移动通信基站的防雷与接地

移动通信基站的防雷与接地——作者：信息产业部邮电设计院刘吉克 2003年03月31日摘要信息产业部邮电设计院对全国10几个省份移动通信基站遭雷击情况统计结果表明,基站收发信机几乎没有一起因遭受直击雷损坏的事例，雷击造成通信设备损坏事故的95%是雷电过电压引起的，因此对移动通信基站雷电过电压的保护就更为重要。

本文从移动通信基站的事故分析作引导，着重论述移动通信基站的防雷问题。

关键词移动通信基站防雷接地雷击概率雷电过电压保护接地体对于每一个通信局（站）采用统一的防雷措施既不经济、又不合适，一般而言，建在山上及郊外孤立的站与地处雷暴强度较强、雷暴日较多通信局（站）雷击事故概率较大，其应比那些雷击事故概率小的采用更为有力的防雷保护措施。

另外移动通信基站的雷电过电压保护，各级防护器件是相辅相成的，互相影响的，此时用以局部防护的过电压器件不能有效的发挥其防护性能，将影响移动通信基站的整体防护。

另外还有一个重要的原则，移动通信基站的雷电过电压保护设计必须是建立在联合接地基础上。

因此移动通信基站雷电保护并非是简单的接地或者单一的雷电过电压保护器件应用，而是根据移动通信基站所处的具体位置、环境因素、所在地区的雷暴强度及雷暴日的大小、来确定基站的雷电保护措施和方法。

1 一些省市移动通信基站雷击统计分析信息产业部邮电设计院对全国10几个省移动通信基站遭雷击情况的统计，为了便于说明移动通信基站的雷害情况，本文仅对雷暴日较多的福建、湖南、浙江省移动通信基站的统计结果进行分析，选择这几个省的移动通信基站为调查目标，有一个很重要的因素，这就是福建、湖南、浙江省都是雷暴日较多的地区（年雷暴日为70以上）。

且几乎都没有使用非常规避雷装置（如消雷器、优化避雷针）作为防直击雷的方式，这样根据雷击通信设备的事故分析，就可以说明对于移动通信基站的雷电防护究竟采用什么措施更为有效。

1.1 湖南省移动通信局雷击情况统计根据所统计到的湖南省移动通信局281个站，自1992年开通以来，共发生了24次雷击事故，其中：¬ 雷击使天线输出变化、参数改变，换天线一根（根据该局人员分析，雷击的原因是：“移动通信天线与避雷针等高，天线不在避雷针保护范围内，雷击造成天线参数改变”，但从天线本身看，没有任何雷击迹象），尚若该事故是雷击造成的，雷击是属于防雷设计问题。

占雷击事故总数的4%；-.电源系统、电源设备损坏14次，占雷击事故总数的56%，雷击损坏设备有：稳压器、交流配电屏、空调等；® 由中继电路造成的事故10次，占雷击总数的40%，雷击损坏光端机接口；PCM板；交换机用户板；W2464Z线路支架；MAX8099板。

1.2 福建省移动通信基站雷击情况统计根据所统计的福建省移动通信局19个基站，在92年开通以来，共发生11次雷击（其中既击坏电源，又击坏PCM电路的两次），其中：¬.电源系统、电源设备损坏3次，占雷击事故总数的27.3%（占统计总数的15.8%），雷击损坏设备有：电源模块、微波设备室外机电源；-.由中继电路造成的事故9次，占雷击总数的81.8%（占统计总数的47.36%），雷击损坏2Mb 接口；PCM板；话路盘。

1.3 浙江省移动通信基站雷击情况统计根据所统计的浙江省移动通信局93年开通以来遭受雷击的49个基站，其中：¬.电源系统、电源设备损坏3次，占雷击事故总数的28.8%，雷击损坏设备有：电源模块、微波设备室外机电源；-.由中继电路造成的事故35次，占雷击总数的67.2%，雷击损坏2Mb接口；PCM板；话路盘。

® 信道、功放电路雷击事故两次（事故原因待分析）。

1.4 湖南、福建、浙江移动通信基站雷击归一化统计结果分析为了更清楚的分析移动通信基站雷击概率，我们将湖南、江西、福建移动通信基站1990～1997年的雷击事故概率进行归一化处理，归一化雷击概率由下式表示：雷击次数归一化雷击概率=----------------×100%总站数×年À 湖南省移动通信局：雷击电源系统归一化概率: 0.83% ;雷击中继电路归一化概率：0.59%雷击其它电路归一化概率：0.06%。

Á 福建省移动通信局：雷击电源系统归一化概率: 2.63% ;雷击中继电路归一化概率：7.9% 。

 浙江省移动通信局：雷击电源系统归一化概率: 1.22% ;雷击中继电路归一化概率：14.3% ；雷击其它电路归一化概率：0.81%。

雷击造成移动通信基站的事故，被损坏设备基本上是感应雷引起的电力线、电源设备、与外界有线缆联系的信号电路及接口设备。

按防雷接地标准施工的移动通信基站，经过防雷接地、过电压保护的综合治理，此时由直击雷造成的通信设备损坏事故仅是一个小概率事件，另外从湖南、福建微波站*与湖南、福建移动通信局雷击统计结果可以看出一个问题：同一省份的移动通信基站的雷击概率远小于微波站的雷击概率，这主要是由于；移动通信基站大都建在城市，微波站建在市郊及山上的站为多的缘故所致。

由于雷击造成移动通信基站通信设备损坏事故的95%是雷电过电压引起的，因此对移动通信基站雷电过电压的保护就更为重要。

*①2移动通信基站的雷击概率与接地电阻、年雷暴日等因素之间的关系由于移动通信基站蜂窝网覆盖区基站的分布在城市密度远高于郊县，现阶段山区的基站更在少数，因此造成雷击基站毕竟是小概率事件，虽然中国在世界上属于雷击日最多的地区，但是不要忽略中国的国土幅员辽阔，地区之间雷暴日不均匀性这一不争的事实，中国既有雷暴日超过100天的海南省，又有雷暴日不超过30天的广大地区及雷暴日10天左右的新疆和内蒙，对于每一个通信局（站）采用统一的防雷模式措施，必然造成很大的浪费，相关规范的编制并未考虑这一主要因素，工程技术人员对此应有一个清楚的认识。

从通信局（站）接地电阻这一局（站）防雷的重要参数讲，如果要在大地电阻率大于500Ω。

m的地区建站时，为了达到现有标准规定的5Ω，局（站）的接地地网面积，根据地网接地电阻的计算公式：ρR=0.5————┅┅┅┅┅①√S式中：R---通信局（站）接地网的接地电阻值（Ω）；ρ---站址所在地区的大地电阻率（Ω。

M）；S---地网的面积（m2）。

地网的面积应大于2500 m2，在城市一般专用局址的移动通信基站地网做到这样的面积在通常情况下是困难的，在山区要做到这样的面积和满足接地电阻值的要求可能要花更大的代价。

从理论上讲①：“一个接地地网的面积不论有多大，在工频时，可将接地网的表面近似看成等位面，故接地网的全部面积都能得到利用。

但是由许多根接地体在地中构成的网状接地体，在冲击电流的作用下，当土壤电阻率和大地介电系数一定时，接地网的冲击等效半径就是一个常数，而冲击等效半径要比接地网面积和的等效半径小的多。

即在冲击电流的情况下，仅仅利用接地网很小的一块面积”。

因此在确定雷击概率与年雷暴日、地理环境以及接地电阻等因素时，应找出主要雷击因素*②。

日本在70年代，花了三年时间对419个微波站的雷击事故进行了调查研究，其结果表明雷电事故与年雷暴日、海拔高度成正比，而与微波站的接地电阻几乎无关系，虽然日本人的统计是70年代微波站的雷击情况，但其结果可为移动通信基站的防雷方案提供一个清晰的思路。

3 移动通信基站的雷电过电压保护3.1配电系统对雷电过电压保护器件安装方式的要求通信局（站）对于不同的供电方式，雷电过电压保护器安装的方式要求是不同的，在中国对于通信局（站）的供电方式，原邮电部暂行规定XT005-95《通信局（站）电源系统总技术要求》规定“县以上城市各种通信局（站）宜采用10kV高压市电引入，并采用专用降压变压器供电”，这就规定了通信局（站）的配电方式采用TN系统，但又规定了“当通信局（站）引入高压电有困难或投资较大时可采用220/380V低压市电引入”，即又规定了通信局（站）的配电方式也可采用TT系统。

TN 、TT系统的接地方式有什么区别呢？1）TN系统和TT系统TN系统的第一个字母T说明系统中有一点（一般是电源的中性点）直接接大地，它被称作系统接地（System earthing），其第二个字母N说明用电设备的外壳，经保护接地线即PE线（Protective earthing cordutor ）与该点连接而接地，它被称作保护接地（Protective earthing）。

TN 系统又分为三类，图1为TN—S系统，字母S的含义是PE线和N线一般在中性点接地后，配电单独设立不再接触；图2为TN－C－S系统，字母C的含义是电源至建筑物的一段线路中PE 线和N线（中性线）是合为一根PEN线的。

字母S的含义是PEN线进入建筑物后即分为PE线和N线并不再接触；图3为TN—C系统，字母C的含义是电源中PE线和N线自始至终合用一根PEN线。

通信局（站）最常用的是TN—S系统和TN—C—S系统。

图4所示为移动通信基站和县支局常用的TT系统，是符合《通信局（站）电源系统总技术要求》中规定的，作为基站和县支局其电力负荷要求非常小，一般基站的电力负荷电流仅30A 以下，这样小的负荷量，不可能设立专用变压器，因此作为基站和县支局由于引入高压电有困难或投资较大时采用了220/380V低压市电引入的选择，TT系统第一个字母T也表明系统接地是直接接大地，其第二个字母T表明用电设备外壳的保护接地是经PE线接单独的接地板直接接大地，它与电源中的N线线路和系统接地毫无关连。

因接地系统的不同，通信局（站）电源配电线路雷电过电压保护的器件选用和安装方法要求也十分不同。

2）．TN系统和TT系统对安装SPD的要求①TN系统内安装SPD的要求SPD的选用与安装和电源线路的接地系统有很大的关系，图5为TN－C－S接地系统中SPD的安装方式。

从图可知TN系统PEN线在进线处已接于建筑物内总等电位联结的接地母排上，PEN线已在此处接地而等电位，在此处N线对地不必装用SPD，这时TN－C－S系统需装设3个SPD。

但进入通信局（站）以后N线对地还需装用SPD ，这时TN－C－S系统需装设4个SPD。

②TT系统内安装SPD的要求图6为上述IEC 60364－5－534标准推荐的TT系统中SPD安装方式示例之一。

如前所述TT系统除电源中性点外，N线自始至终都是与地绝缘的，因此N线上也需装设SPD，即三相四线TT系统内需装设4个SPD（单相两线TT系统内需装设2个SPD）。

3.2 基站配电系统的雷电过电压保护要求低压电力电缆引入机房入口处（在交流稳压器或交流配电屏前），TT系统相线对中性线、中性线对地（TN系统相线及中性线应分别对地）加装过压型SPD，并且在SPD回路中串接保险丝，其目的主要是防止SPD因各类因素损坏或由于暂态过电压使SPD燃烧（国内外移动通信基站发生过多次此类事故，国外的防雷公司的SPD产品在工程上都要求采用串接保险丝，IEC60364-5-534《过电压保护装置》对此有专门论述），影响移动通信基站供电线路的正常工作（由于以往的规范忽视了在SPD并联回路中串接保险丝，从而给移动通信基站的正常供电带来了隐患）保险丝标称电流的量级一般为上一级保险丝的1/1.6倍。