无线通信基站防雷接地系统的设计研究

2021-12-20梁亚飞

通信电源技术 2021年12期

关键词：直流电源馈线铁塔

韩冰，梁亚飞

（中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司，河南郑州 450052）

0 引言

雷电非常容易对通信基站中的设备造成破坏，致使无线通信的信号中断。虽然近年来技术人员越来越重视防雷措施，但仍然无法避免雷害的威胁，因此需要优化防雷接地系统的设计，针对性地进行防雷。

1 无线通信基站雷害

无线通信基站较为复杂，传统防雷器设备的防雷效果不尽如意。实际调查后发现，由于基站中重要设备设置的位置地势较低，能够被建筑的防雷设施以及线路的防雷系统密切保护，且基站吸收的雷电流能够顺着防雷系统泄放，因此通信基站中的设备几乎不会被直击类型的雷电破坏，也不受雷电感应的威胁[1]。除此之外，基站的外部金属都有一定的接地保护作用，雷电感应也不会对其造成破坏。而失去地势优势的基站则会被直击雷电影响，雷电感应也会对其产生威胁，更会由于电压反击以及雷电波的入侵导致在多次雷击事故中出现单向交流电设备和直流设备被破坏的现象。无线通信基站中一旦发生雷害，破坏了通信设备，将会对无线通信的稳定与安全造成较大的影响。由于雷电的自然性使其不可被控制，因此只能积极预防，在容易吸引雷电的区域要加强防雷的措施，完善防雷接地系统的设计，通过完备的防雷系统保护基站中无线通信的运行线路与工作人员。此外，在此过程中还可以引进先进的防雷手段，提升防雷的效果[2]。

2 无线通信基站防雷接地系统设计

2.1 电源防雷

无线通信基站电源防雷系统在设计过程中需要考虑的主要因素是电源。一般来说，基站中经常使用的电源大致有单相交流电源、三相交流电源以及直流电源3种[3]。交流电源的防雷设计（图1）主要是针对直击类型的雷电与感应类型的雷电。在交流电源防雷的功能器中一般利用的是两级防雷装置，其中电感发挥其主要作用，较好地抑制电流的突变，确保压敏电阻能够将其作用最大化发挥出来。此类功能器在实际操作时如果运行正常，则空气开关闭合，同时交流指示灯会亮起，而当其受到直击雷的冲击或被感应雷入侵时，功能器中正常工作的压敏电阻将会出现低阻现象，此时空气开关的状态断开，交流指示灯也处于熄灭的状态[4]。

图1 交流电源的防雷线路

由于雷电在放电过程中具有较大的电流和电流变化率，电磁场会发生强烈的波动，进而对基站中的设备造成影响。一般情况下，直流的电源地与防雷地应当处于不同的接地排，而部分基站中的接地排只有一个，导致电源地与防雷系统都被接到此处[5]。电磁场理论中说明电流的变化率相对稳定时，直流电源地以及直流电源供应的设备中设置的防雷引线和接地排共同构成的面积范围越小，则其感应电动势也越小，要求的电源设备的绝缘性越低[6]。在泄放雷电流时，如果接地线中的电流增大，那么其电压会加在直流电源的设备上，直流电源和防雷地的接线方式将会成为等电位连接，能够帮助其进行更好的防雷。此时需要加强以直流电源方式供电的通信设备。

2.2 机房防雷

由于无线通信基站使用的机房并非都是单独建设的，部分基站通过租用民房来节省建设成本，因此在进行机房防雷设计的过程中需要充分考虑机房的来源。单独建设的机房要在其屋顶上设置完备的避雷网，以3 m为间距和屋顶上的避雷针进行焊接联通，还要在机房屋顶周围设置避雷电流的引下线[7]。其所运用的金属设备要以就近原则为施工基准，将其与避雷带进行焊接联通。而租用民房的机房防雷则考虑另外的防雷途径，先找到建筑本身设置好的接地引下线，如果没有发现，则寻找用于防雷的主钢筋。因为防雷接地是每一个建筑电气工程中都必须要进行的基础性工作，其能够保证整个安装施工的安全，而在建筑工程中，最常用的防雷措施是利用主钢筋来进行防雷，该钢筋通过接地处理来增强其防雷的效果。并且在实施接地操作时，施工人员通常会做好标记，避免接地混乱，因此在寻找建筑本身的防雷设施时比较容易。在确认好建筑的防雷设施后，在机房的四周利用扁钢网构建封闭接地环[8]。通常来说，建筑主钢筋的上端要和楼顶的避雷网形成电气连接，其下端需要和接地网形成连接，中端需要和楼层间的接地母线构成可靠的连接。为了加强防雷的效果，金属类的框架与各类设备的外壳都应当和主钢筋搭建电气连接，使整个建筑成为等电位体。

2.3 中继线防雷

如今的无线通信技术最常使用的信号传输方式是光纤传输，而在实际操作的时候，数字中继信号工作的频率较高，因此应更加关注数字中继线路的防雷设计。在中继线路的防雷设计中需要将PN结电容较小的器件作为优先考虑对象，此类器件需要拥有较高的反应速度和合适的击穿低压[9]。从中继线路的保护电路图（图2）中不难发现，在变压器之后设置了多达4个的二极管设备，此类设备最主要的作用为将漏过吸收的累积信号补充吸收，从而大大降低基站被雷电损害的概率，使无线通信的基站能够稳定地输出信号。

图2 数字中继保护电路

2.4 天馈线防雷

在无线通信基站中，天馈线的防雷设计通常从铁塔、天线的安装以及馈线3方面进行。首先，铁塔从位置上进行分类可以分为楼顶塔和落地塔，面对楼顶塔时，可以将其就近焊接上屋顶的引下线或主钢筋上。焊接的过程应着重对焊点进行防护，与此同时，还要控制连接点的总数与其分散性[10]。面对落地塔时，应当选择建立地网的方式，并在其周围埋设镀锌的扁钢带，打入圆钢地桩。需要注意的是，地桩的间隔控制尤为关键。其次，天线的安装对防雷效果的影响较大，因此其安装的位置应被精准地测算。天线应当安装于避雷针的保护区域之内，保护角在30°与45°之间，当其多数保护时可以直接取30°。最后，馈线的防雷设计同样备受重视，从理论上来说，馈线的屏蔽层需要设置在铁塔的顶部、远离塔身的拐角以及进入机房前等区域，在此类区域完成接地工作。但在实际施工时，由于铁塔的高度受限，铁塔顶部的接地应用较少，施工人员会采取分布式的建设方式，分别设置BBU和RRU，大大减少铁塔上接引的缆线，进而在其他区域进行接地[11]。但上塔的线缆数量减少又带来了新的接地问题，在电缆被拉远后对防雷的效果有一定的影响，供电的方式也出现了防雷问题，同时还需要解决处于室外的一体化PUS和UPS供电中的防雷问题。在设计PUS供电的防雷接地系统时，由于RRU设备需进行供电，因此以串联防雷箱为主要防雷措施，同时使供电的设备以就近原则实施供电接地。