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2006-3-24 通信世界
摘要:本文針對鐵嶺地理位置、氣候條件,，依據(jù)信產(chǎn)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),、規(guī)范及國內(nèi)一些防雷技術(shù)理論，主要從直擊雷的防護、暫態(tài)過電壓保護及接地三方面著手,，對雷擊不同形式的危害進行綜合防治,，以確保聯(lián)通基站免遭雷擊危害。
關(guān)鍵詞：基站防雷技術(shù) 研究
1 前言
我省年平均雷暴日數(shù)較高,，鐵嶺的年平均雷暴日數(shù)為：26.4日,，屬于中雷擊活動區(qū)。而且經(jīng)過鐵嶺聯(lián)通的幾期工程建設(shè),，新建基站多已位于山區(qū)或郊外較空曠地區(qū),，金屬構(gòu)架的鐵塔由于相對位置較高，是最易引發(fā)雷擊的目標(biāo),，鐵塔一旦遭受雷擊,，基站內(nèi)設(shè)備將位于雷電干擾中心（直擊雷干擾半徑為500m），內(nèi)部引線將產(chǎn)生強烈的電磁感應(yīng),，這種干擾甚至直接作用于基站內(nèi)各種設(shè)備的線路板,，而造成其損壞。另外雷電的電磁感應(yīng),、二次效應(yīng)以及地線的反擊都會對基站內(nèi)設(shè)備造成危害。所以對于高山和野外基站,，作好直擊雷防護至關(guān)重要,。
多年的維護工作，親歷了無數(shù)的基站雷擊的危害,，查閱了大量國內(nèi),、國外有關(guān)技術(shù)資料，結(jié)合工作經(jīng)驗,，以下就談?wù)剬揪C合防雷技術(shù)及應(yīng)用方面的幾點觀點和建議,。還有很多不成熟之處，真誠的希望專家和同行們批評,、指正,。
2 直擊雷的防護（鐵塔頂部防雷保護）
首先談?wù)勚睋衾椎姆雷o。通常的鐵塔采用傳統(tǒng)避雷方法,，其工作原理是通過避雷針一次性較大能量的放電吸引雷電流襲擊避雷針本身,，以其良好的接地把雷電流傳導(dǎo)入地來保護被保護目標(biāo)。然而在避雷針引雷入地的過程中,，被保護范圍附近的電磁場也將發(fā)生迅速的變化,，由于雷電感應(yīng)，機房的線路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓和電流,，對設(shè)備造成損壞,。因此，傳統(tǒng)避雷方法可以有效地保護鐵塔免受直擊雷摧毀,，卻無法減少（甚至加?。┢鋵緝?nèi)設(shè)備的干擾甚至破壞,。另外，地電位必將發(fā)生變化,，這樣就會影響設(shè)備間電位不平衡,，從而造成設(shè)備的損壞或形成反擊。
經(jīng)過多年實踐和摸索,，國內(nèi)已開發(fā)并使用了“導(dǎo)體多短針雷電放散”裝置,。它是通過防止地面電荷的積累及離子化通道的形成，能最大限度地減少雷擊在被保護范圍發(fā)生的幾率,，從而有效地保護基站內(nèi)各種設(shè)備,。
2．1，選型依據(jù)
目前,，業(yè)內(nèi)常用的優(yōu)化避雷針是一種提早電子流發(fā)射避雷裝置,，它引雷后通過阻抗層（電感阻抗層或半導(dǎo)體阻抗層）進行限流，以減少雷擊危害,。這種避雷針雖然可以通過其限流作用,，來減少地線反擊及雷電感應(yīng)的危害，但由于其引雷作用,，卻在另一方面增加了直擊雷在塔上發(fā)生的概率,，從而增加了雷電感應(yīng)對內(nèi)部設(shè)備干擾的次數(shù)。而且這類避雷針在遭雷擊時,，其阻抗層易受雷擊損壞,，因此要在每次雷擊過后進行檢查。
綜上原因,，建議上頂或開闊地帶基站鐵塔采用“導(dǎo)體多短針雷電放散”方式，進行鐵塔直擊雷的防護,。即通過在鐵塔頂部平臺,、避雷針及懸掛天線上加裝導(dǎo)體多短針雷電放散裝置以最大限度地減少直擊雷發(fā)生的幾率?！皩?dǎo)體多短針雷電放散”裝置是美國90年發(fā)明專利,，1997年4月通過美國UL認證，也是目前國內(nèi)唯一通過美國UL認證的防雷系列產(chǎn)品,。
2．2,，導(dǎo)體多短針雷電放散裝置的工作原理
我們都知道：尖端周圍的電場強度越高越容易放電，而電場強度取決于如下因素：
E=Q/4πεr2
由上式不難看出,，相同空氣介質(zhì)條件下,，在電荷量Q一定的情況下，尖端的曲率半徑越小，電場強度越高,?！皩?dǎo)體多短針雷電放散”裝置的放電尖端極細（直徑0.2mm），因此在積累電荷庫侖量很少的情況下,，電場強度就已經(jīng)很高,，尖端開始放電，同時,，“導(dǎo)體多短針雷電放散”裝置的放散電極很多（從幾萬到十幾萬不等）,，又可以保證積聚到塔頂?shù)拇罅侩姾傻玫郊皶r放散，有效地避免電荷的積累,。由于每根針上積累的電荷庫侖量很少,，無法遠距離電氣擊穿，故不易與云層的步進先導(dǎo)接通,，因此不易引發(fā)雷擊,。而雷云是在空中不斷移動的，只要在其移到鐵塔上方的時間,，阻止了雷電離子化通道的形成,，這次雷擊就避免了在被保護目標(biāo)處發(fā)生,。
“導(dǎo)體多短針雷電放散”裝置將傳統(tǒng)避雷針的一個較大的放電尖端,，變?yōu)楹芏鄻O細的放散電極，通過其大量放散電極的小能量,、高頻率的尖端放電，避免地電荷在鐵塔頂部積累,，阻止雷擊離子化通道的形成，避免或減少雷擊形成的可能,。
2．3，導(dǎo)體多短針雷電放散裝置的特點
2．3．1,，放散電極數(shù)量很多,、曲率半徑極小,，可以有效地避免電荷的積累,，最大限度地減少雷擊幾率。
2．3．2,，重量輕、低風(fēng)載、安裝方便,。放散自重小，可以很方便地根據(jù)塔頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)及懸掛情況進行加裝,，不需要對原有的構(gòu)造物進行改造,，安裝十分方便。且放散裝置自身抗風(fēng)能力強,，能抗55米/秒的風(fēng)速,，不會增加鐵塔的風(fēng)載。
2．3．3,，由于通訊塔頂需要保護的設(shè)備較多（如微波天線,、GSM、CDMA天線等）,，按滾球法測算,，安裝于塔頂?shù)膫鹘y(tǒng)避雷針，很難使遠離塔體的GSM,、CDMA天線處于保護范圍之內(nèi),。而配置中的點狀放散裝置可以任意加裝在需要保護的目標(biāo)上（如天線抱桿），確保塔頂所有設(shè)備位于保護范圍之內(nèi),。
2．3．4,，“導(dǎo)體多短針雷電放散”裝置是全金屬結(jié)構(gòu)，減少維護量,，無任何副效應(yīng),。
2．4，導(dǎo)體多短針雷電放散裝置的合理安裝位置
2．4．1,，當(dāng)雷云移到鐵塔上方時，地電荷沿著塔腿向上移動,，將首先到達鐵塔頂部邊沿并在此積累,。配置中的“線狀雷電放散”裝置安裝于塔頂四周，可使地電荷隨時積累隨時放散,，從而降低鐵塔頂部的電勢,，有效地防止直擊雷從塔頂發(fā)生。
2．4．2,，塔頂避雷針?biāo)幬恢米罡?，最易引發(fā)直接雷擊，需在此加裝點狀放散裝置,。
2．4．3,，通信鐵塔所處地理位置較高,，安裝于塔頂頂部的GSM、CDMA天線,、微波天線抱桿同樣有遭受雷擊的可能性,，需在這些部位加裝點狀雷電放散裝置，以避免這些部位引發(fā)雷擊,。
2．5,，導(dǎo)體多短針雷電放散裝置的可靠性
具不完全統(tǒng)計，到目前為止,，國內(nèi)所安裝的“導(dǎo)體多短針雷電放散”裝置,。無一例因使用或安裝及技術(shù)等問題遭受直擊雷（是否遭受直擊雷可從裝置中的放散電極是否完好判定）。
3
感應(yīng)雷防護（站內(nèi)暫態(tài)過電壓保護）
再談?wù)劯袘?yīng)雷電對電子設(shè)備造成的危害,，在基站遭受雷擊的事故中,，有很大一部分是因感應(yīng)雷沿供電線路引入引起的，為防止這類危害的發(fā)生,。經(jīng)過多年試驗的總結(jié),，建議在基站內(nèi)采用分階段保護措施來抑制雷電感應(yīng)和系統(tǒng)操作引起的暫態(tài)過電壓，使設(shè)備免受暫態(tài)過電壓的破壞,。
3．1,，交流系統(tǒng)第一階段防護
在交流線路引入基站后，在主配電盤處加裝通流容量為80KA的暫態(tài)過電壓保護裝置,，以防止感應(yīng)雷沿交流線路引入對站內(nèi)設(shè)備的危害,。這一級的防雷產(chǎn)品因距離設(shè)備較近，除具有大的通流容量外還應(yīng)具備快的反應(yīng)時間,。
這里建議采用每相通流容量為80KA（極限峰值為120KA）的“暫態(tài)過電壓保護”裝置進行這一級防護,。對于市區(qū)或供電電纜埋地引入的其他基站，為盡量降低建設(shè)成本,，也可采用每相通流容量為40KA的“暫態(tài)過電壓保護”裝置進行這一級防護,。
3．1．1，選型依據(jù)：
防雷裝置能否有效地對通訊設(shè)備起到應(yīng)有的保護作用,，關(guān)鍵因素有二個,，一是對雷擊浪涌電流的承受和泄放能力,；二是反應(yīng)時間,。
3．1．1．1，泄流能力的選擇依據(jù)
根據(jù)統(tǒng)計資料,，雷電平均強度為25-40KA,，迄今為止有記錄的最強的雷擊電流為200KA，因此為使絕大部分雷擊引起的浪涌得到有效的抑制,，暫態(tài)過電壓浪涌抑制器的通流容量應(yīng)在40KA以上,。
如果基站地理位置較高,，且交流線路架空引入，雷擊危害將更為嚴重,，所以浪涌抑制器應(yīng)具有更大的泄流能力,。建議采用每相通流容量為80KA(極限峰值120KA)的“暫態(tài)過電壓保護”裝置。
但市區(qū)或供電電纜埋地引入的基站因其遭受直擊雷的幾率較少,，感應(yīng)雷強度較低,，可使用每相通流容量為40KA的“暫態(tài)過電壓保護”裝置。
3．1．1．2,，反應(yīng)時間越短越好
雷擊為大能量,、高頻率放電，這就要求浪涌抑制器要有極快的反應(yīng)速度,，否則浪涌抑制器未及反應(yīng),，浪涌已進入設(shè)備造成通訊設(shè)備損壞。
建議采用具有大的通流容量和快速反應(yīng)時間的產(chǎn)品,。
3．2,，交流線路第二階段防護
在單獨設(shè)備空氣開關(guān)處加裝通流容量為20-40KA暫態(tài)過電壓保護裝置（視該區(qū)域的雷擊強度及鐵塔是否有引發(fā)直擊雷可能確定），以逐級限制過電壓及抑制內(nèi)部線路感應(yīng)及系統(tǒng)操作過電壓,。因開關(guān)電源自身配備的20-40KA的避雷模塊可以滿足這級防護的要求,，在此可不重復(fù)配置。
3．3,，電源系統(tǒng)第三階段保護
對接地電阻較高或山區(qū)的基站,，為防止地線反擊，可在電源設(shè)備的正負極間加裝48V直流浪涌吸收裝置,。
3．4,，天饋線和數(shù)據(jù)線、信號線保護
因天饋線外部具有金屬屏蔽層,，雷電感應(yīng)多集中于此,，因此，如果饋線在塔頂,、塔中和進入基站前多次良好接地,，為減少信號損耗和改善駐波比指標(biāo)，可不加裝饋線避雷器,，而且通訊設(shè)備供應(yīng)商通常已在基站內(nèi)配有饋線避雷器,，可不重復(fù)配置。
4 有效的連接和接地
4．1,，單點接地電位基準(zhǔn)
最后談?wù)勅绾斡行У脑O(shè)備連接和接地,。正確的連接與接地，對防止由于地面的跨步電壓對設(shè)備造成的損害十分重要,。所以,，建議在基站內(nèi)的設(shè)備連接,，采用單點接地技術(shù)以防止這部分危害的發(fā)生。
4．1．1,，所謂單點接地是指：
4．1．1．1,，基站內(nèi)所有設(shè)備的外殼應(yīng)單點接地；
4．1．1．2,，所有進線（交流電源線,、饋線、電話線）在進入基站前應(yīng)實現(xiàn)單點接地,。
4．2,，設(shè)備地線應(yīng)分區(qū)接地
在接地匯流排上應(yīng)將易產(chǎn)生浪涌的設(shè)備（如主配電箱、電源設(shè)備等）地線和易受浪涌干擾的設(shè)備分區(qū)接地以更有效地防止浪涌干擾,。
5 結(jié)束語
雷電會導(dǎo)致多種不同形式的危害,，沒有任何一種產(chǎn)品或技術(shù)可以同時防止雷電所有形式的危害，因此防雷是一項系統(tǒng)工程,，需要從構(gòu)筑物雷電防護,、暫態(tài)過電壓浪涌抑制以及有效的連接和接地等幾方面綜合考慮，才能達到理想的防雷效果,。
參考文獻：1,，信息產(chǎn)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)YD5068《移動通信基站防雷與接地設(shè)計規(guī)范》、2,，信息產(chǎn)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)YD5078《通信工程電源系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)定》,、3，信息產(chǎn)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)YD2011《微波站防雷與接地設(shè)計規(guī)范》
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