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通信(移动)基站雷电及过电压防护设计方案


背景描述

众所周知,雷电具有很强的破坏性,主要有直击雷、雷电感应、雷电波侵入和地电压反击四种形式。由于移动通信基站的天线设备不仅安装在建筑物顶上,而且还有相当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,移动基站常常遭受雷害,导致通信设备损坏、通信中断。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,必须根据每个基站的实际情况设计移动通信基站的防雷系统,实施基站针对性防雷。

挑战与需求

◆ 通信(移动)基站系统雷电电磁脉冲干扰的入侵途径主要为:

1)直击雷:通信(移动)基站的铁塔都是安装在城市高层建筑物的楼顶上和开阔(或旷野的郊区)的地带,在气象条件下是直击雷侵害的首选对象。

2)雷电侵入波:通信(移动)基站系统的电源线、信号传输线或进入基站房的其它金属线缆遭到雷击或被雷电感应时,雷电波沿这些金属导线/导体侵入通信设备,导致高电位差使设备损坏。

3)地电位反击:直击雷防护装置(接闪器安装在通信铁塔的顶端)在引导强大的雷电流流入大地时,在它的引下线(铁塔体)、接地体以及与它们相连接的金属导体上产生非常高的瞬时电压,由于接地电阻的存在引起基站的地电位升高,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,这些设备一端与工作接地相连,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,当超过设备的容许限度时必然造成设备的损坏。地电位反击不仅足以损坏通信设备,也可能造成人身伤害或火灾爆炸事故。

◆ 通信(移动)基站雷电防护思想:

1)直击雷防护措施:通信(移动)基站外部防雷是利用通信铁塔本身为通信(移动)基站提供直击雷防护措施和直击雷雷电流泄流通道体,使直击雷不会直接击在通信(移动)基站的通信设施(设备),外部防雷装置包括三部分:接闪器、引下线、接地装置。

2)雷电感应防护措施:在通信(移动)基站内电源系统、微电子线路和终端设备加装相对应的防雷器(SPD)有效地防护雷电波(电磁脉冲)对传输电缆和通信设备的干扰和侵害。

3)地电位反击措施:把直击雷防护装置的引下线以及防雷器的接地线都必须良好的接地以达到快速泄流的作用并且引下线装置都需连接到公共接地网。

方案与解决

◆ 通信(移动)基站防雷系统结构组成:

1)电源系统装置

2)开关电源输入配电柜

3)集群信号接发器

4)电缆(信号传输)

5)通信(移动)基站设备分布图:

通信(移动)基站设备分布图

◆ 通信(移动)基站系统雷电防护内容:

1)直击雷装置

2)雷电电磁脉冲防护装置

3)泄流装置

◆ 通信(移动)基站雷电及过电压防护措施技术依据:

1)直击雷装置:依据建筑物防雷标准GB50057-2010《附录D:滚球法确定接闪器的保护范围》第D.0.2条技术参数确定接闪器高度的计算公式,作为有效保护半径技术措施。直击雷防护装置材料需符合GB11032-89防雷器材指标要求。

2)雷电电磁脉冲防护装置:根据GB50057-2010建筑物防雷设计规范和GB50343-2012建筑物电子信息系统的防雷设计规范(第5.4.条规定,参照5.4.1-1图、5.4.1-1表和5.4.1-2表、5.4.2条、5.4.2-1表、5.4.2-2表、5.4.3条、5.4.4条、5.4.5条、5.4.6条、5.4.7条、5.4.8条、5.4.9条之技术参数)的要求,在通信(移动)基站电源系统、微电子(信号)系统的线路和终端设备加装相对应的防雷器(SPD)防止传输线路中感应雷的雷电波/流侵害通信设施装置和损害设备及人员的操作安全。

3)泄流装置:依据防雷规范GB50057-2010/GB50343-2012要求设计接地装置的阻抗值,接地装置安装实施流程参照接地装置示意图D501-1~4建筑物防雷设施安装规范。   

◆ 通信(移动)基站雷电及过电压防护具体措施:

1)直击雷防护:直击雷防护装置是通信(移动)基站不可或缺的雷电防护重要基础条件之一,是通信(移动)基站的防雷系统保护不可忽视的组成部分。

2)前端设备直击雷防护:通信(移动)基站前端设备有室外和室内两种,安装在室内的设备一般不会遭受直击雷,而安装于室外的设备,多数处于相对的开阔地带,直击雷风险较大,则必须考虑直击雷防护问题。通信(移动)基站前端设备系统(如集群信号接发器等)应置于接闪器(或其它接闪导体)有效保护范围之内。采用将接闪器架设在通信(移动)基站的铁塔顶端,引下线可直接利用铁塔本身(也可采用Φ12的镀锌圆钢或40×4镀锌扁钢),但为了防止电磁感应,沿铁塔引上布置的线缆(馈线、DV线)应穿金属管沿铁塔内壁敷设,金属管应可靠接地。

3)电源浪涌保护措施:按照电源系统浪涌分级泄放原理和依据GB50057/GB50343防雷规范要求在低压配电房电源装置的电源输入与输出端口、交流电源总配电柜、开关电源配电柜AC端、开关电源配电柜DC端安装相对应的浪涌保护器作为电源线路、机电设备的电涌保护装置。

4)微电子设备信号浪涌保护措施:按照微电子(信号)系统浪涌分级泄放原理和依据GB50343-2012防雷规范第5.5.2条、第5.5.3条、第5.5.4条、第5.5.5条、第5.5.6条、第5.5.7条的技术参数要求在网络设备端口、监控系统设备端口、移动通信系统的设备输入与输出端口安装相对应的信号浪涌保护器作为通信(移动)基站微电子(信号)设备的电涌保护装置。

5)通信(移动)基站传输线路直击雷防护:为了使传输线路免遭直击雷的侵害,传输线路应尽量避免架空敷设,最好是穿金属管埋地敷设,金属管的两端应可靠接地。

6)通信(移动)基站设备机房直击雷防护:通信(移动)基站终端设备机房所在建筑物应采取直击雷的防护措施,可采用φ10的圆钢(刷银粉漆)在楼顶构筑接闪带,另外用φ10的圆钢做接闪带支撑,支撑高度15cm,每隔1m设一个支撑,并用40×4mm的镀锌扁钢作为引下线与地网(地网电阻应小于10Ω)连接,引下线的间距应不大于25米(或采用接闪器作为直击雷防护措施,用40×4mm的镀锌扁钢作为引下线与地网连接,接闪器的高度、安装位置应根据滚球法进行计算)。

7)通信(移动)基站防雷接地系统:通信(移动)基站防雷系统所有防雷装置系统均应有可靠、有效的接地,接地系统亦是通信(移动)基站防雷保护的必要组成部分之一(通信基站设备系统前端、终端设备均应有良好的防雷接地,相应接地系统应符合规范要求。无论前端还是终端设备的接地系统相互之间应做等电位连接)。

8)通信(移动)基站敷设布线注意事宜:许多布线人员因对防雷知识了解有限或者图简单方便,习惯于将户外走线线路与建筑物接闪带、引下线(铁塔塔体)相互捆绑。方便了工程施工与影响美观的同时,也带来了较大的防雷安全隐患。这一点是值得重视和注意的(为减小雷害风险,任何导线/金属线路均应尽可能避免与直击雷防护系统平行捆扎,而应依有关规范要求合理布线)。

◆方案实施(产品选型)

◆ 直击雷防护装置

1)GFL系列接闪塔

2)普通接闪器

3)优化接闪器

4)提前放电接闪器

◆ 泄流(接地)装置

1)铜包钢接地极

2)离子接地极

3)石墨接地模块

4)等电位连接器

◆ 雷电电磁脉冲防护装置(SPD)

序号材料名称规格型号安装位置
1电源防雷器电源第一级低压侧电源总装置负荷
2电源防雷器电源第二级交流电源总配电柜
3电源防雷器电源第三极开关电源配电柜AC端
4电源防雷器电源第四级开关电源配电柜DC端
5天馈防雷器信号单级馈线接口处
6天馈防雷器信号单级馈线接口处


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