移動(dòng)通信基站防雷解決方案
1、概述
隨著社會(huì)的進(jìn)步,移動(dòng)通信技術(shù)飛速普及與發(fā)展,在地球的每個(gè)角落,移動(dòng)通信基站像雨后春筍般挺拔而起,介入到人們的日常生活中,快速而穩(wěn)定的通訊愈來愈成為通訊設(shè)備的重要指標(biāo)。移動(dòng)通信基站設(shè)備屬于尖端微電子產(chǎn)品,它的電磁兼容能力較低,抗雷電、抗電磁干擾能力比較弱。隨著氣候的變化,雷暴惡劣天氣愈來愈多,愈來愈反常,以致造成各地移動(dòng)通信基站設(shè)備頻繁遭雷擊損壞,通訊中斷,給人們的生活及各行業(yè)造成了不可估量的損失。做好移動(dòng)通信基站的防雷,保障通訊設(shè)備正常穩(wěn)定的運(yùn)行,愈來愈加重要。移動(dòng)通信基站主要由基礎(chǔ)設(shè)施,供電設(shè)施和通信設(shè)備組成。
基礎(chǔ)設(shè)施包括:房屋,鐵塔。
供電設(shè)施包括:電力變壓器,配電屏,直流屏,UPS供電系統(tǒng),分配電箱。
通訊設(shè)備包括:天線,饋線,通訊設(shè)備等。
2、設(shè)計(jì)思想
2.1通信基站的特點(diǎn)
?、俚乩砦恢茫涸诔菂^(qū)通常設(shè)在高大建筑物的較高樓層上,在郊區(qū)和鄉(xiāng)村經(jīng)常設(shè)在開闊地帶或山區(qū)。
?、跈C(jī)房條件:無論是在城區(qū)還是在鄉(xiāng)村,大量建在非專用通信建筑內(nèi),這些建筑往往不具備符合要求的防雷實(shí)施(包括外部防雷裝置、內(nèi)部防雷裝置和地網(wǎng)等)。此外,機(jī)房面積一般都很小,不便于多級(jí)防雷方案的實(shí)施。
③交流電源:特別是在鄉(xiāng)村和山區(qū),機(jī)房的交流供電通常是由戶外架空引入。
?、芡ㄐ判盘?hào):基站設(shè)備的通信線路通常也是由戶外架空引入。
2.2雷電對(duì)移動(dòng)通信基站的幾個(gè)引入渠道
①由鐵塔天饋線、接地系統(tǒng)引入的雷害;
?、谟晒╇娤到y(tǒng)引入的雷害;
?、塾尚盘?hào)傳輸線路引入的雷害。
2.3基站綜合防雷設(shè)計(jì)思想
移動(dòng)通信基站是由電源系統(tǒng),接收/發(fā)射系統(tǒng),天線饋線系統(tǒng)以及中繼傳輸系統(tǒng)等構(gòu)成的一個(gè)綜合系統(tǒng),防雷的目的是保證各系統(tǒng)都能正常工作,不受雷電的干擾和破壞。
防雷最終是通過等電位連接實(shí)現(xiàn)的,等電位連接的位置選擇在不同防雷區(qū)的界面上,而雷擊的能量通過接地系統(tǒng)引入大地。不同防雷區(qū)之間的電磁強(qiáng)度不同,除直擊區(qū)外內(nèi)部防雷區(qū)因電磁衰減而與外部防雷區(qū)的雷擊電磁強(qiáng)度不一樣。因此,采取適當(dāng)?shù)钠帘未胧?,在一定程度上可以防止雷電電磁脈沖的進(jìn)入。那么,穿越防雷區(qū)界面的線路變成了雷電侵入的主要通道。做好穿越防雷區(qū)界面線路的防雷工作,無疑是整體防雷的重點(diǎn)。
除了線路入侵和電磁感應(yīng)之外,雷電電磁脈沖進(jìn)入內(nèi)部防雷區(qū)的渠道還有接地系統(tǒng)。當(dāng)雷擊發(fā)生在地網(wǎng)附近時(shí),雷電流通過接地線入地,地網(wǎng)瞬間的高電位可能通過接地線反擊設(shè)備而造成破壞。由此可以得出,綜合防雷不僅僅包括接閃器,還包括屏蔽與接地等其他有助于將雷電流安全合理地下泄到大地的措施。
綜合防雷是分流、均壓、接地和屏蔽四項(xiàng)技術(shù)的綜合。而有的基站為非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房,只是租借的普通建筑物,屏蔽和接地措施無法達(dá)到要求,再整改加強(qiáng)屏蔽不大現(xiàn)實(shí)。這時(shí),只有從合理安裝接閃器,改善接地系統(tǒng)等角度入手來解決雷擊電磁脈沖問題。
依照全面防護(hù),綜合治理的原則,探索出基站整體防雷的六點(diǎn)解決方案。
?、倏刂评讚酎c(diǎn);
?、诎踩龑?dǎo)雷電流入地網(wǎng);
?、奂釉O(shè)完善的低阻抗地網(wǎng);
?、苓M(jìn)行等電位連接,避免地電位反擊;
?、莘雷o(hù)電源浪涌沖擊;
⑥防護(hù)數(shù)據(jù)線、通信線及信號(hào)線的浪涌沖擊;
3、設(shè)計(jì)方案
3.1直擊雷防護(hù)
對(duì)于直擊雷的防護(hù),可采取分流的措施,利用接閃桿、接閃帶、接閃網(wǎng)將雷電流沿引下線導(dǎo)入大地,防止直擊雷擊中鐵塔或系統(tǒng)設(shè)備上。
3.1.1機(jī)房直擊雷防護(hù)
機(jī)房屋面采用接閃帶、接閃網(wǎng)或接閃桿作為接閃器。接閃網(wǎng)(帶)應(yīng)沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷擊的部位敷設(shè),并應(yīng)在整個(gè)屋面組成不應(yīng)大于10m×10m或12m×8m的網(wǎng)格。接閃網(wǎng)(帶)、引下連接線采用Φ12鍍鋅圓鋼、—40×4mm鍍鋅扁鋼形成。引下線不應(yīng)少于兩根,應(yīng)沿建筑物四周均勻或?qū)ΨQ布置,其間距不應(yīng)大于18m。
對(duì)于新建的機(jī)房,接閃網(wǎng)(帶)引下接地線宜利用結(jié)構(gòu)柱內(nèi)對(duì)角鋼筋。若柱內(nèi)鋼筋直徑不小于Φ16,用二根柱內(nèi)對(duì)角鋼筋作為引下線;若柱內(nèi)鋼筋直徑小于Φ16,用四根柱內(nèi)對(duì)角鋼筋焊連作為引下線。
3.1.2基站鐵塔直擊雷防護(hù)
基站的鐵塔處于最高處,是雷擊的首選目標(biāo),對(duì)于鐵塔的防雷,可在塔頂安接閃桿,防止直擊雷擊中其他設(shè)備,導(dǎo)致設(shè)備的損壞。
接閃桿應(yīng)設(shè)有專門的引下線直接接入地網(wǎng),當(dāng)雷電擊中時(shí),可以很快的將雷電引入大地。引下線可以用—40×4mm的鍍鋅扁鋼,因?yàn)殍F塔在樓頂上,遭受雷擊后雷電會(huì)直接引入機(jī)房內(nèi)部,所以鐵塔地應(yīng)接入樓頂?shù)匿摻罹W(wǎng)或用三根以上的鍍鋅扁鋼焊接在機(jī)房周圍的接閃帶上。
3.2感應(yīng)雷的防護(hù)
感應(yīng)雷是指由于閃電過程中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)與各種電子設(shè)備的信號(hào)線、電源線以及天饋線直間的耦合而產(chǎn)生的電磁脈沖電流,也指帶電雷云對(duì)地面物體產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電流,為達(dá)到了防感應(yīng)雷的目的,可以把電子設(shè)備上電源線、信號(hào)線和天饋線上感應(yīng)雷電流通過相應(yīng)的感應(yīng)雷接閃器引導(dǎo)入地,達(dá)到泄放雷電流的目的。
3.2.1天饋線系統(tǒng)的感應(yīng)雷防護(hù)
天饋線系統(tǒng)是微波中繼通信的重要組成部分之一,天線起著將饋線中傳輸?shù)碾姶挪ㄞD(zhuǎn)換為自由空間傳播的電磁波,或?qū)⒆杂煽臻g傳播的電磁波轉(zhuǎn)換為饋線中傳輸?shù)碾姶挪ǖ淖饔?。而饋線則是電磁波的傳輸通道。在通信基站中,天饋線的信號(hào)傳送直接影響著基站的正常工作。所以做好天饋線的防雷很是重要?;局撂炀€同軸電纜可從鐵塔中心引下,這樣可以減少由于接閃桿接閃后的雷電流沿鐵塔泄放時(shí)對(duì)同軸電纜的感應(yīng)電流,因?yàn)榛捐F塔四支鐵柱同時(shí)泄放雷電流入地時(shí),感應(yīng)雷產(chǎn)生的鐵塔中心的感應(yīng)場(chǎng)最弱。對(duì)天饋線的防雷措施主要有:
?、賹?duì)天饋線的防雷從工程上講就是三點(diǎn)接地,鐵塔上架設(shè)的波導(dǎo)饋線、同軸電纜金屬外護(hù)層應(yīng)分別在上、下端、及進(jìn)入機(jī)房入口處就近接地,當(dāng)饋線及同軸電纜長度大于60m時(shí),其屏蔽層宜在塔的中間部位增加一個(gè)接地連接點(diǎn),室外走線架始末兩端均應(yīng)作接地連接。
②城市內(nèi)孤立的高大建筑物或建在郊區(qū)及山區(qū),地處中雷區(qū)以上的無線通信局(站),當(dāng)饋線采用同軸電纜時(shí),應(yīng)在同軸電纜引進(jìn)機(jī)房入口處安裝標(biāo)稱放電電流不小于5KA的同軸SPD,同軸SPD接地端子的接地引線應(yīng)從天饋線入口處外側(cè)的接地線、接閃帶或地網(wǎng)引接。
天饋線的防雷器根據(jù)接口形式可采用F、N、BNC、DIN/4等天饋線路防雷器,標(biāo)稱放電電流ln=10KA,電壓保護(hù)水平Up≤600V,插入損耗≤3dB,駐波比≤1.2。
3.2.2供電系統(tǒng)的感應(yīng)雷防護(hù)
基站的供電系統(tǒng)是基站的一個(gè)重要組成部分?;镜墓╇娍梢杂赏饧芸站€進(jìn)入,也可以由穿屬管埋地進(jìn)入基站。由于電源線架很長,線路的走勢(shì)也相當(dāng)復(fù)雜,很容易感應(yīng)到較強(qiáng)的雷電流。所以無論是哪種接入,電源線都應(yīng)該在LPZ0B區(qū)入戶進(jìn)入LPZ1區(qū)處加裝一級(jí)防雷器,以及在開關(guān)電源的整流設(shè)備前安裝第二級(jí)防雷器,在UPS電源輸入端及直流輸出端安裝第三級(jí)防雷器,并設(shè)置電源精密保護(hù)。
?、僭陔娫淳€路由LPZ0B區(qū)入戶進(jìn)入LPZ1區(qū)的電源總配電柜處可選B+C/4電源三相電涌保護(hù)器,試驗(yàn)類別為Ⅰ類試驗(yàn)(limp=25kA,ln=25KA,Up=1.8KV,Uc=385V)。前端串接63A電源斷路器,電涌保護(hù)器PE線長度不應(yīng)大于0.5m,采用16mm2BVR銅芯線就近接地。
②在電源分配電柜處可選用40-385/4電源三相電涌保護(hù)器,試驗(yàn)類別為Ⅱ類試驗(yàn)(ln=20KA,Up=1.8KV,Uc=385V)。前端串接32A電源斷路器,電涌保護(hù)器PE線長度不應(yīng)大于0.5m,采用10mm2BVR銅芯線就近接地。
③在UPS電源進(jìn)線端處可選用20-275/4電源三相電涌保護(hù)器,試驗(yàn)類別為Ⅱ類試驗(yàn)(ln=10KA,Up=1.2KV,Uc=275V)。前端串接32A電源斷路器,電涌保護(hù)器PE線長度不應(yīng)大于0.5m,采用6mm2BVR銅芯線就近接地。
④在直流屏處可選用40-75VDC直流電源電涌保護(hù)器,試驗(yàn)類別為Ⅱ類試驗(yàn)(ln=20KA,Up=0.5KV,Uc=75VDC)。電涌保護(hù)器PE線長度不應(yīng)大于0.5m,采用6mm2BVR銅芯線就近接地。
?、菰跈C(jī)房設(shè)備電源處可采用PDU電源分配單元電涌保護(hù)器,試驗(yàn)類別為Ⅱ類試驗(yàn)(ln=5KA,Up=1.2KV,Uc=275V)。電涌保護(hù)器PE線長度不應(yīng)大于0.5m,采用6mm2BVR銅芯線就近接地。
3.2.3信號(hào)系統(tǒng)的感應(yīng)雷防護(hù)
信號(hào)系統(tǒng)定著基站信號(hào)傳輸?shù)闹饕δ?,做好信?hào)系統(tǒng)的防雷也是相當(dāng)重要的。信號(hào)系統(tǒng)雷電防護(hù)措施主要有:
?、俪鋈胪ㄐ啪郑ㄕ荆┕饫|或電纜,應(yīng)在進(jìn)線室將金屬鎧裝外護(hù)層做接地處理,另外光纜應(yīng)將纜內(nèi)的金屬構(gòu)件,在終端處接地;
?、谶M(jìn)入通信局(站)的信號(hào)線應(yīng)在終端處加裝SPD,空線對(duì)必須就近接地。
通信系統(tǒng)由于受到工作電平、接口速率、和傳輸性能(插入損耗)、線路阻抗等指標(biāo)的約束,不能象供電系統(tǒng)一樣分幾級(jí)防雷,因此信號(hào)線防雷應(yīng)在通信線路與設(shè)備的接口即LPZ1-LPZ2區(qū)處使用一級(jí)與之通信接口、工作電平、速率相匹配、線路阻抗匹配的精細(xì)級(jí)防雷器,同時(shí)通信線應(yīng)就近接地。
信號(hào)線路防雷可選用RJ45/16型網(wǎng)絡(luò)信號(hào)電涌保護(hù)器,試驗(yàn)類別為Ⅱ類試驗(yàn)(ln=3KA,Up≤25V,Uc=6V)。電涌保護(hù)器PE線長度不應(yīng)大于0.5m,采用6mm2BVR銅芯線就近接地。
3.2.4監(jiān)控系統(tǒng)的感應(yīng)雷防護(hù)
近年來,中國移動(dòng)基站普遍采用了智能監(jiān)控系統(tǒng),據(jù)統(tǒng)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備目前已經(jīng)成為移動(dòng)基站中設(shè)備被雷電損壞頻度最多的設(shè)備,也是被損壞最嚴(yán)重的系統(tǒng)。監(jiān)控設(shè)備電源及信號(hào)沒有防雷措施,且耐壓水平低;監(jiān)控系統(tǒng)存在大量的數(shù)據(jù)采集線路,這些線路的布放不規(guī)范,往往是捆在一起,且很多數(shù)據(jù)采集線不是屏蔽線纜;可以說監(jiān)控系統(tǒng)紛繁復(fù)雜的布線為雷電流入侵提供了更多的渠道,與本身羸弱的防護(hù)能力形成巨大的反差,因此,對(duì)移動(dòng)基站監(jiān)控系統(tǒng)的主要雷電防護(hù)措施有:
①對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集線的布放進(jìn)行合理規(guī)劃,所有數(shù)據(jù)采集線路應(yīng)使用屏蔽線,且其屏蔽層應(yīng)接地,盡可能的降低雷電電磁脈沖在數(shù)據(jù)采集線路上感應(yīng)出的雷電流;
②在監(jiān)控主設(shè)備下設(shè)一個(gè)小的監(jiān)控設(shè)備接地參考點(diǎn)作為所有監(jiān)控設(shè)備的接地,并用超過16mm2的接地線與基站總等電位排進(jìn)行連接。目的用來降低各監(jiān)控設(shè)備間因接地產(chǎn)生的電位差,在監(jiān)控設(shè)備端安裝相應(yīng)的電源防雷器,釋放從地線或電源線引入的雷電流;
?、墼谝恍p壞頻度較高的設(shè)備與監(jiān)控設(shè)備間的通信端口安裝相適用的信號(hào)線防雷器,對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集線路以及控制線都是信號(hào)線,因此在選擇防雷器時(shí)要考慮信號(hào)線防雷器的接口類型、工作電壓、傳輸速率、線路阻抗與系統(tǒng)設(shè)備相匹配;
?、茉诒O(jiān)控主機(jī)前端安裝BNC視頻信號(hào)防雷器,試驗(yàn)類別為Ⅱ類試驗(yàn)(ln=3KA,Up≤40V,Uc=12V)。電涌保護(hù)器PE線長度不應(yīng)大于0.5m,采用6mm2BVR銅芯線就近接地;
?、菰跀z像機(jī)前安裝三合一電涌保護(hù)器對(duì)攝像機(jī)的電源線路、信號(hào)線路及控制線路進(jìn)行防雷保護(hù),試驗(yàn)類別為Ⅱ類試驗(yàn),電源部分參數(shù)為(ln=5KA,Up≤900V,Uc=275V),控制信號(hào)部分參數(shù)為(ln=3KA,Up≤40V,Uc=12V)。電涌保護(hù)器PE線長度不應(yīng)大于0.5m,采用6mm2BVR銅芯線就近接地。
3.3機(jī)房的屏蔽及等電位
在機(jī)房四周設(shè)置一均壓環(huán),作為各防雷器及通信設(shè)備的接地線匯聚排,并與室外接地裝置可靠連接。均壓環(huán)材料為30*3紫銅排。將機(jī)房周圍的所有金屬物體進(jìn)行等電位連接,如機(jī)房的門、窗、墻體內(nèi)部的鋼筋等,使其成為一個(gè)屏蔽網(wǎng),可以在一定程度上減少雷電發(fā)生時(shí),外界感應(yīng)雷、雷電電磁脈沖對(duì)機(jī)房內(nèi)部各個(gè)設(shè)備的破壞。
3.4基站接地系統(tǒng)
移動(dòng)通信基站應(yīng)按均壓、等電位的原理,采用聯(lián)合接地系統(tǒng),防雷接地、低壓配電系統(tǒng)(保護(hù))接地、工作接地、屏蔽接地、等電位接地等共用一個(gè)接地系統(tǒng)。對(duì)有鐵塔的基站應(yīng)將鐵塔地網(wǎng)與機(jī)房地網(wǎng)相焊接,機(jī)房總接地排的接地線與地網(wǎng)連接時(shí)應(yīng)避開鐵塔及接閃桿的專用引下線,兩者間距離要求大于5米,以免鐵塔和接閃桿上的雷電流沿總地線引入線流入機(jī)房內(nèi)。對(duì)一些租用大樓或民用建筑的基站,對(duì)于建筑物的接地一般都采用其鋼筋混凝土基礎(chǔ)作為地網(wǎng),建筑物其鋼筋混凝土基礎(chǔ)埋地較深,大樓的接地電阻基本上能滿足要求,因此可以使用大樓的主鋼筋作為防雷接地系統(tǒng)。其工頻接地電阻宜控制在10歐的范圍內(nèi)。如果山區(qū)基站接地電阻難以滿足要求,可以通過使用降阻材料來降阻。
在移動(dòng)基站外部進(jìn)線孔處設(shè)立接地排,并與基站地網(wǎng)相連。將所有進(jìn)入基站的纜線的接地與之相連,如天饋線接地、鐵塔走線架的接地、光纜加強(qiáng)芯的接地、供電線屏蔽管道的接地等。出入通信局(站)的電力電纜(線)、通信纜線應(yīng)采用金屬護(hù)套電纜或敷設(shè)在金屬管內(nèi),且應(yīng)埋地引入,纜線埋地深度應(yīng)不小于0.7m。特別對(duì)于進(jìn)入通信局(站)的低壓電力電纜宜全程埋地引入,其電纜埋地長度不宜小于15m等。這些工程措施都具有一定的雷電防護(hù)作用。
接地裝置材料選擇,金屬接地體應(yīng)采用熱鍍鋅材料,在各個(gè)焊接點(diǎn)由于已破壞了原來的熱鍍鋅層,因此一定要做防腐蝕處理。垂直接地體長度為1.5~2.5m,垂直接地體間隔為其自身長度的1.5~2倍。接地體上端距地面不小于0.7m,且應(yīng)在凍土層之下。垂直接地體可采用∟50*50*5mm的角鋼或接地銅棒等材料,水平接地體和接地引入線可采用—40*4mm扁鋼以及接地模塊,并添加降阻劑等材料降低接地電阻。