结合IEC 61312规范 浅谈移动基站整体防雷

摘要：本文将IEC的指导原则应用到实践中，通过实际运行效果验证IEC的理论的可行性和正确性。

关键词：雷击电磁脉冲，接地，等电位连接，整体防雷，分级防雷

一、 引言

笔者长期工作在广东移动运行维护工作第一线，在工作中，经常遇到雷击损坏设备事故，其中，电源设备或电源附属设备的损坏占了大多数。在长期的防雷工作中，笔者对基站的防雷问题进行了大量的实践和调查研究。雷击造成损坏的原因是多样的，除了自然条件影响雷击的频率与程度之外，防雷基础设施不足以及理论指导依据的偏差也是影响防雷工作的重要原因。
　　早期的防雷工作只是简单地安装一些外部防雷设施，部分基站安装了避雷器，而忽略了接地建设和屏蔽、等电位连接等措施，其结果是可想而知的。后来随着IEC规范的引入，根据其指导原则，灵活运用各种方法手段，最终较好地解决了基站雷击的问题。

二、移动通信基站整体防雷概念

移动基站是由电源系统、接收发射系统、天馈线系统、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。
　　IEC的导则指出，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。根据IEC 61312防雷分区的概念可以知道，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，作好屏蔽措施，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就成了雷击的主要通道。作好穿越防雷区的线路上的防雷，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。当雷击在地网附近，雷电流通过接地线下地，地网瞬间的高电位可能通过接地线反击设备，造成破坏。由此可以得出，综合防雷不仅仅包括避雷针和电源避雷器，还包括屏蔽与接地等其它有助于减少电磁强度的措施。
　　IEC /TC-81将整体防雷总结为：D-B-S-E技术，即分流（Dividing）、均压（Bonding）、接地（Earthing）、屏蔽（Shielding）四项技术的综合。只要综合考虑四项措施，严格符合基站防雷接地规范，就能起到理想的防护效果。
　　在工程实施中，四项核心技术必须贯穿始终。而有的基站为非标准机房，只是租借的普通民房，屏蔽和接地措施无法达到要求，再整改加强屏蔽不大现实，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。
　　笔者根据自己长期的工作经验，依照全面防护、综合治理的原则，摸索出基站整体防雷的以下“六点解决方案”(如图一所示)。
　　1、 控制雷击点
　　2、 安全引导雷电入地网
　　3、 完善的低阻抗地网
　　4、 做好等电位连接，避免地电位反击
　　5、 电源浪涌冲击的防护
　　6、 数据、通讯及信号线浪涌冲击的防护

 图一　综合防雷六点解决方案

三、 接地系统

在整个防雷系统中，接地系统是一个基本前提，只有具备了良好的接地系统，防雷设施才能真正发挥作用。所以，接地系统的建设是所有防雷工作的基础。

基站的接地主要分为保护接地和工作接地，而现行规范强调联合接地，与IEC的指导思想是相符合的，只有采用联合接地，才能实现真正意义上的等电位，而联合接地就是等电位连接的参考点。

理想的接地装置是没有电阻的，这样对人和设备都是安全的，因为接地系统上的任一点对地的电势差为零。但这样的接地系统是不存在的，只能设法将接地电阻尽量减小。

移动通信基站所处的环境决定了基站的接地电阻不可能全部做到很小，现行基站接地规范要求工频接地电阻在5欧姆以内。从雷击瞬间的电势差来说，5欧姆的电阻仍然显得很大，但相当一部分基站还无法达到这一要求。因此防雷是靠瞬间的等电位来实现保护，而不是通过接地系统衰减雷击能量。为了实现等电位，除了降低接地电阻，接地网的建设方式和室内接地的处理都很关键。经验表明，封闭环行结构的接地体有助于降低地面电位梯度和降低地电位反击的强度。因此，基站地网采用环行封闭结构为佳，而室内有必要建立环行接地汇集排，各类接地都就近接到接地汇集排上，更有助于实现瞬间的等电位。

四、电源系统的防护

根据IEC的统计，自然界中首次雷击电流幅值超过200KA的机率不到2%，首次雷击电流波形为10/350μs。由于外部防雷的接闪和电磁的衰减，约有50%的雷电能量入地，因此IEC-61312规定了作为处在LPZ 0-A 和LPZ 0-B 防雷区之间的首级避雷器的放电流，应达到100KA (10/350μs)。考虑到符合电气安全的设备，其耐过压能力一般是工作电压的2-3倍，因此作为最内部的防雷器的残压要求在600V左右，精细的电子设备要求残压更低。由于雷击电磁脉冲的强度与设备的耐压水平相差悬殊，IEC经过长期实践证明，只有分级保护才能达到这一要求。电源系统由于其线路的架空距离长，线径也大于其它线路，在基站的附属线路中，一般情况下，电源线路耦合全部的雷电电磁能量。
　　参照以上规范的有关条文，对于移动基站的电源感应雷防护，为达到良好的防护效果，应该采取如下措施：
　　1. 低压线路宜采用电缆埋地方式，不得将架空线路直接引入机房；当难以全长采用电缆时，允许从架空线路上换接一段有金属铠装的电缆或护套电缆穿钢管埋地引入。在入户端电缆的金属外皮、钢管等必须良好接地；
　　2. 做好等电位连接，其目的在于减小基站内各金属部件及各（信息）系统相互间的电位差，不光基站内部的金属部件及（信息）系统，连进入基站的金属部件及（信息）系统，都应在入户端作等电位连接；
　　3. 在电源的进线端加装多级性能良好的避雷器。加装电源避雷器可以迅速泄放雷电流能量，箝制雷电流的高电压，但它不能改善雷电流的陡峭前沿，而其往往会对灵敏的电子设备造成损坏。因此在重要的地方或灵敏电子设备较多的地方加装两级电源避雷器，且具有遥控监测触点和损坏报警指示和雷击计数功能；
　　4.第一级电源避雷器可防范10/350μs、100KA的雷电波，达到IEC规定的最高防护标准；

技术参数：
雷电通流量≥100KA（10/350μs）；
残压峰值　≤2.5KV；
响应时间　≤100ns；

5. 第二级电源避雷器采用C类保护器进行相-中、相-地、中-地的全模式保护；

技术参数：
雷电通流量≥40KA（8/20μs）；
残压峰值　≤1000V；
响应时间　≤25ns；

6. 两级避雷器之间最好保持5-15米的线路距离，以保证不同工作电压的两级避雷器同时响应。
　　7. 由于两级避雷器组合使用，其组合后的残压、响应时间、工作寿命等参数均高于避雷器单独使用。经检测验证了IEC指导的这种组合的正确性，在实际中运用效果也非常好。

图二  组合式电源避雷器电路图

五、其它线路的防护

IEC的防雷强调指出的是整体防雷的概念，被保护的建筑物是一个整体，任何有可能造成不平衡电位的危险都要消除。在基站，除了电源线路外，穿越不同防雷区进出基站的线路，还包括信号线和天馈线等，这些线路需要安装相应的避雷器以实现等电位连接。

六、总结

在实施基站的防雷工程中，必须依照IEC的防护原则，将D-B-S-E四项核心技术贯穿始终，争取将雷击损坏减小到最低程度。

参考文献

1.通信行业标准《移动通信基站防雷与接地设计规范》YD5068-98
2.通信行业标准《通信工程电源系统防雷技术规定》YD5078-98
3.国际电工委员会《Protection of Structures against Lightning》IEC 61024
4.国际电工委员会（IEC）标准《Protection against Lightning electromagnetic impulse》(雷电电磁脉冲的防护)　IEC 61312