通信基站防雷设计方案

移动防雷设计1.1设计思想1.1.1通信基站的特点移动通信基站通常具有以下几个特点：①地理位置：在城区通常设在高大建筑物的较高楼层上，在郊区和乡村经常设在开阔地带或山区。②机房条件：无论是在城区还是在乡村，大量建在非专用通信建筑内，这些建筑往往不具备符合要求的防雷实施（包括外部防雷装置、内部防雷装置和地网等）。此外，机房面积一般都很小，不便于多级防雷方案的实施。③交流电源：特别是在乡村和山区，机房的交流供电通常是由户外架空引入。④通信信号：基站设备的通信线路通常也是由户外架空引入。1.1.2基站综合防雷设计思想移动通信基站是由电源系统，接收／发射系统，天线馈线系统以及中继传输系统等构成的一个综合系统，防雷的目的是保证各系统都能正常工作，不受雷电的干扰和破坏。防雷最终是通过等电位连接实现的，等电位连接的位置选择在不同防雷区的界面上，而雷击的能量通过接地系统引入大地。不同防雷区之间的电磁强度不同，除直击区外内部防雷区因电磁衰减而与外部防雷区的雷击电磁强度不一样。因此，采取适当的屏蔽措施，在一定程度上可以防止雷电电磁脉冲的进入。那么，穿越防雷区界面的线路变成了雷电侵入的主要通道。做好穿越防雷区界面线路的防雷工作，无疑是整体防雷的重点。除了线路入侵和电磁感应之外，雷电电磁脉冲进入内部防雷区的渠道还有接地系统。当雷击发生在地网附近时，雷电流通过接地线入地，地网瞬间的高电位可能通过接地线反击设备而造成破坏。由此可以得出，综合防雷不仅仅包括避雷针和避雷器，还包括屏蔽与接地等其他有助于将雷电流安全合理地下泄到大地的措施。综合防雷是分流、均压、接地和屏蔽四项技术的综合。而有的基站为非标准机房，只是租借的普通建筑物，屏蔽和接地措施无法达到要求，再整改加强屏蔽不大现实。这时，只有从合理安装避雷器，改善接地系统等角度入手来解决雷击电磁脉冲问题。依照全面防护，综合治理的原则，探索出基站整体防雷的六点解决方案。①控制雷击点；②安全引导雷电流入地网；③加设完善的低阻抗地网；④进行等电位连接，避免地电位反击；⑤防护电源浪涌冲击；⑥防护数据线、通信线及信号线的浪涌冲击；1.2设计方案每个基站的铁塔顶部安装一台优化避雷器，保护通信天线和机房外部设施。每根天馈线在机房入口处，安装天馈避雷器，保护收/发机的天馈线接口。220/380V供电线路应从地下敷设进入基站，进站后应安装2-3级电源雷电过电压保护装置——电源避雷器，保护供电线路的雷电安全，直流电源安装一级低压电源避雷器。信号电缆应由地下进出移动通信基站，电缆内芯线在进站处应加装信号避雷器。移动通信基站应按均压、等电位的原理，将工作地、保护地和防雷地组成一个联合接地网。站内各类接地线应从接地汇集线或地网上分别引入。中光公司的非金属接地模块，在地电阻率较高难以达到接地电阻要求的基站，用来改造地网效果较好。2雷电基本理论与避雷原理2.1雷电基本理论2.1.1雷击通常所谓雷击是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者是带电的云层与大地之间的迅猛的放电。通常雷击有三种形式：其一是直击雷，是指带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。其二是感应雷，是带电云层由于静电感应作用，使地面某一范围内带上异种电荷。当直击雷发生以后，云层带电迅速消失，而地面上某些范围由于散流电阻大，以致出现局部高电压，或者由于直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压以致发生闪击的现象。其三是球形雷，在雷电频繁的雷雨天，偶然会发现紫色，红色，灰红色，蓝色的“火球”。这些火球有时从天空降落，然后又在空中或沿地面水平方向移动，有时平移有时滚动。这种火球能通过烟囱，开着的窗户，门和其它缝隙进入室内，或者无声地消失，或者发出丝丝的声音，或者发生剧烈的爆炸。球形雷发生的机会很少，存在时间又十分短暂，所以对它的研究十分困难，它的成因目前为止并没有完满的解释。2.1.2雷电的电流参数雷电流幅值：雷云的放电过程中数值是变化的，在雷电先导中雷电流很小，到主放电阶段雷电流急剧升高，达到最大值，称为雷电流幅值，用I表示，单位为kA，以后逐渐减少，到余辉放电阶段雷电流仅为100～1000A。大量统计得知，幅值超过20kA的雷电流出现的概率为65%，而超过120kA的概率只有7%，所以很高的雷电流只有在特别重要的电气设备或建筑物的防雷设计中才需要考虑，一般防雷设计中雷电流的最大幅值取150kA。雷电流陡度：雷电流陡度为α，为雷电流变化的速度，即α＝di／dt，为雷电流对时间的微分，因此雷电流陡度也是随时间而变化的。在主放电阶段，雷电流陡度的数值增加很快，以后就逐惭减小，当雷电流到达幅值时，雷电流陡度为零，在波尾它就变为负了。因此，雷电流幅值与雷电流最大陡度不在同一时间出现，但雷电流愈大，则雷电流陡度越大。雷云的电位可达10～100MV，它造成的雷云内部平均电场为10KV／m。当雷云接近地面局部场强达10～3KV／cm时，就会使空气游离而放电。雷电波阻抗：在计算雷击点的电位时，往往引用雷道波阻抗的概念。即把直击雷的作用以某一沿着一条阻抗等于雷道波阻抗Z0的线路波动的电压波，投射到闪击对象上的作用来代替。在作防雷计算时，一般取雷道波阻抗Z0＝300Ω。2.2避雷器原理与要求2.2.1避雷器保护原理各种电气设备的绝缘都是按一定的耐受电压水平来设计的，为了设备的安全，需要对超过耐受度的过电压加以抑制，将过电压降低到绝缘耐受压范围以内，这种过电压抑制装置通常是避雷器。避雷器的保护动作特性是通过其动作电压体现出来的，当避雷器两端电压低于动作电压时，避雷器呈现近似开路，当避雷器两端电压达到和超过动作电压时，它将导通，对过电压实施抑制。避雷器设置在被保护设备附近，安装在相导线与地之间，与被保护设备并联，如图1所示。在系统正常运行情况下，作用于避雷器两端的电压为系统的相对地工作电压，低于动作电压，避雷器处于开路状态，此时避雷器的存在不会影响到系统的正常运行。如果雷电过电压波沿线路侵入电气设备，则作用在避雷器两端的电压会明显高于动作电压，使避雷器导通，通过很大的冲击电流，向大地泄放雷电过电压的能量，并将雷电过电压降低到被保护设备绝缘可以耐受的限度内。电力系统中采用的避雷器主要有阀式避雷器，氧化锌避雷器，保护间隙和管型避雷器，其中有些避雷器还被用于抑制系统操作过电压。雷电波侵入避雷器被保护设备2.2.2对避雷器的基本要求避雷器并联与被保护设备附近，为了使设备能够得到可靠保护，它应满足以下技术要求:1）电气设备冲击绝缘强度是以伏秒特性，即击穿电压值与击穿放电延时之间的关系特性来表示的。当受到雷电过电压作用时，与被保护设备并联的避雷器应能率先动作限压，保护设备的安全，这一要求可以通过避雷器与设备之间的伏秒特性配合来满足。实际上，由于击穿过程的随机性，击穿电压具有明显的分散性，实测的伏秒特性是一条曲线带，有一个下限边界和一个上限边界，如图2所示，要实现较为理想的配合，避雷器伏秒特性带（2）的上限边界应低于被保护设备伏秒特性带（1）的下限边界，而其下限边界应高于系统最高运行电压（3）。图1避雷器保护电器设备示意图tu1232）避雷器应具有较强的绝缘强度自恢复能力在雷电过电压作用下，避雷器开始动作导通后，就形成了相导线对地的近似短路。由于雷电过电压持续时间很短，当避雷器两端的过电压消失后，系统正常运行电压又继续作用在避雷器两端，在这一正常运行电压作用下，处于导通状态的避雷器中继续流过工频接地电流，该电流称为工频续流。工频续流的存在一方面使相导线对地的短路状态继续维持，系统无法恢复正常运行，另一方面也会使避雷器自身受到损坏。为此，避雷器应具备较强的绝缘强度自恢复能力，应能在雷电过电压消失后工频续流的第一次过零时自行切断工频续流，系统将恢复正常的运行。3直击雷防护设计3.1接闪器原理到目前为止防避直击雷都是采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网作为接闪器，把雷电流收下来，然后通过良好的接地装置迅速而安全地把它送回大地。当高空中出现雷云的时候，大地上由于静电感应作用，必然带上与雷云相反的电荷，然而接闪器都处于地面上建筑物的最高处，与雷云的距离最近，以致接闪设备附近空间电场强度相对比较大，比较容易吸引雷电先驱，使主放电集中在它上面，因而在它附近尤其是比它低的物体受雷击的几率就大大减少。由于接闪器都与大地有良好的电气连接，使大地积存的电荷能量迅速与雷云的电荷中和。这样由雷击而造成的过电压的时间大大的缩短，雷击危害性就大大减少。雷击的时候，雷云通过接闪器向大地放电的过程，可以近似用RC放电过程来模拟。因为大地与雷云之间相当于一个充了电的电容器，如图3所示。图2伏秒特性的配合接地电阻避雷针避雷针引线UcUc----++++R1R2i由上式可以看出，当t＝0时，A＝Uc为最大值，所以A就是刚刚发生闪击那一瞬间接闪器对大地的电压，也就是雷云对大地的电压。并且R越小，Uc衰减的越快，表示雷击时散流得越快。雷云时电源的电阻包括主放电通道的电阻，大约几千Ω，如果我们把带电的雷云当作电源，接闪器到大地看作是负载。那么，放电的时候就相当地一个有几千Ω内阻的电源，与一个仅有几Ω接地电阻和少许引线的阻抗的负载连接，这电源一般为几百V到几千万V，甚至更高。雷击时接闪器对大地的电压就是雷云的电压，在雷云内阻（包括通道电阻）与接地电阻（包括引线电阻）间分压，其分压值越小，相对来讲就越安全。所以理论上要求避雷装置接地电阻越小越好，但-------++++++++-----图3雷击时雷云与大地的示意图iR－Uc＝0R＝R1＋R2其中R1：雷云内部和雷电通道的电阻；R2：接闪器和它与大地之间的连接电阻。又因解此微分方程得：Uc＝A图4雷击时的电气原理是如果要求做到接地电阻很小，势必造价很高。工程上往往只要求做到足够安全范围即可。3.2避雷针保护范围计算我国建筑防雷规范GB50057－94中规定采用“滚球法”作接闪器保护范围的计算。所谓“滚球法”是指某一定半径的球体，在装有接闪器的建筑物上滚过，滚球被建筑物上所装的接闪器撑起，这时球体的弧与建筑物之间的范围，便是该接闪器避雷范围。接我国规范规定，根据建筑物被雷击后引起后果的严重程度，把建筑物分为三大类型，分别选择从30～60m不同的滚球予以计算。如图5为单支避雷针的保护范围图。hrhrhrhAXXhxrxB由图5可确定单支避雷针的保护范围1.当避雷针高度h≤hr时：（hr为滚球半径）（1）距地面hr处作一平行于地面的平行线；（2）以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线于A、B两点；（3）分别以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切。从此弧线起到地面上就是保护范围。保护范围是一个对称的锥体；（4）避雷针在hr高度的xx′平面上的保护半径，按下列方法确定；：hrhrhrhhxrxBCOPQ图6单支避雷针rx与hr，hx的关系图图5单支避雷针保护范围可按上面的要求画出xr与hr，hx，h之间的关系，如图6所示。图中由Rt△BOP知：22()=OPhhhrrx--由Rt△QCB知：22(h)=CBhhrr--=CB-OPxr2222222h2hhhhhhhhhrrrrrrxx=h(2h)(2)hhhhxrxrxr其中：xr为避雷针在hx高度的xx′平面上的保护半径，m；hr为滚球半径，m；hx为被保护物的高度，m。2.当h＞hr时，在避雷针上取高度hr的一点代替单支避雷针针尖作为圆心。其余作法同上。3.3直击雷防护检测建在城市市区的基站遵照三类建筑物的直击防护标准，建在旷野或高山上的基站，按二类防雷建筑物直击雷防护标准。根据通信基站的特点，初步对通信基站的直击雷防护提出以下要求：根据YD5068-98移动通信基站防雷与接地设计规范中3．2和4．3条中规定可知塔顶应安装避雷针，发射天线、航空标志灯等设施都应在其保护范围之内，金属塔体可作为引下线。如另外加设引下线应采用不小于40mm×4mm的镀锌或50mm的铜铰线。铁塔的四脚均应与地连接。建筑物天面上的通讯塔应至少有相对称的两点与建筑物的避雷带连接。3.