防雷与接地系统的设计(论文)

毕业综合作业

移动基站防雷与接地系统的设计

选题类型：论文

学生姓名：叶华锋

学号： 20100203235

系部：通信工程系

专业：移动通信技术

班级： 102

指导老师：钱水明

浙江·绍兴

提交时间：2013年4月

摘要

本文论述了移动基站防雷接地系统经常出现的问题，结合平时的实地考察，切实地提出根据实际情况设计移动通信基站防雷接地系统的设计思想。

由于移动通信基站的天线设置大多安装在建筑物的房顶上，还有一部分安装在铁塔上，相对周围环境而言，形成十分突出的目标，从而导致雷击概率增多。通信设备损坏，耗费了大量人力财力。怎样才能有效地预防雷害，确保移动通信基站设备和工作人员的安全呢？必须根据每个基站的实际情况设计移动通信基站的防雷接地系统，实施基站针对性防雷。

关键词：防雷；接地；反击电压；分级防雷

目录

第一章移动基站防雷与接地系统简介 (1)

1.1 防雷与接地系统 (1)

第二章移动基站雷害的主要原因 (2)

2.1 雷击的主要原因 (2)

2.2 反击电压 (3)

2.3 移动基站防雷措施 (5)

第三章移动基站防雷与接地系统的整改案例 (8)

5.1 案例1——大陈基站存在的问题及改造方案 (8)

5.2 案例2——大港头基站存在的问题及改造方案 (9)

5.3 案例分析3——皇家地基站存在的问题及改造方案 (12)

5.4 案例分析4——长坑基站存在的问题及改造方案 (15)

5.5 案例分析5——石铺基站存在的问题及改造方案 (18)

总结 (22)

致谢 (23)

参考文献 (24)

第一章移动基站防雷与接地系统简介

1.1 防雷与接地原理

1.2 基站防雷与接地系统

1.防雷与接地系统的组成

(1）雷电接受装置：直接或间接接受雷电的金属杆（接闪器），如避雷针、避雷带（网）、架空地线及避雷器等；

（2）接地线（引下线）：雷电接受装置与接地装置连接用的金属导体。它的作用是把雷电接受装置上的雷电流传递到接地装置上，接地线一般采用圆钢或扁钢组成；

（3）接地体：包括接地装置和装置周围的土壤或混凝土，作用是把雷击电流有效地泄入大地，现在常用的接地装置有水平接地极、垂直接地极、延长接地极和基础接地极。

第二章移动基站防雷与接地措施

2.1 雷击的主要原因

移动基站防雷是一个复杂的系统工程，过去我们按照防雷理论，尽量提高基站防雷系统的泄流能力，选用了80ka甚至100ka的大型防雷器，但是防雷效果却不尽人意，经常出现基站防雷器没有明显动作，基站设备却已经发生损坏。是防雷器不好吗？不，防雷器都是检测合格的入网产品。原来是我们没有按照基站的实际情况设计防雷系统。基站内设备被直击雷和雷电感应破坏的概率为零。这是因为基站设备包括基站室外电力变压器的位置普遍较低，完全处于建筑防雷设施或铁塔以及架空线路避雷系统和建筑防雷等外围的避雷系统泄放，所以基站设备很难遭到直击雷损害。另外我们基站内的设备外壳、天馈线、走线架等金融物全部安装了保护接地，再加上与室外的雷击点和避雷器接地引线有足够的距离，所以雷电感应也很难发挥作用。几年来雷击事故的主要现象为：基站b级防雷器保护空开动作，部分单相交流设备和直流设备损坏。我们从中不难看出地电压反击和雷电波侵入是造成基站设备损坏的主要原因。所以基站防雷系统应以防止地电压反击和雷电波侵入为主要目标。

2.2 反击电压

1.地电压反击

当雷电流基站附近的避雷器对地泄放时，由于接地电阻的存在必然引起基站工作地的电位升高，基站直流负荷如BTS电源、开关电源的监控单元、基站的动力环境监控器等设备相对远端地一般都存在寄生电容，这些设备一端接工作接地，无流的远端地与基站的工作接地间存在电位差，因而产生差模脉冲电压。当超过设备绝缘耐压的容许限度时必然造成设备的损坏。基站的单相交流负荷如基站空调、照明等设备的零线接在变压器的交流地上，当雷电流沿基站附近的避雷器对地泄放时，变压器的交流地和交流重复接地电位也会升高，因此基站的单相交流设备也同样存在地电压反击的问题。

2. 地电压反击的危害

我们把基站设备与接地有关的电路简单等效为线路电阻、线路寄生电感、线路负载（如传感器、BTS、空调、灯具等）、终端对远端地寄生电容组成的串联回路。假设基站的冲击接地电r为2欧姆，防雷器对地的泄放电流为2ka，这时基站的接地排的瞬间电压为u=1*r=4kv，可见负载两端的瞬间浪涌电压可达4kv，如不采取措施，必然造成设备损坏。

3.减小反击电压的措施

防止地电压反击是基站防雷接地的主要课题

那么怎样才能避免地电压反击造成的损失呢？我们一般很自然会想到使用交流过压保护器和直流浪涌抑制器，即在交流变压器的低压侧、基站交流配电箱的地零间加装交流过压保护器；在直流负载的电源输入端加装浪涌抑制器。所有交流过压保护器和直流浪涌抑制器必须靠近被保护的设备安装，避免被保护设备由于接地或电源引线过长引起脉冲反射。除此之外一个非常重要的问题就是将基站的工作接地与室外避雷器接地在基站地网上的引接点分开焊接，这样可以大大降低基站工作接地母排的电压浪涌幅值。众所周知，雷电电流沿地网泄放时，在避雷器引下线与地网连接点附近土壤内形成一个强电位场，距离越近电压越高。将基站工作接地与室外避雷器接地分开，可以大大降低基站的反击电压。所以基站工作地与防雷地在基站联合接地网上的引接点距离不应小于5m，条件允许时宜间距10-15m。实际上除电力线路外，基站的铁塔遭雷击次数最多，与铁塔共用接地网的基站经常受到地电压反击的损害，如果铁塔地网边缘距离基站大于5m，应在基站附近另建环形工作接地网；条件差的基站可以沿铁塔地网与基站工作接地引接线，补设接地桩；只能利用铁塔地网的基站也应把铁塔避雷接地的引接点与工作接地的引接点分别在对角塔基上安装。对于山项基站尤其应注意将基站的工作

接地与铁塔避雷接地及站基室外接地分开，因为山顶基站的接地电阻较大，接地引线较长，雷电流泄放相对缓慢，所以地电压反击比较严重。

降低基站接地电阻也有利于电压反击事故。接地电阻较大的山上基站，可利用塔基钢筋、蓄水池、无爆炸和电击危险的金属管路等自然接地体，埋设地桩有困难的山上基站也可从塔基沿山体的自然沟壑，最好选择阴暗潮湿的地方，制作横向辐射接地网，辐射接地网长度应小于30m，塔基四周辐射的横向接地网越多也有利于雷电散流。

2.3 移动基站防雷措施

1.电源线路保护空开

避雷器的响应特性有远近软硬之分：气体放电管和火花间隙防雷器是基于斩弧技术的角形火花隙和同轴放电火花隙，当线中电压超过防雷器的击穿电压后，防雷器的绝缘电阻立刻急剧下降，放电能力较强，残压相对较高，恢复电压低于原来的击穿电压，属于硬响应特性：属于软响应特性的压敏电阻和浪涌抑制二极管，其特点是响应时间短，放电电流小，残压低，而且恢复电压基本不变。硬响应特性的防雷器工频后续电流和防雷器绝缘劣化可能造成线路短路，所以防雷器前面应该配置过流保护空气开关或熔丝。其额定电流应小于防雷器的最大短路允许强度。如果主电路保护空开关大于防雷器的最大保险丝强度，应设避雷器分路保护空开。

众所周知，雷电波的脉冲宽度为纳秒级，所以一般防雷器均以响应时间达到纳秒为标准。有人就把基站的防雷系统按照纳秒纺防雷时间进行设计，比如在c 级防雷器上加装了很小的保护空开如：20a或32a，认为这样既防雷又安全。实际上在所有基站设备发生过压损坏的雷击事故中，防雷器保护空开动作占100%、防雷器正常占90%以上，显而易见，由于防雷器保护空开的断路作用，防雷器并没有完全起到泄放雷电、限制电压的作用，防雷器并没有完全起到泄放雷电、限制电压的作用。这种事例却从反面证实了应该选用较小的设备的保护空开，并且把防雷器紧靠被保护设备安装，使被保护设备与防雷器具有相同的安全级别。

纳秒级的雷电波在对地泄放中产生的地电压反击和雷电波侵入作用时间可能被延长至毫秒甚至更长。我们把受地电压反击和雷电波侵入影响的基站设备简单等效为寄生电感、回路电阻、对地电容组成的串联的电路。由于电感、电容的储能作用，即使不发生震荡，高压脉冲在衰减过程中其存在时间也会被大大延滞，另外雷击经常造成电网操作过电压的持续时间更长，所以我们在选用防雷器和设备的保护空开时，应根据防雷器的最大允许熔丝电流和线路的进线容许短路电流以及设备的负荷电流综合考虑。

2.分级防雷

防雷器的残压是保护基站设备的最重要参数，一般来讲，泄流能力强的防雷器，响应时间长，残压高。世界上没有任何一种防雷器能满足所有混合雷电冲击波、残压以及响应时间指标要求，所以应根据表1中基站电源设备的绝缘等级划分防雷层次，实现多级防护，对雷电能量逐级减弱，使各级防雷器残压相互配合，最终使过电压值限制在设备绝缘强度之内。另外多级防护对于某一级防雷器失效、防雷器的残压不配合设备绝缘强度等也是必须的。我们认为应该结合yd5078-98

《通信工程电源系统防雷技术规定》和基站的实际情况，从交流电力网高压线路开始，根据基站主要电源配套设备的耐雷电冲击指标和防雷器残压要求，采取分级协调的防护措施，进行基站的防雷系统设备。避雷器的直流1maa参考电压是我们选择避雷器的绝缘要求，选用时应考虑电网的电压波动上限值和操作过电压远小于直流1ma参考电压，具体基站主要配置设备的耐雷电冲指标和防雷器残压要求如表2.1所示。

表2.1 基站配套设备的耐雷电冲击指标和防雷要求

实现各级防雷器的能量分配与电压配合的要点在于利用两级防雷器之间线缆本身的感抗。电缆本身的感抗有一定的阻碍电流及分压作用，使雷电流更多地被分配到前级泄放。当保护地线与其它线缆紧贴敷设或处于同一条电缆之内时，要求两级防雷器之间线缆长度在15m左右，当防雷器接地线与被保护电缆有一定距离（>1m），这时要求线缆长度大于5m即可。在一些不适合采用线缆本身作退耦措施的，如两级防雷器靠近或线缆长度较短时，可利用专门的退耦器件，这时无距离要求。

机房电源系统的防雷须满足《建筑防雷设计规范》。根据机房大小及设备保护的重要程度，采用一级、二级或三级防雷，设备末端需要有防浪涌插座。根据网络中心机房的实际情况，采用三级防雷方式(如图2.1所示)，即在动力机房电源线进入UPS配电室前安装一级防雷模块(如图2.2所示)，UPS进线前布置二级防雷模块，设备接线插排为防浪涌的三级防雷插排(如图2.3所示)。

图2.1三级防雷

图2.2防雷模块

图2.3防雷插排

第三章移动基站防雷与接地系统的整改案例

5.1 案例1——大陈基站存在的问题及改造方案

1.现场勘查情况：

丽水大陈基站地处平原，是一屋顶塔基站，宜遭直接雷袭击。该站已经经过整治，从机房内看，未见明显不妥之处。该站电源、主设备、监控均遭雷害。

2.雷害原因：

（1）地电位反击，工作地在地网上的引接点与立柱钢筋距离<1m。

（2）电力线引入，电力电缆地埋长度约20m。

（3）接地、等电位与防雷系统的改造

3.接地与防雷系统的改造措施：

（1）新建一地网，将该地网与原地网相连。机房内接地母排与原地网连线断开，接至新地网（见图3.1所示）

图3.1大陈基站平面示意图

（2）延长电力电缆地埋长度至50m以上。在终端杆处增设一组低压避雷器，以增强对来自低压架空输电部分的雷电泄放能力，提高低压线路侧的防雷保护。按照DL/T499-2001《农村低压电力技术规程》零线在终杆处作重复接地处理，将零线、避雷器的接地、电缆金属外皮、绝缘子铁脚、金具连在一起接地，避免电缆因过电压击穿直接接到终端杆的地网中，保证在故障时保护中性线的电位尽可能保持接近大地电位。

上述两条措施，可以同步实施。若第二条实施难度大，也可根据防雷效果，

考虑第二步实施。

4.接地与防雷系统的改造注意事项：

（1)所有接地引线与地线排的连接使用铜鼻子，用螺栓加装梅花垫片拧紧，以确保接触可靠。接地引线与地网的连接宜焊接。

（2)所有焊接扁钢搭接长度为宽边的两倍，凡焊接点均涂沥青防腐。

（3)空调及室外机的接地由施工单位根据情况进行保护接地。

（4)原已经安装且本工程不予更换的电涌保护器，若保护模块需要更换由施工单位向当地移动公司提出，由当地移动公司负责更换。

（5)机房内的机架未作保护接地，由施工单位负责作保护接地。

5.2 案例2——大港头基站存在的问题及改造方案

1.现场勘查情况：

（1）大港头基站位于大港头镇边上的平原地带，铁塔是附近最高建筑，极易受到雷击。

（2）移动基站采用公用变压器供电，高压电力线以架空方式到电力变压器，变压器的高压侧己配置电力避雷装置，低压侧电力线经计量箱埋地进入机房。机房电力线路已经采用C级电涌保护措施（开关电源中的电涌保护器）。

（3）基站接地系统为联合接地系统，接地电阻8欧姆。

（4）数传采用架空光纤进行传输，光纤加强铁芯线已经在接地铜排上接地处理。

（5）机房内的相关设备都已经进行了相应的接地处理。

（6）铁塔的避雷针引下线有两条，分别焊接在铁塔的两个塔基上（见图3.2）。

（7）机房内工作地和保护地分别从地网中引出，相距不到30CM（见图3.3）。

（8）室内走线架固定在墙上，没有做绝缘处理，该墙体内与避雷针引下线同一侧。

（9）室外馈线在入机房口有接地，在机房外单独入地。

2.接地与防雷系统的改造措施：

（1）在室外重新制作一圈地网与原地网做充分的连接，取出两到三条引出线作为避雷针接地引下线的焊接点。

（2）室内机房配电箱侧找到建筑主钢筋用扁铁和其进行焊接后引出一条接地体作为工作地使用，保护地原地不动。

（3）光纤加强芯接地直接引到室外馈线接地铜排处连接。

3.接地与防雷系统的改造注意事项：

（1)所有接地引线与地线排的连接使用铜鼻子，用螺栓加装梅花垫片拧紧，

以确保接触可靠。接地引线与地网的连接宜焊接。

（2)所有焊接扁钢搭接长度为宽边的两倍，凡焊接点均涂沥青防腐。

（3)空调及室外机的接地由施工单位根据情况进行保护接地。

（4)原已经安装且本工程不予更换的电涌保护器，若保护模块需要更换由施工单位向当地移动公司提出，由当地移动公司负责更换。

（5)机房内的机架未作保护接地，由施工单位负责作保护接地。

图3.2 铁塔避雷针接地示意图

图3.3 基站工作地和保护地连接图

图3.4 铁塔避雷针接地整改图

5.3 案例分析3——皇家地基站存在的问题及改造方案

现场勘查情况：

1、黄家地基站位于丘陵地带，铁塔是附近较高建筑，极易受到雷击。基站上方设有遮雨棚，设备的一边是拉线塔。

2、基站接地系统为联合接地系统，接地电阻较好

4、数传采用架空光纤进行传输，光纤加强铁芯没有接地。

5、将原来馈线接地的引下线用35平方的黄绿线连接。

6、工作地和馈线地和避雷针的引下线都不足0.5米的距离。

接地与防雷系统的改造措施：

以拉线地桩的钢筋为基础，改造地网（具体见图）

将保护地移到离馈线地和避雷针的引下线1米以外的地方。

将光钎加强筋的接地直接引到馈线接地铜排上

室新增一块地排作为工作地。

接地与防雷系统的改造注意事项：

1)所有接地引线与地线排的连接使用铜鼻子，用螺栓加装梅花垫片拧紧，以确保接触可靠。接地引线与地网的连接宜焊接。

2)所有焊接扁钢搭接长度为宽边的两倍，凡焊接点均涂沥青防腐。

3)空调及室外机的接地由施工单位根据情况进行保护接地。

4)原已经安装且本工程不予更换的电涌保护器，若保护模块需要更换由施工单位向当地移动公司提出，由当地移动公司负责更换。

5)机房内的机架未作保护接地，由施工单位负责作保护接地。

6、保护接地线都要求35平方以上的黄绿线。工作地和接地引下线都要求95平方黄绿线

图一：基站俯视图

图二，基站接地图：

拉线桩

新增地网

5.4 案例分析4——长坑基站存在的问题及改造方案

现场勘查情况：

1、长坑基站位于330国道的路边山坡上，基站是附近最高建筑。

2、移动基站采用专用变压器供电，高压电力线以架空方式到电力变压器，变压器的高压侧己配置电力避雷装置，低压侧电力线经计量箱埋地进入机房。机房电力线路已经采用C级电涌保护措施（开关电源中的电涌保护器）。

3、基站接地系统为联合接地系统。

4、数传采用架空光纤进行传输，光纤加强铁芯线已经在接地铜排上接地处理。

5、机房内的相关设备都已经进行了相应的接地处理。

6、铁塔的避雷针引下线有两条，一条直接引接到基站的地网，一条焊接在铁塔的塔基上（详见图1）。

7、机房内工作地和保护地分别从地网中引出（详见图2）。

9、室外馈线在入机房口有接地，但是铜排连接到避雷针的引下线后在和引下线一起入地。

接地与防雷系统的改造措施：

在室外找到建筑的主钢筋，找到两个点，在用扁铁进行充分的焊接后引至一点，然后最为室外铜排馈线接地。

在基站附近找到地网，将另外一条避雷针的接地引下线也焊接到此。

光纤加强芯接地直接引到室外馈线接地铜排处连接。

对室内的各种接地线进行重新布线，布线工艺符合规范要求

接地与防雷系统的改造注意事项：

1)所有接地引线与地线排的连接使用铜鼻子，用螺栓加装梅花垫片拧紧，以确保接触可靠。接地引线与地网的连接宜焊接。

2)所有焊接扁钢搭接长度为宽边的两倍，凡焊接点均涂沥青防腐。

3)空调及室外机的接地由施工单位根据情况进行保护接地。

4)原已经安装且本工程不予更换的电涌保护器，若保护模块需要更换由施工单位向当地移动公司提出，由当地移动公司负责更换。

5)机房内的机架未作保护接地，由施工单位负责作保护接地。

基站接地图（整改前）：

整改后：

避雷针接地引下线