雷电防护在移动通信基站的应用[详细]

雷电防护在移动通信基站的应用

中国联通通辽分公司赵伟民

通辽联通经过十五期工程建设,有很多新建基站建在山区或郊外较空旷地区,金属构架的铁塔由于相对位置较高,是最容易引发雷击的目标,铁塔一旦遭受雷击,基站内设备将位于雷电干扰中心(直击雷干扰半径为500m),内部引线将产生强烈的电磁感应,这种干扰甚至直接作用于基站内各种设备的线路板,而造成其损坏。另外雷电的电磁感应、二次效应以及地线的反击都会对基站内设备造成危害。所以对于高山和野外基站,作好雷电防护至关重要。

一、雷电对通信设备的危害及分类

众所周知,雷电有很大的破坏力,可损坏通信设备或设施,危害到人的生命安全。雷电的破坏作用有三个方面,即电性质的破坏作用、热性质的破坏作用、机械性质的破坏作用。雷电的破坏作用表现形式为雷击。移动通信基站的铁塔是属于易遭受雷击的构筑物之一。为保证国家财产和维护人员的生命安全,移动通信基站的防雷也是十分必要的。

雷电大体可分为直击雷、感应雷、球雷、雷电侵入波等。

1、直击雷:带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。直击雷只有在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害,也就是说直击雷发生的几率较低,而且直击雷发生时一次只能袭击一个小范围的目标。但是由于放电现象发生过程迅猛,被直接击中的目标会由于放电电流过大而造成较严重的损坏。直击雷主要对室外物体产生破坏作用,所以把防直击雷的系统称为外部防雷系统。

2、二次雷(感应雷):雷电在雷云之间或雷云对地的放电时,在附近的户外传输信号线路、地埋电力线、设备间连接线上产生电磁感应并侵入设备,使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害的放电现象。感应雷虽然没有直击雷猛烈,

但其发生的几率比直击雷高得多。感应雷不论雷云对地闪击还是雷云对雷云之间闪击,都可能发生并造成灾害。哪怕是一次雷闪击都可以在较大范围内的多个电子设备间产生感应雷过电压现象,并且这种感应高压可以通过基站供电线和信号中继线等引入,并通过传输使雷害范围扩大。感应雷发生时一般对室内的用电设备和电子元器件起到破坏作用,因此把防止感应雷和雷电电磁脉冲波(LEMP)破坏的系统称为内部防雷系统。

3．球形雷:一种特殊的雷电现象,简称球雷。一般是橙或红色(也有带黄色、绿色、蓝色或紫色的),或似红色火焰的发光球体,直径一般约为10～2020,最大的直径可达一米,存在的时间大约为百分之几秒至几分钟,一般是3至5秒,一旦遇到物体或电气设备时会产生燃烧或爆炸,其主要是沿建筑物的孔洞或开着的门窗进入室内,有的由烟囱或通气管道滚进楼房,多数沿带电体消失。球形雷一般发生的较少,只有在一些特殊的地理环境或者特殊的基站位置上才会有球形雷的发生。可以通过铁塔避雷系统、机房避雷系统、围墙避雷系统等构成多系统多层次的整个站区防护系统,达到保护的目的。

4、雷电侵入波:架空电力线路或金属管道等,遭受直击雷后,雷电波沿着这些击中物传播,即为雷电侵入波。

二、防雷技术和雷电防护

1、外部防雷系统

一般防止直击雷破坏是通过避雷装置即避雷针、引下线和接地网络构成完整的电气通路后,将雷电流泄入大地。然而避雷针、引下线和接地装置的导通只能保护安装避雷针的物体本身免受直击雷的损毁,但雷电会透过多种形式及途径破坏电子设备。对通信基站而言,天馈线系统和机房建筑物容易遭受到直击雷

的袭击,可以通过合理设计避雷针的保护角和良好的接地系统起到保护作用。但需要说明,避雷针必须有足够可靠,并且有接地电阻尽量小的引下线和接地装置与其配套,否则,它不但起不到避雷的作用,反而会增大雷击的损害程度。

避雷器与接地装置之间的金属导体称为引下线。将避雷针通过引下线与大地做良好的电气连接的装置称为接地装置。接地装置的作用是把由避雷针和网络屏蔽引来的雷电流尽快地放泻到大地中去,以保护人员、设备和建筑物的安全。

所谓的接地网,是把需要接地的各系统统一接到一个地网上或者把各系统原来的接地网通过地下或者地上用金属连接起来,使它们之间成为电气相通的统一接地网。在接地处理过程中,一定要有一个良好的接地系统,因为所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄入大地,从而保护设备和人身安全。如果基站接地系统做得不好,不但会引起设备故障,烧坏元器件,严重的还将危害工作人员的生命安全。

另外防干扰、防静电等问题都需要建立良好的接地系统来解决。一般整个基站的接地系统有建筑物地网、铁塔地、电源地、逻辑地(也称信号地)、防雷地等。当各地网之间必须独立时,如果相互之间距离达不到规范要求的话,则容易出现地电位反击事故。当各接地系统之间的距离达不到规范的要求时,应尽可能连接在一起,如实际情况不允许直接连接的,可通过地电位均衡器实现等电位连接。

2、内部防雷系统

有可靠的外部防雷措施同时,更需要完善内部防雷措施。在外部防雷措施中,避雷设施在雷电发生的瞬间,接地引下线会有很大的瞬变电流通过,也就是说在

周围会产生很大的雷电磁脉冲波(LEMP),此时就需要内部防雷措施。

内部防雷工程主要由屏蔽、防雷器和等电位连接三部分组成。

建筑物内部防雷工程涉及面较宽,归纳起来有高电压引入和电磁脉冲波,其中危害最大的是高电压引入。高电压引入是指雷击产生的高电压通过金属线引入到其他地方和室内,造成破坏的雷害现象。高电压引入的途径有二种:其一是直击雷直接击中金属导线,让高压雷电以波的形式沿着导线两边传播而引入室内；第二种是来自感应雷的高电压脉冲,即由于雷雨云对大地放电或雷雨云之间迅速放电形成的静电感应和电磁感应,感生出几千伏到几十千伏甚至数百千伏的地电位反击,这种反击会沿着电力系统的零线、保护接地线和各种形式的接地线,以波的形式传入室内或传播到更大的室内范围,造成大面积的危害。

3、过电压保护

所谓的过电压保护就是限制被保护设备上雷电过电压幅值。根据IEC1312制定的雷电电磁脉冲防护标准,用对电源部分和信号部分安装电源类SPD和通讯网络类SPD(瞬态过电压保护器)进行过电压保护。SPD是保护电子设备在受雷电闪击或者其它干扰造成浪涌过电压危害的有效手段。对于正常工作状态下的低压系统,安装SPD后要求不会对原有系统和原有设备工作特性造成影响；对于出现浪涌等非正常工作状态的低压系统,SPD应及时对浪涌做出反应,通过SPD限制瞬态过电压和分走浪涌电流的特性,将过电压降到IEC60664-1规定的各类别不同设备耐冲击过电压额定值以下。对于经历了非正常状态的低压系统,即经过浪涌后恢复正常状态的SPD,应恢复其高阻抗特性,并采取措施防止或抑制电力线上的续流。当浪涌电压超过设计的最大承受能力和放电电流容量时,SPD可能会失效或被损坏。