體(如圖2所示)。

機(jī)房地網(wǎng)應(yīng)沿機(jī)房建筑物散水坡外設(shè)置環(huán)形接地裝置，同時(shí)還應(yīng)利用機(jī)房建筑物基礎(chǔ)內(nèi)兩根以上主鋼筋組成機(jī)房地網(wǎng)。當(dāng)機(jī)房地網(wǎng)的接地電阻值達(dá)不到小于10Ω要求時(shí)，應(yīng)沿環(huán)形接地裝置設(shè)置人工垂直接地體或輻射狀延伸接地體。

兩個(gè)地網(wǎng)做好后再用扁鋼連接成聯(lián)合接地網(wǎng)。機(jī)房內(nèi)局部等電位連接帶應(yīng)在鐵塔地網(wǎng)較遠(yuǎn)處的機(jī)房環(huán)形接地網(wǎng)上引接。

(4)機(jī)房在鐵塔下建的GSM基站

按照機(jī)房建在鐵塔旁的情況做好鐵塔地網(wǎng)，仍然應(yīng)在鐵塔側(cè)5m外做一個(gè)機(jī)房地網(wǎng)，其接地電阻值應(yīng)小于10Ω，并與鐵塔地網(wǎng)連接成聯(lián)合接地地網(wǎng)(如圖3所示)。

在機(jī)房地網(wǎng)的中心用金屬導(dǎo)體穿鋼管屏蔽，從地下或離地平面0.5m的地上引進(jìn)機(jī)房，鋼管一端接地。機(jī)房內(nèi)設(shè)置S型星形接地排。

(5)GSM基站地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前基站有各種各樣的地網(wǎng)，接地電阻從幾歐～十多歐不等，這主要是基站所處的地理環(huán)境和土質(zhì)及站址所在地區(qū)土壤電阻率所決定。從理論上講，防雷接地用有接地電阻越小越好，這是因?yàn)榻拥匮b置上流過的雷電流會(huì)使接地點(diǎn)的地電位升高，產(chǎn)生過高的接觸電壓和跨步電壓，機(jī)房內(nèi)的反擊電壓也高，因此地網(wǎng)的設(shè)計(jì)主要是從防雷的角度考慮，盡可能降低接地電阻。但對于山區(qū)基站實(shí)際所處的地理位置與雷電的活動(dòng)區(qū)域有著一定的關(guān)系，而且土質(zhì)很差，多為碎石土壤、風(fēng)化巖或花崗巖石，表面土僅十幾，幾十厘米厚，土壤電阻率極高，要使基站地網(wǎng)接地電阻做的很小是很困難的。這種情況應(yīng)對基站地網(wǎng)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的辦法降低其接地電阻值。仍然應(yīng)做好鐵塔地網(wǎng)和機(jī)房地網(wǎng)，從機(jī)房地網(wǎng)上引入接地線作局部等電位連接帶(接地排)。地網(wǎng)的組成如圖4所不。

它為環(huán)路互聯(lián)聯(lián)合的接地形式，有利于均衡基站地電位，增加雷電流散流能力，接地電阻主要決定于接地網(wǎng)的面積。作為復(fù)合接地體以水平接地體為主，且邊緣閉合，其工頻接地電阻的計(jì)算式R約為：R≈0.5p/A

R——工頻接地電阻(Ω)：

p——土壤電阻率(Ω·m)

A——接地網(wǎng)的總面積(m²)

增大接地網(wǎng)的面積是降低接地電阻的主要因素，這時(shí)對接地電阻數(shù)值起主要作用的是接地體的外環(huán)部分，而不是網(wǎng)格內(nèi)部接地體的數(shù)量。以外環(huán)水平接地體為主和垂直接地體為輔的環(huán)路組成，而環(huán)路外形由站址所處的地理環(huán)境所決定。

實(shí)踐證明，接地是防雷系統(tǒng)的重要因素。往往采取了各種防雷措施還遭雷害，其主要原因是接地沒有做好，或亂引接地線造成的。

移動(dòng)基站還應(yīng)注意建筑物和機(jī)房的屏蔽措施，非LPZ2區(qū)的機(jī)房不宜有大孔洞的窗戶，以防御空間雷電電磁脈沖輻射能量對電子設(shè)備的損壞。