移動通信基站的防雷地網(wǎng)綜合設(shè)計(jì)

1、移動通信基站的防雷地網(wǎng)綜合設(shè)計(jì)楊召緒, 黃文高(廣西區(qū)防雷中心, 廣西 南寧 530022)摘 要: 提出根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)移動通信基站防雷地網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和方法, 分析和研究了接地裝置、等電位連接、 直擊雷保護(hù)系統(tǒng)、 感應(yīng)雷保護(hù)系統(tǒng)、 移動基站地網(wǎng)的類型和組成。關(guān)鍵詞:移動通信基站;防雷;接地;措施引言雷電災(zāi)害是聯(lián)合國國際減災(zāi)十年委員會公布的 對人類威脅最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。 隨著移動通信 行業(yè)的發(fā)展, 移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大, 移動通 信基站的數(shù)量也日趨增多, 而且移動通信基站的天 線設(shè)置大多安裝在鐵塔和建筑物的房頂上, 相對周 圍環(huán)境而言, 形成十分突出的目標(biāo), 從而導(dǎo)致雷擊 概率增多

2、。 通信設(shè)備損壞, 耗費(fèi)了大量人力財(cái)力。111雷電形式雷電對通信設(shè)備具有很強(qiáng)的破壞性, 主要有直 擊雷、 雷電感應(yīng)、 雷電波侵入和地電壓反擊等四種 形式。 直擊雷和感應(yīng)雷是雷電入侵建筑物內(nèi)電氣設(shè) 備的主要形式。 直擊雷是雷電直接擊中線路并經(jīng)過 電氣設(shè)備入地的雷擊過電流; 感應(yīng)雷是由雷閃電流 產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁場變化與導(dǎo)體感應(yīng)出的過電壓, 過 電流形成的雷擊, 感應(yīng)雷是由遭受雷擊電磁脈沖感 應(yīng)或靜電感應(yīng)而產(chǎn)生的, 形成感應(yīng)雷電壓的幾率很 高, 對建筑物內(nèi)的電氣設(shè)備, 尤其是低壓電子設(shè)備 威脅巨大, 所以說對建筑物內(nèi)設(shè)備的防雷保護(hù)的重 點(diǎn)是防止感應(yīng)雷入侵。112防雷原則設(shè)計(jì)思路防雷地網(wǎng)系統(tǒng)由內(nèi)部防雷接

3、地網(wǎng)和外部防雷接 地網(wǎng)組成, 內(nèi)部防雷接地網(wǎng)包括: 籠式避雷網(wǎng) (如 地線)、 專用接地裝置 (如避雷器等) ; 外部防雷地 網(wǎng)包括: 供電系統(tǒng)的地網(wǎng)、 鐵塔的地網(wǎng)、 天饋線系 統(tǒng)的地網(wǎng)、 信號線路的地網(wǎng), 以提高整體防雷的可 靠性。 對移動基站地網(wǎng)而言, 重點(diǎn)是要做好外部防 雷接地網(wǎng)。在地網(wǎng)設(shè)計(jì)中, 應(yīng)在綜合考慮基站位置、 地質(zhì) 氣候條件、周邊環(huán)境、占地賠償?shù)纫蛩氐幕A(chǔ)上, 因12地制宜, 結(jié)合實(shí)際,濟(jì)合理、 安全可靠,復(fù)雜的聯(lián)合接地體,合理利用已有的資源, 做到經(jīng)維護(hù)方便。 另外, 基站地網(wǎng)是 在設(shè)計(jì)時(shí), 應(yīng)選擇土壤電阻率均勻且方便人工作業(yè)的范圍。 對于不確定性因素較多的基站, 應(yīng)給予一定

4、的設(shè)計(jì)裕量; 設(shè)計(jì)方案應(yīng)具 有對不可預(yù)見因素的調(diào)整空間, 以便快速的完成設(shè) 計(jì)更改和施工。3 等電位連接311接地裝置接地是防雷的基礎(chǔ)。 防雷接地裝置的接地是否 良好, 直接關(guān)系到防雷系統(tǒng)的防雷效果。 如果接地 裝置接地不良, 當(dāng)雷云與接閃器、 建筑物、 山體及 其他物體感應(yīng)放電后, 導(dǎo)體上的感應(yīng)電荷經(jīng)接地裝 置不能迅速流入地下, 將會形成對地電位的急劇升 高, 有時(shí)會產(chǎn)生高達(dá)幾萬伏的電位差, 從而導(dǎo)致嚴(yán) 重的雷擊破壞現(xiàn)象。接地裝置包括埋在地下的接地體和接地線, 俗 稱“地網(wǎng)”。接地體是采用在地下一定深度處埋設(shè)的 金屬型材 (也可以利用建筑物的基礎(chǔ)鋼筋引入地下 來作為防雷接地體) , 埋設(shè)方式

5、可以為水平式、垂直在防雷保護(hù)設(shè)計(jì)中,保護(hù):總的防雷原則是采用三級(1)將絕大部分 雷 電 流 直 接 引 入 地 下 地 網(wǎng) 泄散;(2)電壓;(3)保護(hù))。阻塞沿電源線或數(shù)據(jù)線、 天饋線引入的過限制保護(hù)設(shè)備上浪涌過電壓幅值( 過電壓這三道防線缺一不可, 相互配合。 27 卷廣 西氣 象21 式或垂直 水平混合式。 對接地電阻起主要決定作用的是土壤電阻率, 地網(wǎng)與土壤接觸電阻、 地網(wǎng) 形狀和地極數(shù)量也有關(guān)系。當(dāng)土壤的導(dǎo)電率很低時(shí),就需要采取一定方法進(jìn)行改善, 例如, 加埋降阻劑 等方法。 本研究項(xiàng)目對接地裝置的接地電阻值要求小于 48 。等 電位連接導(dǎo)體把處于不同位置的 “共用接地系統(tǒng)”和 “

6、工作接地系統(tǒng)”連接在一起, 成為一個(gè)等 電位體, 也就是基站總的電位基準(zhǔn)點(diǎn)。 等電位連接 可以減小雷電流在 “共用接地系統(tǒng)”與 “工作接地系統(tǒng)”之間的電位差, 提高 “防反擊”能力。4 防雷保護(hù)系統(tǒng)411 直擊雷保護(hù)系統(tǒng)直擊雷保護(hù)系統(tǒng)由接閃器 (避雷針、避雷網(wǎng)、避 雷帶)、引下線、接地裝置組成。目前凡是建筑物設(shè) 計(jì), 建 造 時(shí) 都 已 按 中 華 人 民 共 和 國 國 家 標(biāo) 準(zhǔn) gb 50057294建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范安裝了直擊雷 保護(hù)系統(tǒng), 不然無法通過驗(yàn)收。 防直擊雷的措施也 較成熟, 但移動基站設(shè)計(jì)建造時(shí)還必須考慮將建筑 物的金屬支撐物、 金屬框架或鋼筋混凝土的鋼筋等 自然構(gòu)件、

7、金屬管理、 配電的保護(hù)接地系統(tǒng)與防雷 裝置組成一個(gè)共用接地系統(tǒng), 并應(yīng)在一些合適的地 方預(yù)埋等電位連接板, 以便信息系統(tǒng)的所有外露導(dǎo) 電物建立一個(gè)等電位連接網(wǎng)絡(luò)。為了保護(hù)微波天線和基站建筑物不受直擊雷的 破壞, 設(shè)置防雷裝置。 它包括接閃器和引下線, 接 閃 器采用避雷針, 引下線采用金屬線接地。 按照“滾球法”校核接閃器的保護(hù)范圍, 使微波天線和基 站建筑物處于接閃器的保護(hù)范圍內(nèi)。 接閃器不能消 除雷擊, 但可以將大量的雷電流通過引下線入地。因 此在其保護(hù)范圍內(nèi)雷擊不會損壞微波天線和機(jī)房建 筑物。412 感應(yīng)雷保護(hù)系統(tǒng)感應(yīng)雷侵入導(dǎo)體有兩種不同的感應(yīng)方式, 一是 靜電感應(yīng): 當(dāng)雷云積聚電荷時(shí),

8、 附近的導(dǎo)體也會感 應(yīng)上極性相反的電荷, 在雷擊放電時(shí)雷云中的電荷 迅速釋放, 而導(dǎo)體中原來被雷云電場束縛的靜電荷 沿導(dǎo)體流動尋找釋放通道, 就會在電路中形成電脈 沖。 二是電磁感應(yīng): 在雷云放電時(shí), 迅速變化的雷 電流在其周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬變電磁場, 在其附近的 導(dǎo)體中產(chǎn)生很高的感生電動勢。研究表明: 雷云的靜電感應(yīng)引起的浪涌數(shù)倍于 電磁感應(yīng)引起的浪涌, 因此感應(yīng)雷的破壞作用主要由靜電感應(yīng)引起。 可以按照國家標(biāo)準(zhǔn)建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定, 利用基站建筑物的鋼筋框架構(gòu) 成的 “法拉第屏蔽籠”加強(qiáng)屏蔽, 削弱感應(yīng)雷的破 壞作用。 并采用多根金屬引下線, 增強(qiáng)雷電流的分在本研究項(xiàng)目中,接地體的埋設(shè)為

9、垂直 水平混合式, 成“田”字形狀分布,埋在地下 1m 以下的地方。 在埋設(shè)接地體的地方, 首先按 “田”字形挖 6 條深 1m 、 長 7m 的溝; 并在溝與溝交叉點(diǎn)的位 置處, 打下9 根長度大于118m 的垂直接地體, 一般 采用角鋼、鋼管或圓鋼。然后用6 條長7m 的扁鋼把9 根垂直接地體的頂端焊接在一起, 成為水平接地體。 接著用一根扁鐵條與水平接地體的頂端焊接在 一起, 扁鐵條另一端作為接地線引出地面, 連接防雷裝置, 如圖 1 所示。最后在接地體周圍回填泥土,并夯實(shí)。圖 1 混合連接體312等電位連接從等電位的角度出發(fā), 地網(wǎng)只是一個(gè)電位基準(zhǔn) 點(diǎn), 不是絕對的零電位點(diǎn)。 要求地網(wǎng)

10、的布置形式能 滿足等電位的需要就可以了, 并不要求接地電阻值 特別低, 除非通信和供電線路對接地電阻值有特殊 的要求。 當(dāng)然, 獲得低的接地電阻值總是有好處。 本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)相同的、 但位置互相分開的接 地裝置, 一個(gè)叫“共用接地系統(tǒng)”, 另一個(gè)叫“工作 接地系統(tǒng)”。 建筑物、 防雷裝置 (接閃器)、 天線鐵 塔、 變電房和配電柜的接地都連接到 “共用接地系 統(tǒng)”上。 由于具有公共性質(zhì), 所以稱之為 “共用接 地系統(tǒng)”。在基站建筑物內(nèi)的天饋線屏蔽層、高頻避 雷器、 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和單相電源避雷器的接地都連接到 “工作接地系統(tǒng)”上。為了能滿足等電位的要求, 用 22 楊召緒, 黃文高: 移動通信基站的

11、防雷地網(wǎng)綜合設(shè)計(jì)增刊 流作用; 引下線在建筑物四周均勻?qū)ΨQ布置, 相互抵消內(nèi)部電磁場, 減弱雷電流的電磁干擾和破壞作 用。 這些保護(hù)措施使微波天線和基站建筑物免受感應(yīng)雷的破壞。 因此只依賴于直擊雷保護(hù)系統(tǒng)是不夠的, 必須建立雷擊感應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)。一些發(fā)達(dá)國家從1994 年起 紛紛采取措施, 安裝防護(hù)設(shè)施, 重視率可達(dá)95% 。我 國在 2000 版的建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范上已增設(shè)了 一章 “防雷擊電磁脈沖”。中華人民共和國氣象法也明確要求各級氣象主管機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對雷災(zāi) 害防御工作的組織管理。的地網(wǎng), 并利用機(jī)房建筑物基礎(chǔ)橫豎梁內(nèi)兩根以上主鋼筋共同組成機(jī)房地網(wǎng), 當(dāng)機(jī)房建筑物基礎(chǔ)有地 樁時(shí), 應(yīng)將地樁內(nèi)

12、兩根以上主鋼筋與機(jī)房焊接連通,工作地及防雷地在地網(wǎng)上的引接點(diǎn)相互距離不小于鐵塔尚應(yīng)與建筑物避雷器帶就近兩處以上連5m ,通。612鐵塔地網(wǎng)當(dāng)通信鐵塔位于機(jī)房旁邊時(shí), 鐵塔地網(wǎng)應(yīng)延伸 到塔基四腳外 115m 遠(yuǎn)的范圍, 網(wǎng)格尺寸不大于 3m3m 其周邊為封閉式,同時(shí)還要利用塔基地樁內(nèi)兩根以上鋼筋作為鐵塔地網(wǎng)的垂直接地體, 鐵塔地網(wǎng)與機(jī)房地網(wǎng)之間應(yīng)每隔 3 5m 相互焊接連通一 次, 連接點(diǎn)不應(yīng)少于兩點(diǎn)。當(dāng)鐵塔位于機(jī)房房頂時(shí),其四腳應(yīng)與樓頂避雷帶就近不少于兩處焊接連通,同時(shí)宜在機(jī)房地網(wǎng)四腳設(shè)置輻射式接地體, 以利用 雷電流散流。當(dāng)使用通信桿塔時(shí), 宜圍繞桿塔3m 遠(yuǎn) 范圍設(shè)置封閉環(huán)形接地體, 并與

13、桿塔地基鋼板四周 焊接連通, 桿塔地網(wǎng)應(yīng)與機(jī)房地網(wǎng)每隔 3 5m 相互 焊接連通一次。613 變壓器地網(wǎng)當(dāng)電力變壓器設(shè)置在機(jī)房內(nèi)時(shí), 其地網(wǎng)可合用 機(jī)房及鐵塔地網(wǎng)組成的聯(lián)合地網(wǎng), 當(dāng)電力變壓器距 機(jī)房地網(wǎng)邊緣 30m 以內(nèi)時(shí), 其地網(wǎng)應(yīng)與機(jī)房地網(wǎng)或5 移動基站的地網(wǎng)類型511圍繞機(jī)房成封閉的環(huán)形地網(wǎng)大電流時(shí)環(huán)形接地體內(nèi)的電場分布均勻,可降低跨步電壓的危險(xiǎn), 也有助于減少室內(nèi)在雷擊時(shí)由于地面電位梯度大而容易對設(shè)備產(chǎn)生高電壓反擊的 危險(xiǎn), 環(huán)形接地體上多點(diǎn)引入機(jī)房更有助于實(shí)現(xiàn)等電位連接。512輻射型地網(wǎng)在已建成的封閉環(huán)形不能達(dá)到接地電阻值要 求, 且在大面積開挖受限制時(shí)可選擇土壤電阻率較 低的方向

14、適當(dāng)輻射延伸接地體, 其特點(diǎn)是某個(gè)方向 的電流泄放速度較快, 但增大了跨步電壓危險(xiǎn)程度, 尤其適用于鐵塔在機(jī)房頂部的基站。513網(wǎng)格狀地網(wǎng)采用網(wǎng)格狀地網(wǎng)結(jié)構(gòu), 以便各地網(wǎng)連接成聯(lián)合 地網(wǎng), 在城區(qū)或上地, 受開挖面積限制, 附近僅能 提供局部區(qū)域使用的基站, 可以采用此種結(jié)構(gòu)。鐵塔地網(wǎng)隔 3 5m 相互焊接連通一次,一個(gè)周邊封閉的地網(wǎng)。以相互組成614輔助地網(wǎng)當(dāng)接地電阻值達(dá)不到要求時(shí), 可擴(kuò)大地網(wǎng)的面 即在地網(wǎng)外圍增加輔助地網(wǎng), 同時(shí)在輔助地網(wǎng)積,之間增設(shè)1 2 圈環(huán)形接地裝置, 輔助地網(wǎng)與環(huán)形接地裝置、 環(huán)形接地裝置與地網(wǎng) (機(jī)房、 鐵塔、 變壓 器) 之間每隔 3 5m 焊接連通一次, 環(huán)形接地裝置 由水平接地體和垂直接地體組成。移動基站地網(wǎng)的組成移動通信基站地網(wǎng)主要由機(jī)房地網(wǎng)、 鐵塔地網(wǎng) 和變壓器地網(wǎng)組成, 此外, 在土壤率較大的地方應(yīng) 結(jié)合實(shí)際增加輔助地網(wǎng), 基站地網(wǎng)應(yīng)充分利用機(jī)房 建筑基礎(chǔ) (含地樁) , 鐵塔基礎(chǔ)內(nèi)的主鋼筋和地下其 他金屬設(shè)施作為接地體的一部分, 當(dāng)鐵塔設(shè)在機(jī)房 房頂、電力變壓器在樓內(nèi)時(shí)其地網(wǎng)可供用機(jī)房地