移動通信基站的聯合接地系統及電源防雷系統

移動通信基站整體防雷解決方案篇幅較長,這里從主要的聯合接地及電源系統兩方面來講解基站防雷。

一、移動通信基站的聯合接地系統

1      接地
術語
(1)   環形接地裝置
 圍繞移動通信基站機房四周,按規定深度埋設于地下的封閉環形接地體(含垂直接地體)。 
(2)   接地體
埋入地下并直接與大地接觸的導體。
(3)   接地匯集線
引出機房、電力室等各種接地線的公共接地母線。
(4)   接地引入線
接地匯集線與接地體之間的連接線。
(5)   接地線
通信設備與接地匯集線之間的連線。
(6)   接地系統
接地線、接地匯集線、接地引入線以及接地體的總和。  

2          接地的目的
(1)     接地是為了防止電磁干擾起屏蔽作用;
(2)     接地是為了泄放過電壓以保護設備和人身安全;
(3)     接地是為了起著工作回路的作用;
(4)     接地是為了給通信設備提供零電位參考點。

3          地網的組成
1)移動通信基站應按均壓、等電位的原理,將工作地、保護地和防雷地組成一個聯合接地網。站內各類接地線應從接地匯集線或接地網上分別引入。

2)移動通信基站地網由機房地網、鐵塔地網和變壓器地網組成,地網的組成如下圖所示。基站地網應充分利用機房建筑物的基礎(含地樁)、鐵塔基礎內的主鋼筋和地下其他金屬設施作為接地體的一部分。當鐵塔設在機房房頂,電力變壓器設在機房樓內時,其地網可合用機房地網。

3)機房地網組成:機房地網應沿機房建筑物散水點外設環形接地裝置,同時還應利用機房建筑物基礎橫豎梁內兩根以上主鋼筋共同組成機房地網。當機房建筑物基礎有地樁時,應將地樁內兩根以上主鋼筋與機房地網焊接連通。當機房設有防靜電地板時,應在地板下圍繞機房敷設閉合環形接地線,作為地板金屬支架的接地引線排,其材料為銅導線,截面積應不小于50mm2,并從接地匯集線上引出不少于二根截面積為50~75mm2的銅質接地線與引線排的南、北或東、西側連通。

4)對于利用商品房作機房的移動通信基站,應盡量找出建筑防雷接地網或其他專用地網,并就近再設一組地網,三者相互在地下焊接連通,有困難時也可在地面上可見部分焊接成一體作為機房地網。找不到原有地網時,應因地制宜就近設一組地網作為機房工作地、保護地和鐵塔防雷地。工作地及防雷地在地網上的引接點相互距離不應小于5m,鐵塔尚應與建筑物避雷帶就近兩處以上連通。

5)鐵塔地網的組成:當通信鐵塔位于機房旁邊時,鐵塔地網應延伸到塔基四腳外1.5m遠的范圍,網格尺寸不應大于3m×6m,其周邊為封閉式,同時還要利用塔基地樁內兩根以上主鋼筋作為鐵塔地網的垂直接地體,鐵塔地網與機房地網之間應每隔3~5m相互焊接連通一次,連接點不應少于兩點。
 當通信鐵塔位于機房屋頂時,鐵塔四腳應與樓頂避雷帶就近不少于兩處焊接連通,同時宜在機房地網四角設置輻射式接地體,以利雷電流散流。

6)變壓器地網的組成:當電力變壓器設置在機房內時,其地網可合用機房及鐵塔地網組成的聯合地網;當電力變壓器設置在機房外,且距機房地網邊緣30m以內時,變壓器地網與機房地網或鐵塔地網之間,應每隔3~5m相互焊接連通一次(至少有兩處連通),以相互組成一個周邊封閉的地網。

7)當地網的接地電阻值達不到要求時,可擴大地網的面積,即在地網外圍增設1圈或2圈環形接地裝置。環形接地裝置由水平接地體和垂直接地體組成,水平接地體周邊為封閉式,水平接地體與地網宜在同一水平面上,環形接地裝置與地網之間以及環形接地裝置之間應每隔3~5m相互焊接連通一次;也可在鐵塔四角設置輻射式延伸接地體,延伸接地體的長度宜限制在10~30m以內。

4      接地體
1)          接地體宜采用熱鍍鋅鋼材,其規格要求如下:
鋼管  φ50mm,壁厚不應小于3.5mm。
角鋼  不應小于50×50×5mm。
扁鋼  不應小于40×4mm。

2)垂直接地體長度宜為1.5~2.5m,垂直接地體間距為其自身長度的1.5~2倍。若遇到土壤電阻率不均勻的地方,下層的土壤電阻率低,可以適當加長。當垂直接地體埋設有困難時,可設多根環形水平接地體,彼此間隔為1~1.5m,且應每隔3~5m相互焊接連通一次。

3)在沿海鹽堿腐蝕性較強或大地電阻率較高難以達到接地電阻要求的地區,接地體宜采用具有耐腐、保濕性能好的非金屬接地體。

4)接地體之間所有焊接點,除澆柱在混凝土中的以外,均應進行防腐處理。接地裝置的焊接長度:對扁鋼為寬邊的2倍,對圓鋼為其直徑的10倍。

5)接地體的上端距地面不應小于0.7m,在寒冷地區,接地體應埋設在凍土層以下。安迅防雷www.goqg.icu

5          接地線和接地引入線
1)接地線宜短、直,截面積為35~95mm2,材料為多股銅線。
2)接地引入線長度不宜超過30m,其材料為鍍鋅扁鋼,截面積不宜小于40mm×4mm或不小于95mm2的多股銅線。接地引入線應作防腐、絕緣處理,并不得在暖氣地溝內布放,埋設時應避開污水管道和水溝,裸露在地面以上部分,應有防止機械損傷的措施。
3)接地引入線由地網中心部位就近引出與機房內接地匯集線連通,對于新建站不應小于兩根。

6         接地匯集線
1)接地匯集線一般設計成環形或排狀,材料為銅材,截面積不應小于120mm2,也可采用相同電阻值的鍍鋅扁鋼。
2)機房內的接地匯集線可安裝在地槽內、墻面或走線架上,接地匯集線應與建筑鋼筋保持絕緣。

7          接地電阻
1)移動通信基站地網的接地電阻值應小于5Ω,對于年雷暴日小于20天的地區,接地電阻值可小于10Ω。
2)架空電力線與電力電纜接口處的保護接地以及電力變壓器(10kVA以下)保護接地的接地電阻值應小于10Ω。
3)架空電力線上方的避雷線及增裝在高壓線上的避雷器的接地電阻值,其首端(即進站端)應小于10Ω,中間或末端應小于30Ω。

5          移動基站接地地網接地電阻值的測量
電流極與接地網邊緣之間的距離為d13,一般取接地網最大對角線長度D的4~5倍,以使其間的電位分布出現一平緩區域。在一般情況下,電壓極到接地網的距離約為電流極到接地網的距離的50%~60%。測量時,沿接地網和電流極的連線移動三次,每次移動距離為d13的5%左右,如三次測得值接近即可。

若d13取4~5D有困難,在土壤電阻率較均勻的地區,可取2D,D12取D;在土壤電阻率不均勻的地區或城區,d13可取3D,d12取值1.7D。
電壓極、電流極也可采用三角形布置方法。一般d12=d13>2D,夾角 θ=29°≈30°。

電流極和電壓極應可靠接地,如果接地不良,甚至晃動而致與土壤形成空氣間隙,則可能導致較大的誤差。
兩種測試方法具體如圖1、圖2所示。


9  移動基站防雷接地存在的問題及可能造成的影響
1) 由于基站通信的電波傳播為直線傳播,因此要求基站建在較高的地方,相對周圍環境而言,形成一個十分突出的目標,從而導致基站易遭受雷擊,因此損壞通信設備,中斷通信的事故時有發生,尤其雷暴日高的地區更為嚴重,有的基站直接經濟損失幾十甚至上百萬元。根據實地調查,各地的防雷接地通常存在以下問題:
 
(1)強、弱地線串用
a. 鐵塔避雷針接地線與機房接地匯集線共用一根接地引入線與地網相連。當鐵塔避雷針遭受雷擊時,大量的瞬間雷電流就會沿著鐵塔接地線進入到機房設備中,造成設備因雷擊過電壓而損壞。
b. 鐵塔避雷針接地線與機房接地匯集線雖然經各自的接地引入線與地網連通。但兩根接地引入線在地網上的入地點相同,沒有拉開5米以上的距離。可能產生的影響是當鐵塔避雷針遭受雷擊時,大量的瞬間雷電流沿著接地引入線泄放到地網時,入地點的電位驟然上升,機房通信設備因地電壓的高位反擊而損壞。
c. 天饋線的第一或第三外屏蔽接地線接到了機房內的接地匯集線上。此時天饋線上感應過電壓也會損壞機房內的設備。
d. 有的基站機房內通信設備保護接地不規范,直接與屋頂女兒墻上的避
e. 有的基站機房內通信設備保護接地不規范,直接與屋頂女兒墻上的避雷帶相連,其后果與a相同,并且接地電阻太大。安迅防雷www.goqg.icu
 
(2)接地不完善
a. 天饋線進入機房前其外屏蔽層沒有接地;
b. 天線鐵塔接地和機房接地沒有形成聯合接地,兩者之間存在地電位差,易造成地電位反擊損壞機房設備;
c. 有的基站鐵塔接地不規范,只用一根扁鐵從鐵塔一個角與機房建筑搭在一起,而且與地網之間電氣也沒連通;
d. 有的基站機房屋頂上所有金屬突出物沒有和女兒墻上避雷帶電氣連通;
e. 有的基站鐵塔高為70米,天饋線中段屏蔽層和在機房入口處的外屏蔽層都沒有接地。
 
(3)有的接地引線和螺絲擰在一起,而且螺絲已生銹,造成接地不可靠沒有達到接地的要求;
 
(4)有的基站鐵塔上避雷針尺寸不符合規范要求,應嚴格按照滾球法計算其尺寸。
 
2) 上述情況均不符合防雷要求,會在雷擊中引起損失。當基站遭受雷擊時,可能對基站造成危害的主要部位有:
(1)基站收發信機的饋線入口;
(2)基站收發信機的電源入口;
(3)基站所有電源設備將會受到危害;
(4)中繼傳輸設備和通信電纜接口;
(5)有線中繼線路。
 
10 充分理解規范,因地制宜實施防雷接地工程
 
由于各基站的環境和建設方式不同,所以對基站防雷接地不能一概而論,應根據具體情況采取防雷與接地措施,將基站接地系統按照均壓等電位的原理進行設計和改造,即通信設備的工作地、保護地、防雷地、建筑地合用一組接地體的聯合接地方式,將接地線和接地引入線按照“共地不共線,一點接地法”的原則進行合理布線。根據不同情況,具體分析如下:
1)樓頂建鐵塔,機房所在建筑物女兒墻上有避雷帶,市電引入機房
 
(1)由于移動基站租用商品房或民房情況較普遍,此種情況占到全部基站的60-70%。
    首先在樓頂鐵塔的基腳處南北或東西方向置180°兩處與樓頂避雷帶相連,連接材料為40×4mm鍍鋅扁鋼,利用建筑主鋼筋多處泄放雷電流,并在樓下合適的位置建一地網,地網建成以后利用扁鋼與建筑主鋼筋兩處焊接組成聯合地網,從地網相距5m以上的位置抽兩個頭引出地面1.5m處做斷接點,分別作為避雷針、機房工作保護接地引入線的接地點,機房內設置設備工作保護接地匯集線,其接地引入線接機房工作保護接地點;雷電流引下線下端接避雷針接地點,上端在樓頂與樓頂接地匯集線相連。接地引入線采用40×4mm鍍鋅扁鋼或95mm2多股銅芯線。

 
鐵塔上避雷針接地線,基站同軸電纜饋線的金屬外屏蔽層的上部、下部接地線均與樓頂接地匯集線相連,同軸電纜饋線的金屬外屏蔽層的下部接地也可就近與鐵塔中部相連。外屏蔽在機房入口處的接地與機房工作保護接地點引出的接地線妥善連通,接地線材料可采用35mm2銅芯線。同軸電纜線進入機房后與通信設備連接處安裝饋線避雷器,饋線避雷器接地端子接到室外入口處饋線屏蔽接地線上,接地線為≥6mm2銅芯線。機房內的交流配電箱處應三相五線或單相三線,其中的PE線接配電箱及電源避雷器。機房內-24V直流避雷器的接地線接機房工作保護接地匯集線。
機房內設備的工作接地、保護接地及走線架共用一個室內接地匯集線。如下圖所示。

(2)對于利用商品房作機房的移動通信基站。
此建筑有防雷接地網或其他專用地網(如廣播電視系統接地網或固定接入網的接地網),應就近再設一組地網,三者相互在地下焊接連通,有困難時也可在地網上可見部分焊接成一體作為機房地,其它方面與(1)相同。如原專用地網與基站新建地網邊緣相距>20米以上,并且連接有困難,可以不作連接處理。

(3)對于鐵塔建在機房所在建筑頂端,樓頂女兒墻上沒有避雷帶(此種情況只占極少數)。
應在鐵塔基腳兩處成180°引接地線與地網環形接地裝置相連,使鐵塔多處泄放雷電流,連接材料可采用40×4mm熱鍍鋅扁鋼或ф12圓鋼。如在樓下設置環形接地裝置有困難,可在鐵塔接地線的入地點分別建簡易地網,地網地阻值應≤10Ω,并使其中一個簡易地網與機房地網相連,其他情況與(1)同。
 
2)獨立鐵塔
 
(1)由于租用的民房本身只有一層,而其房頂不宜建鐵塔,將鐵塔建在附近山坡上,而鐵塔與機房相距一定的距離。
此時,鐵塔地網應延伸到塔基四腳1.5m遠的范圍,網格尺寸不應大于3m×3m,其周邊為封閉式,同時還要利用塔基地樁內兩根以上主鋼筋作為鐵塔地網的垂直接地體,鐵塔地網與地網之間應每隔3~5m相互焊接連通一次,連接點不應不少于兩點。鐵塔避雷針接地,饋線金屬外層的上部、下部接地就近接入鐵塔地網,饋線金屬外護層在入機房前處的接地線與機房地網相連,而天饋避雷器接地線就近與入機房前饋線金屬外護層接地線相連,其他部分與樓頂塔(1)相同。


(2)通信鐵塔位于機房建筑旁。鐵塔尚應與建筑物避雷帶就近兩處以上連接,其他部分與上同,具體見示意圖。
3) 沒有設鐵塔的移動基站由于機房所在建筑物本身具有相當的高度,周圍沒有其他高大建筑物,而且所需覆蓋的范圍有限或建此基站的初衷是為增加信道,所以將天線面包板架設在建筑物四周的女兒墻上。
利用安放在樓頂平臺中央位置的優化避雷針防止直接雷擊,避雷針的基座應與樓頂避雷帶就近不少于兩處焊接連通,避雷針接地線、饋線金屬外護層的上部、下部接地線與樓頂接地匯集線相連。其它部分與樓頂塔(1)相同,


二 、移動通信基站電源防雷系統
通信局(站)的電源是整個設備正常工作的能源保證,因此,電源系統的防雷保護措施是相當關鍵和必要的環節。
首先,通信局(站)的供電體制應采用TN-S(三相五線)制。由于局(站)內供電大多采用交流市電主供電、油機及電瓶作輔助供電的方式,因此,電源防雷首先要從外部輸電線路開始。
參照YD5078-98《通信工程電源系統防雷技術規定》的條款5《通信電源系統防雷措施》中的條款5.1《電力線路防雷措施》,首先需在電力線路上方架設避雷線,并在避雷線(除終端桿處)每桿作一次接地,或在電力線路終端桿及其前第一、第三或第二、第四桿增設避雷器,同時在第三桿或第四桿增設高壓保險絲,然后電力電纜或工頻低壓配電線應選用帶金屬鎧裝層或其他護套電纜穿鋼管埋地引入局(站),其中電力變壓器高,低壓側均應各裝一組避雷器。
根據條款3.0.1,綜合通信局(站)的電源系統如圖1所示:

  注:A、B、C、D、E即為避雷器安裝位置。

其中,根據設備安裝地點條件和額定工作電壓的不同,參照條款4.0.2,通信工程電源系統設備按耐雷電沖擊指標可分為5類,參照條款4.0.3及IEC1312-1.2.3《雷電電磁脈沖及其防護》通信工程電源系統耐雷電沖擊指標,根據相應設備的耐壓情況來選擇避雷器的參數,下面就每級設備作具體闡述:

5類設備:
在交流穩壓器的輸入端采用安迅AM120系列浪涌保護器作為第一級防雷保護器
4類設備:
在市電、油機轉換屏、交流配電屏,低壓配電屏的輸入端采用安迅AM80系列浪涌保護器作為第二級防雷保護
3類設備:
在整流器及交流不間斷電源(UPS)輸入端采用AM40系列浪涌保護器,作為限壓設備
2類設備:
在直流配電屏的輸出端采用AM20-48,作為限壓設備,詳細參數見下表
1類設備:
在通信設備機架交、直流電源輸入口及DC/AC,DC/DC變換器的輸入口采用AM40、AM20-24、AM20-48,作為限壓設備

基站設備在選擇電源浪涌保護器時,應根據現場實際供電情況配以相應的三相、單相或直流浪涌保護器。
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