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重庆联通有限责任公司移动基站整体防雷解决方案目 录一、 前言二、 基站基本防雷设施情况简介三、 设计指导思想和理论依据四、 基站整体防雷总述五、 电源系统的避雷与过压保护六、 天馈线系统的过压保护七、 中继传输系统的过压保护八、 接地系统的改造一、前言 重庆是雷暴日较高的地区，为了防止移动通信基站遭受雷害，确保基站内设备的安全和正常工作，确保建筑物、站内工作人员的安全，提高网络运行的安全系数，实施移动通信基站的整体防雷与接地工作是十分重要的。二、 基站基本防雷设施情况简介我公司工程技术人员利用长期为重庆联通及其分支机构服务的机会，勘察了相当部分有代表性的基站现场，结合区联通公司提供的资料和现场勘察调研的情况，将基站的防雷基本现状总结如下： 1、外部防雷系统和接地系统 全部基站建有外部防雷系统，包括接闪体和引下线，符合规范要求并处在正常工作状态。接地系统大多数符合邮电行业标准，有个别基站接地电阻值偏高。 2、机房内的接地线路基本符合规范在机房内设立了接地汇集排，分别连接到开关电源的直流参考地、设备及走线架保护地、交流地和馈线屏蔽接地。 3、电源系统高山站和郊区站的电力线多为架空引入，交流屏和整流器经常被雷击。少量开关电源已配套国产或进口电源避雷器。 4、天馈系统和数字中继系统 基站包括TACS、GSM900和GSM1800三种类型，依照行业规范要求应作好馈线屏蔽层三点接地，一般基站只作了首末两端接地。几乎所有的馈线均未安装馈线避雷器。 基站的数字中继系统分为光纤传输、微波传输、PCM同轴电缆传输三种方式，除新建站ERICSSON系统的DF架部分已安装了信号避雷器，其余均无保护装置。 5、基站情况总结 重庆联通下属基站的外部防雷和接地系统已较为规范，应根据实际情况进行综合治理，相应增加对感应雷的防护措施。三、设计指导思想和理论依据 移动基站的整体防雷工程是一项要求高、难度大的综合工程，涉及多方面的因素，需要针对不同的系统分别加以保护，又要考虑多个系统的协调工作，在工程中不能造成对系统的任何影响。因此，在遵守国家和信息产业部有关规范的基础上，引入国际电工委员会的先进防雷技术和标准要求，以达到更好的防护效果。国际电工委员会过电压技术委员会（IEC/TC-81）是权威的国际性标准组织，其防雷技术综合了各国防雷技术的精华，制订的防雷规范对世界各国具有指导意义。本方案参考IEC-61024（建筑物防雷）和IEC-61312（雷电电磁脉冲的防护）的核心内容而制定。标准中，重点提出了防雷分区和等电位连接的概念，根据雷击在不同区域的电磁脉冲强度划分防雷区，并在不同的防雷区界面上进行等电位连接，能直接连接的金属物就直接连接，不能直接连接的如电力线和通信线等，通过不同的避雷器进行等电位连接。实践证明这种分区分级等电位连接的防雷方案是最好的解决问题方法。IEC-1312指出，防雷区是指闪电电磁环境需要限定和控制的区域。各区以在其交界处的电磁环境有无明显改变作为划分不同防雷区的特征。LPZ 0-A 区：本区内的各个物体都可能遭到直接雷击，因此各物体都可能到导走全部电流。本区内的电磁场没有衰减。LPZ 0-B区：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，但本区内电磁场没有衰减。LPZ 1区 ：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流往各导体的电流比0-B区进一步减小，本区内的电磁场也可能衰减，这取决于屏蔽措施。LPZ 2 区 ：根据需要进一步的减小所导引的电流和电磁场，就应引入后续防雷区LPZ 2 。根据防雷分区的概念，结合基站的基本情况，基站的电源系统和信号中继系统都处在LPZ 0-A和LPZ 0-B之间，天馈系统处于LPZ0-B和LPZ 2之间，根据基站防雷区的划分情况，应在分区界面上选择安装符合IEC规范要求的避雷器，以将雷电电磁强度逐级降至最低。LPZ 0-ALPZ 0-B雷击天馈线引入LPZ 1监控LPZ2照明LPZ 3LPZ 0-BLPZ 0-B接地均压环电源线路引入LPZ 1信息线路引入墙体钢筋 避雷器（直击区） 过电压保护器（感应区）图一、雷电电磁分区及等电位连接示意图设计依据以下标准和规范：(1) 中华人民共和国信息产业部标准移动通信基站防雷与接地设计规范YD5068-98；(2) 中华人民共和国信息产业部标准通信工程电源系统防雷技术规定YD5078-98；(3) 原邮电部标准通信局（站）接地设计暂行技术规定YDJ26-89(4) 国家标准建筑物防雷设计规范GB 50057-94；(5) 原邮电部标准微波站防雷与接地设计规范YD 2011-93；(6) 国际电工委员会（IEC）标准Protection of Structures against Lightning IEC 61024；(7) 国际电工委员会（IEC）标准Protection against Lightning electromagnetic impulse(雷电电磁脉冲的防护) IEC 61312；(8) 国际电信联盟ITU-T SG5相关建议书：K.11（过电压和过电流保护的原则），K.27（电信大楼内的连接结构和接地），K.34（电信设备电磁环境条件分类），K.35（远端小型机房的连接结构和接地），K.40（电信中心对雷电电磁脉冲的防护）。四、基站整体防雷总述移动基站是由电源系统、接收发射系统、天馈线系统、中继传输系统等构成的一个综合系统，防雷的目的是保证各系统都能正常工作，不受雷电的干扰和破坏。基站所处环境的不同，雷击的季节和强度都不一样，所以将需保护的基站作为一个整体，堵塞所有的雷击入侵渠道，实行分区和等电位连接的原则，在工程实施中按规范执行，才能起到全面的保护效果。根据防雷分区的概念可以知道，不同防雷区之间的电磁强度不同，除直击区外，内部防雷区因电磁衰减而与外部防雷区的雷击电磁强度不一样。因此，作好屏蔽措施，在一定程度上可以防止雷电电磁脉冲的进入。那么，穿越防雷区界面的线路就成了雷击的主要通道。作好穿越防雷区的线路上的防雷，无疑是整体防雷的重点。外部接闪体承担大部分的雷电电磁的能量，是整个防雷系统中的最重要一环，表面看起来其同内部防雷区没有关联，但是，强大的下地电流产生的电磁场能在进入内部防雷区的线路上感生出强电势，破坏内部设备。当然，闪电在空中直接接闪时，更会在线路上直接感应到电势差，产生瞬间过电压和过电流。除了线路入侵和电磁感应之外，雷电电磁脉冲进入内部防雷区的渠道还可通过接地系统。当雷击在地网附近，雷电流通过接地线下地，地网瞬间的高电位可能通过接地线反击设备，造成破坏。由此可以得出，防雷不仅仅包括避雷针和避雷器，还包括屏蔽与接地等其它有助于减少电磁强度的措施。IEC /TC-81将整体防雷总结为：DBSE技术即分流（Dividing）、均压（Bonding）、接地（Earthing）、屏蔽（Shielding）四项技术的综合。如果从设计阶段开始综合考虑四项措施，严格符合基站防雷接地规范，就能起到理想的防护效果。在工程实施中，四项核心技术必须贯穿始终。而有的基站为非标准机房，为租借的普通建筑，屏蔽措施无法达到要求，再整改加强屏蔽不大现实，只有从合理安装防雷器、改善接地系统等角度入手解决问题。五、电源系统的避雷与过压保护 由于电力线大多架空铺设，受雷击或感应的机会相当大，基站电源系统发生的雷电事故也较多。除此之外，位于郊外的基站供电属于TT系统，电网电压波动大，易造成过压损害用电设备。因此电源系统避雷及过压保护是首要解决的问题。但国家对高压系统的避雷保护有专门规定，归属电力部门负责，因此本方案只针对拉入基站机房内的低压电力线进行保护设计。YD5068-98规范中第3.1.9明文规定要求在低压电力线进入交流屏前，安装可靠的防雷器件，但并未涉及具体需防护雷电的级别和能量的配合。而国际电工委员会防雷技术组织（IEC/TC81）的国际通行规范IEC61312-1给出了防雷保护区概念，并对各级避雷器提出具体技术要求。根据IEC的统计，自然界中首次雷击电流幅值超过200KA的机率不到1%，首次雷击电流波形为10/350s（分别指波头和半值时间）。由于外部防雷的接闪和电磁的衰减，约有50%的雷电能量入地，因此IEC-1312规定了作为处在LPZ 0-A 和LPZ 0-B 防雷区之间的首级避雷器的放电流，应达到100KA （10/350s）。考虑到符合电气安全的设备，其耐过压能力一般是工作电压的2-3倍，因此作为最内部的防雷器的残压要求在600V左右，对精细的电子设备要求更低。由于雷击的强度与设备的耐压水平悬殊，IEC经过实践证明只有分级保护才能达到这一要求。根据设备的不同位置和耐压水平，可将保护级别分为三级或更多。根据多数基站配电的情况未经屏蔽的供电线路穿越各级防雷区，结合设备耐过压能力，采取符合国内和国际规范通行的两级防雷能够达到保护目的。对于部分雷击频繁强烈的地区，可适当增加分级分区的数量。5.1 第一级采用德国DEHN公司的电源避雷器：DEHN VGA280/4，用开关箱固定安装在基站电源总进线开关处，对地并联在三根相线和中线上，直接用25mm2铜缆接地至总接地线，并不通过交流配电屏接地。这样可防范8/80s、100KA的雷电波，达到最大感应雷防护标准。避雷器具有遥控监测触点和损坏报警指示，配合雷击计数器，具备了移动基站防雷技术规范所有功能要求。 DEHN VGA280/4技术参数： 响应时间25ns； 雷电通流量100KA（雷电冲击电流波为8/80s）； 残压峰值2.5KV（放电电流为5KA等级）；5.2 根据IEC 364-4-442，为防止变压器高压侧某一相对变压器壳短路，造成用户侧相线对地产生持续高电势差，建议第二级采用“3+1”系统，即3个C类保护器DEHN guard 275 T/FM分别由三根相线对中线安装，再加上一个DEHN gap C，连接中线和地线。这样可以进行相-相、相-中、相-地、中-地的全面保护电源第二级避雷器安装在交流配电屏处，通过交流配电屏可靠接地（参阅图二），同时具有遥控监测触点和损坏指示窗口，插拔模块结构可以进行不断电的更换操作，标准DIN 导轨安装，也可直接在交流屏内安装。 DEHN guard T/FM 3+1技术参数： 响应时间25ns； 雷电通流量40KA（雷电冲击电流波为8/20s）； 残压峰值1000V（放电电流为15KA等级）；5.3 现场第一级避雷器与第二级过压保护器的安装点达到技术要求的10米距离，作为退耦器件，在基站不具备线路施工条件时，可考虑安装专用退耦器。为配合避雷器工作，可选用DEHNbridge 来协调两级保护器的能量分配。L1 总开关箱 节点距离10m 交流配电屏L2 开 关L3 电 源N DEHN VGA280/4 DEHN guard/3 DEHN gap C/1 雷击计数器PE图二、 电源系统防雷示意图（标准配置）5.4 在部分内部屏蔽措施不得力，或基站设备距离开关电源距离较长的基站，可以选择安装电源第三级直流避雷器DEHNrail 48 FM，抑制前级较高的残压对后端弱电设备的干扰。安装在开关电源直流输出处，通过直流配电屏接地，或者直接安装在基站设备和传输设备的电源输入端。 DEHNrail 48 FML技术参数： 响应时间25ns； 雷电通流量2KA（雷电冲击电流波为8/20s）； 残压峰值350V（放电电流为2KA等级）； 具有监控指示灯和遥控监测触点。5.5 在雷击较为频繁的高山和沿海基站，部分低压配电电缆为架空引入，由于预期的雷击较为强烈，而且基站内只有一处配电，因此需要选用通流量大、少维护的复合性电源避雷器。DEHN B+C组合式避雷箱就是符合这样要求的产品，其内部包括DEHN VGA 280/4、DEHN guard T/FM-7，尤其是DEHN VGA单相的放电电流可以达到100KA、8/80s，是目前世界上通流能力最强的避雷模块，具有防护直击雷的能力。国外很多避雷器生产商都向DEHN公司订购OEM产品。开关电源 总交流屏 直流屏设备DEHNrail FMLDEHN Guard T/FM -7DEHNVGA 280/4DEHN B+C组合式避雷箱 图三、组合式电源避雷器原理图 DEHN B+C 组合式避雷箱技术参数： 响应 时间 25ns； 雷电通流量400KA（雷电冲击电流波为8/20s）； 雷电通流量100KA（雷电冲击电流波为8/80s）； 残压 峰值 1000V（放电电流为100KA等级）； 具有遥控监测触点和损坏报警指示，配备雷击计数器六、天馈线系统的过压保护YD5068-98规范第3.3条规定，基站天线必须在接闪体的保护范围内，同时依照第3.3.2条规定作好馈线屏蔽层的三点接地。同轴馈线电缆与天线相连，从铁塔或支撑架上引入机房，注意接闪体的引下线要与馈线相隔一定距离。馈线作为雷击感应的主要通道，应在馈线进入室内的防雷区LZP 0-1界面处，安装同轴馈线保护器。6.1 由于移动基站的工作环境比较恶劣，大多数是无人值守机房，根据ERICSSON基站设备的实际情况，选择瑞士HUBER+SUHNER公司的3400.17.0098 双频馈线避雷器，安装在走线架上、主馈线与下跳线之间的7/16 DIN接口处，通过屏蔽层可靠接地。此类避雷器具有寿命长、损耗低、免维护、高功率等特点，有别于传统的气体放电式避雷器。3400.17.0098 双频馈线避雷器技术参数： 工作原理: l/4波导分流方式 阻 抗：50； 连接接头：7/16 DIN， F -FM工作频段：8241990MHz;插入损耗：0.1dB驻波系数：1.15 平均功率：500W 雷电通流量100kA（雷电冲击电流波为8/20s） 残压峰值：200V (放电电流为6KA等级)6.2 良好的馈线屏蔽层接地是保证避雷器工作的基础。邮电行业规范对接地作了严格的三点接地的规定，即馈线上部（馈线顶端与天线接口处）、下部（馈线在铁塔下部折弯前）和经走线架进机房处都要可靠接地。对于超过30米长的馈线或铁塔高度 60米时，依据规范要在铁塔中部增加接地点。6.3 出于工程安装的快捷性，符合规范的防渗、防潮、防泄漏的要求，建议使用专用馈线屏蔽层接地设备-瑞士HUBER+SUHNER公司的专用接地卡，规格包括1/2、7/8、1 1/4等。基站馈线上部接地下部接地入室处接地 H+S 3400.17.0098 接地汇集排图四、天馈线防雷接地示意图七、中继传输系统的过压保护基站的中继系统的传输有三种形式，光纤、微波和PCM电缆，其传输的通道处于LPZ 0和LPZ 1防雷区之间，也是引入雷电波的通道，因此中继传输线路的防雷是整体防雷中不可缺少的部分。YD5068-98规范第3.4条规定在信号电缆进站处加装信号避雷器。7.1 光纤由于其传输信号的特殊性，不受雷电干扰，光端机电源得到保护后，做好屏蔽铠甲的接地就可以达到良好的防护效果。7.2 PCM电缆中继线是雷击感应的重点，根据基站地处环境差别大，信号电压低、易干扰等因素，选用尤其能适合于恶劣环境、性能优越的信号避雷器：德国DEHN公司的UGKF/BNC或DEHN SI 12V,安装在中继线入户处、DF架的接口前，并就近接地到接地汇集排。UGKF/BNC和DEHN SI 12V依据防雷分区的概念，在同一保护器内实现粗保护和精细保护，具有频带宽、插入损耗低、放电流大的优点。DEHN UGKF/BNC或DEHN SI 12V技术参数：插入损耗0.1dB 响应时间1ns; 雷电通流量10KA（雷电冲击电流波为8/20s） 残压峰值20V(放电电流为5KA等级) 带宽75MHz，最大传输速率16M Bit/s。7.3微波中继设备采用了比较特殊的接口方式，由于微波的传输频率较高，具有一定的对雷电衰减的能力，在规范中未涉及此项内容，根据实际经验，将微波馈线（信号电缆）全屏蔽并根据接口不同情况安装信号或馈线避雷器即可。八、接地系统改造所有避雷器的保护原理是在雷击瞬间保证设备、大地、建筑物及其附属设备之间构成等电位体，从而避免过电压的损害，其中最关键的就是接地系统。从防雷保护的原理不难理解，等电位的构成需要各系统共同接地，否则可能因为地电位反击而形成二次破坏效应。YD5068-98规范中第4.1条明确指出：基站使用联合接地网。8.1 理想的接地装置（包括从接闪器、接地线到接地体）是没有电阻的，当雷击时，不论雷电流有多大，接地装置上任何一点对大地的电势差为零，这样对人和设备是绝对的安全。事实上这样的接地装置是不存在的，而在实际工程中，就要求接地阻值应尽可能地小，规范YD5068-98要求，基站地接地电阻值一般应小于5欧姆。8.2 为了保证移动通信基站稳定可靠的工作，防止寄生电容耦合干扰，保护设备及人身的安全，解决环境电磁干扰及静电危害，都必须有良好地接地系统。在共用地网时，各种功能地接地既相互联系，又相互排斥，瞬时干扰及接触部分产生电磁波会给信号线带来辐射噪声，引起误码和存储器信息丢失，所以要注意信号电路、电源电路、高电平电路、低电平电路地应采用并联式直接接地，而避免接在同一点上。如图五所示： VA VB VC VB RA RB RC RD I1 I2 I3 I4 （接地铜排440mm）图五、联合接地方式示意图（室内） 各点电位为：VA=RAI1 VB=RBI2 VC=RCI3 VD=RDI4由以上公式可知，各设备地接点电位只与本设备地工作电流和接点电阻有关，各点间的的电位差小，并且消除了公共接地线的阻抗，各设备间的参考点也不易改变。8.3 按照IEC整体防雷技术的接地要求，保证设备在雷击瞬间应处在等电位状态。由于部分基站的信号地、保护地相对独立，从“节约、实效”的原则考虑，将各地网简单相连。在地网施工中，接地体应依照YD5068-98规范第4.2条要求采用热镀锌钢材，连接使用铜缆。在地网改造的施工中，不仅要将地阻值降低，而且要注意合理地设计地网结构，以保证大电流下地时均匀快速地向大地分散。8.4 图六说明了接地和等电位连接的工作原理。在雷击瞬间由于避雷器件的快速导通和大电流的泄放，使设备内部线路器件、机壳、铁塔和建筑墙体金属构件以及金属屏蔽物等都与地网同时连通。这样在雷电发生的瞬间，机房内部和外部各个物体处在与地网相等的电位上，避免了因物件之间的电势差而使设备损坏。开关电源接地汇集排馈线避雷器中继避雷器电源避雷器接地均压环（楼体钢筋）馈线接地汇集排电源线路DF铁塔、外部防雷BSC直流保护器 接地线 电流方向 雷电感应图六、雷击瞬间等电位连接示意图8.5 避雷器在极短的时间内(ns级)响应，电流快速泄放，地网能否快速发散电流，是整个系统建立等电位的关键。因此要根据地理环境和土壤电阻率的不同而设计地网的结构，使电流合理快速的发散。铁塔防雷保护，连接到大楼主钢筋 440热镀锌扁钢管道避雷带馈线第三点防雷接地机房联合地线排接地汇集排机房联合地线引上线440扁钢或95mm2多股铜线联合地网440热镀锌扁钢与建筑主钢筋焊接550热镀锌角钢图七、基站综合接地示意图室外接地汇集排 8.6 接地电阻偏高的基站必须进行整改。由于基站属联合接地，外部防雷系统接闪电流大，防止互扰的角度考虑，接地体的铺设应以封闭环行为佳。对环行接地体所包围的面积的等效半径（A/）1/2小于5m的情况下，每一引下线应增加水平或垂直接地体。其总长度L按如下公式确定：L=（11-3600）/380 -（A/）1/2（A：地网等效圆的面积 ：土壤电阻率） 8.7 降低接地电阻可适当增加地网面积、改善接地体埋设结构。在土壤电阻率较高的环境，一般的地极埋设难以达到理想的结果时，可采取多种措施来降低接地电阻值。如采取换土、深埋地极、添加长效降阻剂、深井压力灌浆法。8.8 机房内接地汇集排与接地装置的连接引下线一般不应少于两处，并沿机房四周均匀对称布置，其间距不应小于10m。当利用建筑物的钢柱或墙体钢筋作为引下线时，可按跨度设引下线，但引下线的平均跨度不应小于10m。在机房内部应设立接地均压环，可以利用利用电气设备与接地干线环路。