张嘉伟
国网南阳供电公司 河南省 南阳市 473000
摘要：移动通信基站由于自身高度较高，且一般处在空旷暴露地带，容易遭受雷击，包括移动通信基站的供电系统时常遭受雷击，影响通信基站的正常工作。本文对移动通信基站供电系统防雷进行了分析，主要包括通信电源雷电防护、专用配电变压器线路防护、低压交流供电线路的布设、供电线路浪涌保护器的选择安装。研究结果为移动通信基站供电系统防雷提供一些参考。
关键词：移动通信基站；供电系统；防雷；电涌保护器
0引言
移动通信基站是指在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发电台。它是移动设备接入互联网的接口设备，也是无线电台站的一种形式。根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010第3.0.3条的规定：国家级计算中心，国际通信枢纽等对国民经济有重要意义且装有大量电子设备的建（构）筑物，应划为二类防雷建筑物，移动通信基站也包含在内。
随着移动通信行业的发展，移动基站数量增加很多，而通信基站自身比较高且处在空旷暴露地带，容易遭受雷击，近些年移动通信基站的雷灾事故非常多[1-3]。中国移动集团公司湖北移动分公司曾抽查了湖北省内14个地市的214个基站(高山站105个，郊区站72个，城市站37个)，其中有186个基站发生过雷击事故。通信基站供电系统因雷击而造成故障损坏以及通信中断一直是困扰运营商的突出问题，做好移动通信基站的供电系统的防雷非常重要[4]。通信基站的电源是整个设备正常工作的能源保证，因此电源系统的防雷保护措施是相当关键和必要的环节。基站供电线路没有采用地下进站的方式，而是采用架空的错误方式，容易将雷电波引入。
1 雷击浪涌防护
闪电产生上百千安的电流和极强的闪电电磁脉冲（LEMP）产生感应过电压，二者引起的雷击浪涌入侵，对移动通信基站的危害主要途径有：(a）网络数据线路在远端遭受直接或感应雷击，沿网络线路进入设备；(c）基站机房内部的各种线路，通过感应雷击电磁脉冲辐射进入设备； (d）地电压过高，反击进入设备；(e）天线遭受直接雷击或感应雷击；(f）避雷针引下线，在避雷针接闪泄放雷电流时，产生LEMP电磁脉冲辐射；(g）电源供电线路在远端遭受直接或感应雷击，沿供电线路进入设备；(h）临近建筑物或附近地面、树木等遭受雷击，同时带来LEMP和附近地面的跨步电压（地电位反击）。
针对移动通信基站的特殊情况而言，以上途径的危害都有存在可能，尤其以(e）、(f）、(g）、(h）条途径概率更加大，一是移动通信基站机房一般都离基站铁塔较近，二是基站位于山上时，可能周围树木较多，均有可能遭到雷击，并以直击雷和感应雷的破坏为主，对于直击雷的防护主要是使用避雷针、女儿墙避雷带、导电体和接地网，再加上主体钢筋而形成一隔笼式框架即所谓的“法拉第网”，也称“法拉第笼”。而对于感应雷的防护就主要依靠电源系统的一、二、三级的SPD来保护。传输天线、电话线应在LZP0区与LZP1区交界处穿金属管，做好屏蔽措施后接地引入，同时在接线盒前端安装SPD设备。通过同轴电缆或双绞线上网时，也应在线缆上安装SPD。使用含有金属部件的光缆传输时，应在光缆的终端将金属部件通过开关型SPD接到等电位上[5]。
在高山上或海岛上的移动通信基站金属导线，会因条件恶劣而感应更多的雷电过电压。尤其是在供电系统中，单纯依靠二级SPD是不够的，其泄放雷电流的容量难以达到要求，在雷电发生时容易造成二级SPD的损坏，即使元件不损坏，也会因残留电压较高而影响到后级被保护设备，因此必须加装一级SPD，形成立体的多层保护。为了确保设备的安全运行，通信部门需要根据SPD的特性，采用多级保护的方法，提供雷电过电压保护。
2供电系统的防雷电波入侵
供电系统是移动通信基站的动力来源，也是基站防雷的重中之重。基站供电系统一旦损坏，其他通信设备缺少电力供应，将不能正常运转。突然断电也将影响到电子设备的使用寿命，严重时将直接毁坏设备。若得不到及时有效的维护，很容易引发大面积的通信中断，对通讯业造成难以挽回的损失。一般而言，输电线路通过配电变压器后，将分为交流配电和直流配电两支，分别通往各个用电设备，因此应关注各个环节，防止雷电波入侵，从根本上解决问题。通信基站的供电方式应采用TN-S（三相五线）制。由于基站内供电大多采用交流市电主供电、油机及电瓶作辅助供电的方式，因此电源防雷首先要从外部输电线路开始。
2.1通信电源雷电防护
信息产业部发布了专门的通信电源防雷标准，主要涉及两个方面：一是电缆应具有金属屏蔽层，必须埋地进出通信站。二是在电源上逐级加装电源避雷器，在交、直流配电屏上加装避雷器，达到多级防护的目标。如图1所示：
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图1 通信基站供电系统安装交、直流避雷器示意图
按照移动通信基站重要程度，应采用A级保护分级，所以，电源线路采取三级防雷过电压保护保护措施。并该依据规范在配电室，选择加装≥80kA电源避雷器作为第一级保护；在分配电箱处安装≥40kA电源避雷器作为第二级保护；在UPS和设备前端选择安装≥20kA电源避雷器作为第三级保护；将雷电过电压（脉冲）的能量按照逐级衰减、多级分流原则泄入大地，达到保护目的。
通常对进通信基站的电缆防雷意识较强，防护措施和办法也比较多，而基站与外部连通的电力线常常不受重视。然而，这些连通电力线在基站线缆中不在少数，具体包括路灯线、塔灯线、电信电力线等。这些电力线是防雷系统中重要元素，应当纳入常规的保护范围内。鉴于通信电缆防雷的重要性，应该根据不同线缆的特点，对进站电缆和连通电缆一视同仁，采取更加专业的防雷措施。
与传统的交流避雷器相比，直流避雷器的防雷效果更优异，也具有更好的可操控性，这能切实提高基站内电子设备抵御雷电电磁波的能力。除了与直交流的工作方式有关，避雷器的效率与其安装方式也有一定关系。简单的布设不能完全发挥出直流避雷器的效能，正确的安装方法是：（a）缩短电力线与避雷器之间连线的长度，避免产生额外的残压；（b）避雷器的动作电压应是后级不低于前级，以保证避雷器由前到后顺序泄放；（c）避雷器之间的电力电缆长度不小于15m。各种避雷器件均应尽可能缩短引线，直接装于被保护的电路上。
（1）电源一级雷电防护
根据GB50054-2011《低压配电设计规范》规定，配电房作为市电一级雷电防护，选用熔断器型号为DZ47-63/C63，最大通流量为63A，选用电涌保护器产品型号为TNR-B60的三相电源防雷器，标称通流量60kA，最大通流量100kA，共1组。当Uc为385V、电压保护水平3kV，可视报警。标准导轨安装作为电源一级防雷器。其具体安装位置为总配电房的一号配电柜。
浪涌引起的瞬态过电压（TVS）保护，建议采用分级保护的方式来完成。从入口到出口设置多个吸收器，分层级吸收浪涌能量，在电流通过的各个阶段抑制瞬态过电压。B级防雷器应连接在大容量电源防浪涌保护器。一般而言，B级防雷器应具备100kA（三相）以上的最大冲击容量，限制电压应小于1800V。这些保护设备可将大量的浪涌电流分流到大地，但是它们仅能提供限制电压为中等级别的保护，单纯依靠它们还是不能完全保护系统内部的敏感用电设备。
（2）电源二级雷电防护
选用熔断器型号为DZ47-63/C20，最大通流量为20A，选用电涌保护器产品型号为TNR-C20，最大持续工作电压-385V，标称通流量为20kA，最大通流量为40kA电源电涌保护器，标准导轨安装电源二级防雷器。安装位置主要是总配电箱引出去的分配电箱。
安装原因：根据GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》的要求规定，在直击雷非防护区（LPZ0A）或直击雷防护区（LPZ0B）与第一级防护区（LPZ01）交界处应安装通过一级分类试验的浪涌保护器做为第一级保护，第一级保护区之后的各分区交界处应安装二、三级浪涌保护器，因为二级防护一般安装在向重要或敏感用电设备供电的分路配电设备处的前端，浪涌保护器的剩余浪涌能量进行更完善的吸收，对于瞬态过电压具有极好的抑制作用。
2.2 专用配电变压器线路雷电防护
配电变压器是移动通信基站的标准配备，它在安装和使用过程中具有一定的防雷规范。根据信息产业部GB 50689-2011《通信局站防雷与接地工程设计规范》中的要求，配电变压器最好不和通信设备安装在同一个建筑物内，这主要是出于防止高位电入侵的考虑。但由于基站情况各异，不能完全符合规范。事实上，有相当一部分的基站受条件制约，必须将二者安装在同一处。在这种条件下，可以将二者同步安装，但要求用金属铠装电缆作为配电变压器的高压引入线，且铠装层的两端应就近接地。但即使是这个要求，很多基站也不能满足。
在对全国范围内的移动通信基站调查中发现，很多基站的电力高压线不能满足铠装电缆转接和埋地引入的要求，而是使用普通电缆，在空中布线或走线，这种户外露天柱上裸装的安装方式成为了雷击隐患。对于这样的移动通信基站，应特别注意配电变压器的防雷，做好各项措施防雷电袭来，如图2所示。
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图2 供电线路的多级防护
主要防护措施：（a）在高压侧和低压侧两端，均安装氧化锌避雷器；（b）高、低压侧的氧化锌避雷器接地端子、配电变压器的外壳必须短接后再集中接至地网；（c）高压侧避雷器应安装在熔断器的负荷侧。
2.3 低压交流供电线路的布设
布设低压交流供电线路必须遵照规范进行操作，首先供电线路应采取埋地的方式，从地下引入室内。此外平均埋地长度不小于20 m，这个数值可以调整改变的。在低土壤电阻率的地区可调整为15 m，在高土壤电阻率地区可以适当增加，有效长度数值为电阻率平方根的2倍。
如前文所述，在一些特定情况下，低压电力线埋地存在困难，电力线需要用架空的方法进入基站。电力线应在架空进入的同时，在低压交流供电线路进入处安装容量更大、性能更好、安全性能更高的基站电源A级电涌保护器，对于雷暴频发地区的移动通信基站，电涌保护器的标称电流容量不小于150kA。电源线必须采用金属铠装电缆，横向布设时金属外皮每隔5～8m接地一次，上下走向时金属外皮至少应在两端就近接地[6]。
在山区，低压架空电力线经常会遭受直击雷侵入，应使用直径8mm以上的钢绞线在架空电力线上方1m处同杆架设避雷线，其垂度应与电力线一致。为减少成本，避雷线（除终端杆处）应设在靠近变压器和基站的200m处，且每个支撑杆应分别接地，其地网的接地体宜设计成辐射形或环形。
2.4 供电线路SPD的选择安装
浪涌保护器（SPD）可在雷电波流过瞬间动作，多级泄放雷电流，最终使电压达到设备可承受的耐压范围。SPD的装配不仅要按国家标准安装，还应结合线路内通过的电流因地制宜配置，达到多级协调工作的目的。
参照国际电工委员会标准IEC 664给出的低压电气设备的绝缘配合水平，要求对基站电源系统雷电的防护分A、B、C…等多级来实现，如图3所示。A级防雷的残压应小于6kV，B级防雷的残压应小于4kV，C级防雷的残压应小于2.5kV。
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图3 SPD的多级防护
雷电感应侵入基站的渠道有很多，主要包括电缆、光缆、电话线和天馈线。电缆高架平直，容易接受闪电侵害，且本身的电阻率很小，能迅速而高效地传递电磁波，所以造成了大部分的感应雷危害。据统计，电缆是最主要的雷电侵入渠道，感应雷通过电缆侵入的事件占事故总数的70%以上[7]。因此，在防护感应雷的工作中，电缆线防护是重中之重。此外，雷电还能形成空间感应，通过感应侵入基站的内部线路。雷电感应在建筑物的结构中不断弱化，能量逐级散失，即使如此它仍具有相当强的破坏力，在抗过压能力弱的基站中，雷电感应会造成非常严重的设备故障。
信息产业部在GB 50689-2011规范中指出：“进入移动通信基站的低压电力电缆宜从地下引入机房，其长度不宜小于50m（当变压器高压侧已采用电力电缆时，低压侧电力电缆长度不限）。电力电缆进入机房时在交流屏处应加装避雷器，从屏内引出的零线（N线）不做重复接地。”在最近的十年间，新建的移动通信基站都遵照了规范中的要求，现在的工作是要对较早建设的基站进行改造，使之也适应规范的要求。但改造项目不是一蹴而就的，其中存在很多技术难点，如金属套代替问题、电缆指标问题、避雷器改装问题等。此外，还涉及到基站周边土地的使用问题。虽然存在一些困难，但仍然建议应大力推进改造工程的实施，严格执行国家出台的GB 50689-2011标准。
3 结语
本文对移动通信基站供电系统防雷进行了分析，主要包括通信电源雷电防护、专用配电变压器线路防护、低压交流供电线路的布设、供电线路SPD的选择安装，重点分析了移动通信基站供电系统的防雷措施和方法。研究结果为移动通信基站供电系统防雷提供一些参考。
参考文献
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