2008移动通信基站的防雷与接地.ppt
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1、中讯邮电咨询设计院 2008.1.18,移动通信基站的防雷与接地 刘吉克,主要内容,富兰克林与避雷针 雷击的主要途径 等电位连接 接地电阻值 基站地网 电源SPD的最大通流量与接地之间的关系 光缆内金属构件接地的处理 馈线SPD是否需要安装的问题 馈线接地点的处理原则 防雷器的选择,一 富兰克林与避雷针 避雷针的 发明者B Franklin 2006年是电学先驱B富兰克林诞生三百周年。他在1706年1月17日生于美国波士顿。在大气电学方面,他第一个发现雷电是由电造成的。他发现闪电是一种电荷,这有很大的实际用途。他知道电流可被针尖吸引,但不知道闪电是否也会被吸引。一七五二年,他进行了有名的、但也
2、是危险的实验。实验在费城郊野进行,在一个行雷闪电的日子,他把一只镶有金属在顶部的风筝放入云层去,连接风筝下端的线上则系着钥匙,当行雷闪电之际,他即用手紧握钥匙,当即感觉一种轻微的震动,流经拳头,然後通过身体,进入地面。他事後说,那种震动有如电池所产生一样。由此他证明了天电是一种放电现象,发明了避雷针。,图1:富兰克林放风筝进行雷电实验,避雷针是是一根简单的安装在高层建筑物上的金属针,称为接闪器,再加上引下线和接地极,就成为一套完整的防护直击雷的装置。200多年来避雷针有效地保护了各种建筑物和工业设施,避雷针的防雷原理就在于它能接闪雷电流,并顺利地将其引导进入大地,而保护它下面的或它周围的建筑物
3、不受雷击。避雷针泄放雷电流时,在其周围将产生强烈的电磁幅射干扰。在以前,或者说对于普通的建筑物,机器,或人类,这种电磁幅射不会带来显著的危害。可是到了现代社会的今天,计算机和其它精密仪器设备在各行各业的大量应用,情况就不同了。,在这些精密仪器设备中,存在大量的微电子器件,特别是计算机芯片。在这些芯片中,集成着大量的微小的电子元件,它们很小,它们之间的绝缘也十分微弱。它们工作在几伏的低电压下。避雷针引导雷电流产生的强烈电磁幅射将在这些电子器件的回路中感应生成过电压,这种过电压将有极大的可能性击穿集成电路芯片中元件之间的绝缘,摧毁这些芯片,造成对这些精密仪器设备的不可弥补的损坏。,从上世纪70年代
4、初期美国的消雷器到90年代初期的半导体消雷器、2000左右出现的各类优化避雷针,以及八十年代放射源避雷针,到的法国依丽(Helita)的Pulsar大气高脉冲电压避雷针(Atmospheric high pulse voltage lightning conductor),到九十年代的富兰克林避雷针(Franklin conductor)、圣埃尔摩避雷针(Saint Elmo lightning conductor),到现在的各种型号的提前放电避雷针:,如拓海通用(TOHI)的易敌雷(Indelec)(E.S.E)主动式提前放电避雷针;以及杜尔梅森的卫星(Satelit)提前放电避雷针,西班牙
5、Ingesco公司的PDC系列主动式早期放电避雷针,等等。 这些都属于非常规避雷针。半导体消雷器宣传它对雷电有两种作用.一是可以中和云中的电荷,二是可以限制雷电流的大小.而各类优化避雷针宣传的主要作用是可以改变雷电流波形陡度,减小雷电流的幅值.其实这些都是人们为了市场制造出来的故事。,主动式提前放电避雷针(E.S.E)根据宣传资料的介绍主要有两个作用,一是它可以“主动放电”,或“提前放电”,或“早期放电”。即这些避雷针比普通避雷针具有更好的引雷性能。二是将它的提前放电时间换算成提前放电距离后,相当于增加了避雷针的高度,从而可以增大保护半径。在相同接地网(极)和引下线的情况下,一根等高的普通金属
6、针作接闪器与一支昂贵的洋避雷针作接闪器可以得到同样的保护效果和保护半径。,国际学术界对以法国为首的ESE避雷针,并对其提出的相应标准草案持完全否定的态度。17位属于ICLP(International Conference on Lightning Protection,国际防雷保护会议)的科学委员会成员的科学家,签发了一个联合声明,反对ESE避雷针技术。这些科学家代表了15个国家,包括美国、日本、英国、和12个大陆欧洲国家。,接闪器 建筑物的接闪器(国家标准GB50057-94规定接闪器由避雷针、避雷带、避雷网格);建筑物柱内钢筋;基础接地体组成。,二 雷击的主要引入途径 雷电可以从基站通信
7、设备四个接口影响移动通信基站的正常工作,如图所示:,1)电源端口一直是雷电保护的重点,相关统计数据显示,雷击造成设备的损坏90以上都是与电源端口有关的接口。 2)天馈端口的雷电保护,标准规定SPD作为馈线可以选择保护器件(不是必须的)。但对于馈线的雷电保护接地却有明确的规定:铁塔上架设的波导馈线、同轴电缆金属外护层应分别在上、下端及进入机房入口处外侧就近接地,当馈线及同轴电缆长度大于60m时,其外护层宜在塔的中间部位增加一个接地连接点,接地连接线截面为不小于10mm2。 另外馈线的接地线应避免从雷电引下线,特别是从铁塔角引接。当基站采用房顶铁塔的方式时,馈线入口处的接地排必须接在地网上,而不宜
8、接在房顶铁塔的塔基上,从而避免雷电流直接进入机房。,3)信号及系统端口:由于基站为了实现无人值守,采用了环境监控装置3)站内传输设备与基站发射机等相连的信号线,这些信号端口对于雷电的抗扰度是较弱的,基站经常有信号接口雷击损坏的记录,而且在采用屏蔽线时同样有雷击造成信号接口雷击损坏的记录,在K56内容中基站设备信号端口没有提供耐受浪涌电压(电流)指标要求,耐受能力的依据没有,怎能评判是否对信号端口进行保护(当然包括电源设备耐受浪涌电压/电流的指标)。 4)接地端口主要是瞬间的电位升对设备的影响;,对于接地端口主要是瞬间的电位升对设备的影响,移动机房设备直流供电一般采用两种形式:24V(直流负接地
9、)和-48V(直流正接地),而这两种形式的供电都是需要接地。当有雷击通过地网泄放时,则会造成瞬间的电位抬升,这样就使得直流电源正负极的瞬态电位差很大,造成设备敏感部位(整流模块和收发信机等)损坏。由于地电位抬升有时会从前端(开关电源直流输出口)引入损坏设备,也有可能从后端(用电设备如GSM的直流输入口)引入损坏设备,所以应在直流电源的两端分别加装防雷器,形成直流电源正、负极与地的瞬态等电位。,防止因地电位升高造成的电位反击损坏设备。以往对阻性耦合,地电位升的影响仅仅是理论分析上,在实际应用的结果统计上,现场基站开关电源那边的直流SPD雷击损坏的情况还很少见,下面是在其它省、某地区直流SPD击坏
10、的照片,显示了加在开关电源直流端SPD被雷电击坏的状况,从击坏情况可以看出地电位升高产生的能量还是相当可观的。因此基站开关电源直流SPD不是可装可不装的问题,在雷暴日较多、雷电强度较大的地区,特别是有铁塔的基站,在开关电源的直流端一定需要加装直流SPD进行保护。,三、等电位连接 1、基站内经常遭雷击损坏设备情况 曾遭雷击损坏的设备:电源类占88%(变压器、配电箱、稳压器、整流模块、空调主板、照明系统),信号类占12%(GSM或CDMA设备的核心CPU、用户板、监控、传感器、消防控制板、小微波)。,!,高压避雷器被雷击损坏,稳压器被雷击损坏,感应过电压造成信号线对机壳放电,光缆终端盒被雷击打掉,
11、2 基站内经常遭雷击损坏设备的原因与分析 这些设备的损坏的都是由于机房内某些设备的电源线、信号线遭受雷击或有感应过电压时,使得自身电位抬高。而其他设备仍处于低电位或零电位状态,由于机房内设备通过电源线或信号线均有若干联系,这样就在设备间形成了等电位差,导致了设备的绝缘及内部元器件被击穿所至。 机房设备的接地方式的等效图一般如图一所示,当有雷击时,会在接地引线上产生较大的电位差,这个电位差有时足以使设备损坏。,这个电位差,可根据下式算出:U=Ldi/dt+IR,如引线长1m,入侵的雷电流为20kA(8/20us),则每米导线上的电压降为3.6kV,如接地线长度为5米则地电位抬高为18kV。,为了
12、减小此电位差,可采取如图所示的方法加以改造,这时的电位差,可根据下式算出:U=Ldi/dt+IR如引线长1m,入侵的雷电流为20kA(8/20us),则每米导线上的电压降为3.6kV,如果等电位连接点提高到a点(a至设备B之间为0.5m, a至PE之间为4.5m ),则设备A和设备B之间的电位差降为原来的十分之一1.8kV,此改造方法适用于机房设备较多的情况下使用。 采取右图所示的方法改造后设备间的电位差会更低,效果更好。,3 通信用开关电源必须和电源一级SPD进行等电位连接 移动基站机房设备的等电位连接,一般都忽略了一个至关重要的环节,就是开关电源与电源一级SPD之间的等电位连接。因为一般从
13、交流配电箱配送到开关电源的都是三相四线形式的电源,不做等电位连接的等效形式如图所示:,以上是SPD安装后的残压示意图。 当有雷电流时,其中: U1为从配电箱到SPD的连线上的残压; U2为SPD自身的残压; U3为从SPD的接地端子到接地汇流排间连线的残压。 这时,加在被保护设备的上残压为: U改造前=U1+U2+U3,SPD与被保护设备的等电位,为了减小加在被保护设备上的残压,我们可以采取如图所示的办法,即在SPD的接地端子与被保护设备的接地汇流排间加一根等电位连接线。此时加在被保护设备上的残压为: U改造后=U1+U2 或 U改造后= U改造前-U3 当有雷电流(8/20s)时,在导线上产
14、生的电压降可按下式计算: 假如引线长1米,入侵的雷电流为20kA(8/20us),则每米导线上的电压降为: V= 11.44(H)20(kA)/8(s )+IR 11.44(H)20(kA)/8(s ) =3.6(kV),4、机房内等电位连接 4.1 机房内接地汇流排的改造 在机房走线架上依据走线架的位置新设一组环形(日字形或口字形)接地汇流排,材料采用303mm铜排。要求环形接地汇流排为全封闭的且电气连通。环形接地汇流排在靠近墙壁的两侧用膨胀螺栓和绝缘子将其固定在墙壁上,位于走线架上的两侧可用螺钉直接固定在走线架上。根据实际情况,位于走线架上的接地排可竖立在走线架上,也可横放在走线架上。接地
15、引下线应就近与环形接地汇流排可靠连接。对于公用建筑或租用民房还应将房间里柱子的柱钢筋敲出,也与接地汇流排电气连通。 机房内各设备应用不锈钢螺钉就近与环形接地排可靠连接。包括交流配电箱、开关电源、GSM设备、SDH设备、DDF、环境监控设备、走线架、金属门窗等。 特别说明:如果机房内空间位置、设备摆放的情况不能完全做环形地排,可采用将局部设备做环形地排后,再与其他设备电气连通。,4 接地电阻值,原来所有通信局(站)的防雷检测技术人员,特别是来自气象局防雷中心的检测人员,一提到建筑物、通信局(站)防雷接地检测,第一反映的是接地电阻的检测,检测合格判断是接地电阻值是否符合各类标准的要求,好象只要接地
16、电阻符合要求,那么建筑物、通信局(站)防雷接地问题就解决了,防雷检测工作就完事大吉了!。建筑物、通信局(站)地网的接地电阻基本上是人们对于防雷接地合格判定的唯一依据。 ITU2003年接地手册认为:为进行防雷,也难以设立人员保护所需的明确的接地电阻。直击雷所带来的电流从几百到30万安培不等,这种电流如果经过的电阻为1欧姆,理论上能产生非常危险的电势。只试图达到1欧姆的电阻,这是不合理的。有经验表明,如果接地电阻为10欧姆,对大楼、变压器、传输线路、塔和其它外露构件的防雷保护就变得非常可靠。 本标准是2006年3月6日颁布的,其实作为标准的主要起草人,当时作为另外一个标准的主要起草人,已经完成了
17、YD5098-2005通信局(站)防雷接地工程设计规范的报批稿,虽然YD5098-2005的条款在这以后有所变化,但标准的内容及核心没有任何变化,在新的标准中已经将通信局(站)接地合格的判定依据从接地电阻值变换为另外一种方式。,例如:对于综合通信大楼、数据通信局或者市话局其地网应利用建筑体基础部分混凝土内的钢筋和围绕建筑体四周敷设的环形接地体(由垂直和水平接地体组成)及与之相连的电缆屏蔽层和各类管线相互焊接组成。在标准中没有提及综合通信大楼地网的接地电阻问题,这里仅对地网的组成提出了明确的要求,但其地网接地电阻值被认为可以忽略。 中讯邮电设计院在1998年以来对全国各个运营商通信局(站)改造时
18、,这一观点得到了广泛应用。在我们咨询改造得通信局(站)一般都是将原有局站内建筑物地网及机房进行连接,构成环形地网。接地电阻值没有检测过、也不考虑局方提供的接地电阻值(仅仅作为参考),防雷接地改造后的局(站)经过多年的统计,基本上没有雷击发生设备击坏的记录。 综上所述,由于通信局(站)联合接地利用建筑物其钢筋混凝土基础已经是可以获得可得到的最低接地电阻值以及设备在此条件下可能得到的接地电阻值。随着技术的进步,工程设计实践应用的逐渐深入,特别是模拟技术与数字技术的发展、铜线与光纤技术的演变引起的差别,原来模拟技术由于实线引起的的局间电位问题,已经得到解决。因此标准中没有再提及交换设备对接地电阻值的
19、要求,标准的条文是严格的,既对所有建筑物地网进行环形连接方式组成的最大面积,来代替对接地电阻值大小的要求。,世界各个国家对于基站的接地电阻都有明确的规定,世界著名的移动通信设备生产商也在标准中明文规定了接地电阻值,按照原YD5068-1998移动通信防雷接地设计规范的要求,基站接地电阻要求为5,接地电阻5的要求是否能满足基站防雷的需要,接地电阻5的要求在大地电阻率较高的地区是否能够达到呢?。 通过中讯邮电咨询设计院对这个问题长达10几年的时间,最早的研究成果发表在广东全国微波站防雷会议上一篇微波站地网优化设计问题的考虑与接地电阻的测量的论文,该文改变人们固有的传统观念,并被当时多个省微波局列为
20、规范,做为解决接地电阻问题的办法,后来我们和广东移动合作的移动通信基站地网优化设计及新型综合防雷接地解决方案,以及与广东移动通信有限责任公司江门分公司的移动通信基站防雷接地科学研究的合作项目先后在项目中得到应用,结果证明该论点是正确的,而且在其他省基站也得到了广泛得应用。 新的标准基本上对基站的接地电阻是这样处理的:当基站所在地区大地电阻率较低时,基站地网接地电阻一般不大于10,当采用环形接地时,地网面积一般应大于100m2;当基站的土壤电阻率大于1000m时,可不对基站的接地电阻予以限制,但要求其地网的等效半径应大于等于20m,并在地网四角加以10m20m辐射型接地体。地网环形接地体的周边可
21、以根据地形、地理状况决定其形状。,五基站地网,5.1 基站地网的组成 移动基站地网由机房地网、铁塔地网或者由机房地网、铁塔地网和变压器地网组成,基站地网应充分利用机房建筑基础(含地桩)、铁塔基础内的主钢筋和地下其它金属设施作为接地体的一部分。 1)机房地网:机房地网应沿机房建筑物散水点外设环形接地装置,同时还应利用机房建筑物基础横竖梁内两根以上主钢筋共同组成机房地网。当机房建筑物基础有地桩时,应将地桩内两根以上主钢筋与机房地网焊接连通。 2)铁塔地网:当铁塔位于机房旁边时,应采用40mmx4mm的热镀锌扁钢将铁塔地基四角塔脚内部金属构件焊接连通组成铁塔地网,其地网网格尺寸不应大于3m3m,其周
22、边为封闭式,铁塔地网与机房地网之间应每隔3m5m相互焊接连通,连接点不应少于两点。 3)变压器地网:当电力变压器设置在机房内时,可共用机房及铁塔地网组成的联合地网;当电力变压器设置在机房外,且距机房地网边缘大于30m时,宜设独立地网;若电力变压器设置距机房地网边缘30m以内时,变压器地网与机房地网或铁塔地网之间应连接焊通,一般宜在两处连通焊接连通,以相互组成一个周边封闭的地网。,5.2 基站不同构筑物地网形式 1)铁塔建在机房上的地网 当铁塔位于机房屋顶时,铁塔四脚应与楼(房)顶避雷带就近不少于两处焊接连通,机房铁塔除利用建筑物框架结构建筑四角柱内的钢筋作为雷电引下线外,且在铁塔避雷针上设置专
23、门雷电引下线(若铁塔金属构件电气连续可靠,铁塔避雷针可以不设置专门雷电引下线),在天线铁塔避雷针引下线所接的垂直接地体周围施放液状长效降阻剂,这样有利于增加雷电流的泄流能力。接地系统除利用建筑物自身的基础还需要外设环形地网为其接地装置,同时应在机房地网四角设置20米左右的水平接地体作为辐射式接地体,以利散流。机房内的接地排分为一侧单独设立或者两侧各一个接地排的方式。,2)铁塔四角包含机房的地网 移动通信机房为框架结构建筑,机房包含在铁塔四角之内,铁塔避雷针应专门设404的热镀锌扁钢作为雷电引下线(若铁塔金属构件电气连续可靠,铁塔避雷针可以不设置专门雷电引下线),接地系统应利用建筑物自身的基础和
24、铁塔四角外设的环形地网为其接地装置,接地网的面积最小应大于1515mm。若土壤电阻率大于1000m时采在原地网的基础上加附加辐射形接地体,即在地网的四个角向外辐射20m左右的水平接地体,在水平接地体终端附加垂直接地体,其水平接地体四周采用长效降阻剂处理。机房的接地排分为一侧单独设立或者两侧各一个接地排。,3)铁塔建在机房旁边的地网 将机房、铁塔、变压器地网相互独立的地网相互连通组成一个联合地网,如果土壤电阻率较高的地区,再在铁塔地网远离机房一侧的铁塔两角采用辐射型接地体,并在辐射型水平接地体周围采用液状长效降阻剂处理。,4)自立式铁塔或者通信杆塔的地网 自立式铁塔一般采用塔基基础内的金属作为接
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