雷电入侵通道隔离防护技术在通信基站中应用的研究

2013-01-01

电信工程技术与标准化 2013年7期

关键词：浪涌电阻值雷电

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 引言

目前通信基站的防雷通常采取防护直击雷、供电线路防护、联合接地、降低接地电阻值、等电位连接和分区多级雷电过电压保护等多种综合措施。但在实际工程中，由于条件所限，不少基站的接地工程建设存在各种各样的问题和困难，导致无法达到预想的防雷效果。

为减少通信基站设备遭受雷击的侵害，保证通信网络安全可靠运行，降低工程建设造价，保护环境，我们希望能够找到更简单、高效、经济的技术和解决方案。

2 通信基站传统雷电防护做法及存在的不足

雷击主要有直击雷、感应过电压、雷电波侵入、地电位反击等几种形式。不同形式的雷击所造成的危害程度和途径也各不相同。所以，为防止雷击的危害，目前通信基站的防雷与接地通常采取防护直击雷、供电线路防护、联合接地、降低接地电阻值、等电位连接和分区多级过电压保护等多种综合措施。

对于通信基站地网接地电阻，现行的《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》（GB50689-2011）中的6.2.6条和7.2.2条做了如下规定和要求：

基站地网的接地电阻值不宜大于10 Ω。土壤电阻率大于1 000 Ω·m的地区，可不对基站的工频接地电阻予以限制，应以地网面积的大小为依据。地网等效半径应大于10 m，地网四角还应敷设10～20 m的热镀锌扁钢作辐射型接地体，且应增加各个端口的保护和提高SPD通流容量，加强等电位连接等措施予以补偿。

室外站、边界站宜围绕半径3 m范围设置封闭环形接地体，并与杆塔地基钢板四角可靠焊接连通，如接地电阻大于10 Ω，应在环形接地体的四角敷设10～20 m的辐射形水平接地体。

尽管目前的综合防雷措施可以较好地降低雷电对通信基站的影响，但在实际通信基站接地工程建设中，因地质、场地、费用等条件所限，不少基站存在难设计、难施工、难测量等情况，使得通信基站的防雷接地系统存在以下一些问题：

（1）基站接地网由于条件所限，达不到规范所规定的接地电阻值或接地网面积的要求，所以也就难以保证防雷接地的效果。

（2）为了达到规范中所规定的接地电阻值或接地网面积，需要花费大量的费用。如大量使用钢材和降阻剂，增加征地、补偿和施工费用等，因此造成地网的施工、维护成本过高，建设时间过长。

（3）根据现行规范，通信基站电源电涌保护器的最大通流容量指标通常是依据其所处地区的雷暴日的多少来选取，而一个地区的雷暴日只能说明该地区发生雷电的概率，并不能表示雷电的强弱，因此有些少雷区、中雷区也时常发生由于配置的电涌保护器容量较小，在遭受雷时，没能起到保护基站设备的作用。

（4）由于雷电的不确定性和现有防雷措施的局限性，目前所采取的综合防雷措施只能是有效地降低雷电对通信基站的影响，并不能完全消除雷击的侵害。对于雷电多发区，通信基站遭受雷击的情况仍然经常发生，不少基站中应该被保护的设备有时出乎意料地遭受到雷击后损坏，特别是山区的基站，遭受雷击致使设备损坏的比例还较大。

（5）接地电阻值由于条件、测量方法的限制，很难准确测量，而且接地电阻值会随着气候和季节的变化而变化。

（6）如果为降低地网的接地电阻值采用化学降阻剂，不仅要大幅增加接地网的费用，日后还要定期维护和更换，同时对环境也会造成污染。

3 通信基站雷电入侵通道隔离防护技术原理及特点

3.1 通信基站雷电入侵通道隔离防护技术原理

当雷击发生时，通信基站交流电源线、天馈线、光缆加强芯及避雷针处同时会发生浪涌电流侵入，当雷电压侵入各端口时，由于这些端口均表现为电感性或者高阻抗性，当端口对地（该地可能是防雷器件的接地、机壳接地，也可能是直流电源工作地）的阻抗低于其击穿阻抗时，浪涌电流便通过该通道。端口的SPD正是用这种方法来旁路浪涌电流，保护后端设备的。但是，由于在通信系统中存在着机壳保护接地、直流电源系统工作接地，雷电浪涌电流将有可能通过各端口击穿端口至机壳、至电源工作接地通道而导致设备损坏。这种现象已经成为网络和设备停机、复位、损坏的常见原因。

同样的道理，当雷击避雷针向大地放电使接地网地电位升高时，雷电浪涌电流也有可能通过地向电源线、信号线端口放电使该通道损坏。至于特定的雷击故障会损坏哪个端口、哪个通道，则由当时的网络或设备哪个对地通道的阻抗来决定。

当两个设备空间距离较长或者雷击浪涌电流较大时，联合接地地电位升高，在电桥原理的作用下，两个设备间会产生很高的电压差，这是端口损坏的另一重要原因，也是通常雷电防护的薄弱环节。

雷电流的入侵通道见图1所示。

图1 雷电流的引入途径图

通信基站雷电入侵通道隔离防护技术分为隔离式分组接地技术和通道隔离防护技术。

3.1.1 隔离式分组接地技术

隔离式分组接地技术就是在联合接地的基础上，将通信基站中的工作接地、保护接地、防雷接地按功能分组后，在工作地、保护地与联合接地网之间安装具有衰减和隔离作用的“接地系统高频抑制器”，从而达到减小由于雷电使地电位升高对工作地、保护地电位的影响，因而也就降低了工作地电位、保护地电位对接地电阻值的响应灵敏度和对接地电阻值的要求。

“接地系统高频抑制器”是衰减地电位反击电流、隔离工作地和保护地的装置。正常工作时，呈低阻抗；当有浪涌电流地电位升高时，呈高阻抗，从而将工作地、保护地与防雷接地隔离。

3.1.2 通道隔离防护技术

通道隔离防护技术就是通过对通信基站中各种设备以及它们之间的关系进行全面分析，在安装并联型SPD端口防护的基础上，增加“串联型雷电高阻抗单元”，从而解决设备间的雷电传导问题。

“并联型电涌保护器”（SPD）是抑制传导来的线路过电压和过电流的装置。正常时呈高阻抗，并联在设备电路中，对设备工作无影响。当受到雷击时，能承受强大雷电流浪涌能量而放电，呈低阻抗状态，能迅速将外来冲击过量能量全部或部分泄放掉，响应时间极快，瞬间又恢复到平时高阻状态。

“串联型雷电高阻抗单元”是抑制和隔离雷电流在设备之间传导的装置。对于正常工作电流，呈低阻抗，不影响设备正常运行；对于浪涌电流，呈高阻抗，从而通过分压承受绝大部分浪涌电压以保护后续端口。

据统计，通信基站80%以上的雷击故障都来源于电源系统，而其它雷电入侵通道（如天馈线）已经由设备生产商做了相应的防护手段，因此做好电源系统和接地系统的防护，就能基本解决通信基站的防护问题，所以通常只需要在外部电源引入处加装阻断型电源保护箱，就能起到很好的雷电防护效果。

对于雷害严重地区的特别重要的基站，还可在直流电源供电线路间安装“直流电源净化保护器”，在需要保护的信号线中串联“隔离型信号保护器”，从而起到更好的防雷效果。

基站雷电入侵通道隔离防护技术防护模型见图2所示。

3.2 雷电入侵通道隔离防护技术的特点

雷电入侵通道隔离防护技术在通信基站中应用具有如下特点：

（1）防雷效果好。根据相关资料，到目前为止，雷电入侵通道隔离防护技术已在中国移动、中国联通和中国电信的多个省市和地区的通信基站和光接入点中试点运行，取得了较好的防雷效果，并通过了工业和信息化部通信科学技术委员会组织的专家评审。

（2）简化了接地工程。该技术对地网接地电阻值或接地网面积不做硬性规定，因此简化了接地工程建设和维护管理的要求，并可缩短工程建设周期。

（3）具有较好的经济性。该技术可省去或简化建设地网所需的征地、施工等工序，减少地网钢材、降阻剂等材料的使用。经实际工程造价对比，对于高土壤电阻率地区基站，采用通道隔离防护技术比传统雷电防护做法经济性最为显著；对于雷电多发区的基站，考虑到接地网的监测维护费用及雷击造成的经济损失等运行维护成本，通道隔离防护技术比传统雷电防护做法综合成本会更经济。