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移动通信基站综合防雷方案

时间:2015-05-09 20:52:42点击:

  内容简介:移动通信基站综合防雷方案一、通信基站防雷现状综述1、恶劣的防雷外部环境由于移动通信网络不断延伸和完善,机房所处地理环境也越加恶劣。近年来,由于移动通信基站建设选取的地点、城市空气污染情况严重等等综合因...

移动通信基站综合防雷方案
一、通信基站防雷现状综述
1、恶劣的防雷外部环境
由于移动通信网络不断延伸和完善,机房所处地理环境也越加恶劣。近年来,由于移动通信基站建设选取的地点、城市空气污染情况严重等等综合因素影响,使得移 动通信基站因雷击造成的设备损坏和影响越来越严重,长距离架空供电的问题、电网不稳的问题、供电系统的接地问题、机房内综合等电位连接及接地线处理问题 等,都为解决移动通信基站的防雷安全增大了难度且防雷问题也越来越难解决。
我们根据大部份移动通信基站所处的地理位置、周边环境等,综合气象部门对该各地区的年平均雷暴日等统计数据,分析大量基站雷击的选择性;而雷击的选择与下列一些因素有着密切的关联。
(1)、地质结构。如果地面土壤电阻率分布不均匀,则在电阻率特别小的地区,雷击的几率较大。这就是在同一区域 内雷击分布还是不均匀的原因。这种现象我们称之为“雷击选择性”。试验结果证明,雷击位置经常是在土壤电阻率较小的土壤上,而电阻率较大的多岩石土壤被 雷击中的机会很小。这是因为在雷电先驱放电阶段中,地中的电导电流主要是沿着电阻率较低的路径流通,使地面电阻率较小的区域被感应而积累了大量与雷云相反 的异性电荷,雷电自然就朝这些地区发展。
相对移动通信基站周边的自然环境来说,基站范围内的钢筋混凝土结构的楼房、楼房顶的金属铁塔(或通信杆塔)、地下金属管线、大面积的架空线路等等,都是造成区内综合土壤电阻率低下的原因。所以雷电经常“光顾”机楼及附近设备则不以为怪了。
(2)、空气环境原因。由于工业发展和交通运输业的发达,近年来我们周围的整体空气环境不断的恶化;空气中常常含有大量的粉尘、导电微粒和游离分子气团, 它们比一般空气易于导电,等于空气的整体绝缘性能下降,而云间聚集的电荷总量也会急剧倍增;导致发生云层对大地的放电次数增加,击中建筑物、电力线路的几 率加大。并且,这种云间放电或云层对大地的较空气洁净的环境要迅猛、剧烈得多。这就是我们可以感觉现在的雷电要比以前的剧烈的原因。
(3)、移动基站所在地面上的设施分布情况是影响雷击选择性的重要因素。在城市、城区等地方分布着密集的金属铁塔或金属通信杆塔,同时密布的架空电力线路 和通讯线路,都将增加雷击的优先选择。当雷电放电通道发展到离地面不远的空中时,电场受到地面物体影响而发生畸变。如果地面上有一座较高的尖顶建筑物,例 如移动通信铁塔,由于这些建筑物的尖端具有较高的电场强度,雷电先驱自然会被吸引向这些建筑物。如果地面上分布有一定高度的架空高压电力电缆,这些电力电 缆本身就是传输电力电能,而因为线路存在着电阻量、电容量和感抗量等物理因素,在线路附近产生一定磁场,从而改变雷电放电通道。
二、通信基站基本防雷设施情况简介
1、外部防雷系统和接地系统
机房利用基站或铁塔本身建有外部防雷系统,包括富兰克林接闪体和引下线,大部份均符合规范要求并处在正常工作状态。外部防雷接地系统大多数根据邮电行业标准进行设计。
通讯机房接地电阻阻值主要由机房所处的大楼附近的地理环境、地形地势、土壤分布情况、站址所在地区土壤电阻率以及机房大楼的空间结构、检测人的主客观意识所决定。
高山移动基站机房接地系统的接地电阻大部份为20~100Ω左右,接地电阻不符合小于10Ω的规范要求;大部份基站接地系统工作地、保护地和防雷地三地合一,即采用联合地网。
大部份移动通信基站室内接地引下线均大于1米。
2、机房室内的接地线路基本符合规范
在机房内设立了接地总汇集排,分别连接到开关电源的直流参考地、设备及走线架保护地、交流地和馈线屏蔽接地。接地引下线使用一根95mm2电缆引入接地网。机房的接地引下线长度超出规范要求的0.5米距离。
3、电源系统
大部份基站使用的高压电力电缆均为架空敷设;进入基站的低压电力线为架空敷设引入或埋地敷设;电力变压器高压侧安装了氧化锌阀式电涌保护器,低压侧则很少 安装电涌保护器保护;基站机房内往往没有安装能量级别配套、组合合理的电源电涌保护器。少部分配电系统安装了低能量级别的电源电涌保护器;部分开关电源已 配套进口电源电涌保护器。
4、信号通信系统
移动通信基站机房内的信号通信系统包括超五类线(含屏蔽线)、PCM同轴电缆、天馈线、光纤传输线缆等四种类型组成。
其中天馈线已经依照行业规范要求作好了馈线屏蔽层三点接地,所有的馈线均未安装馈线电涌保护器。超五类线和PCM同轴电缆没有采用任何的电涌保护器设施进行安全保护。
光纤传输线缆由于采用金属加强芯和金属屏蔽层的材料,接地采用了较长的回路,使金属加强芯及屏蔽层之间在雷击时产生高电位差,往往能导致光纤及附近设备发生严重的过电压雷击事故,存在防雷的迫切需求。
5、机房内部等电位连接现状
大部份基站内的监控机房内部等电位连接是不十分规范的。包括:所有不带电的金属物件、机柜、机壳都没有就近接地等电位处理;机房走线架没有形成闭合环路并 接地等电位处理;电源系统没有采取非直接接地等电位处理;天馈线系统没有采取非直接接地等电位处理等;机房传输机柜内部采取不同回路接地处理,造成机柜机 壳与光缆线路内部的金属加强芯、金属护套之间产生巨大电位差,雷击损坏设备。
设计依据
依据国际电工委员会IEC标准、中国GB标准与部委颁发的设计规范的要求,该建筑物和大楼内之通信机房等设备都必须有完整完善之防护措施,保证该系统能正 常运作。这包括电源供电系统、不间断供电系统,空调设备、通信网络、微波通信设备等装置应有防护装置保护。
1、GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》
2、GB50343-2012 《建筑物电子信息系统防雷技术规范》
3、GB50174-2008 《电子信息系统机房设计规范》
4、YD5098-2005《通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范》
5、YD5068-98《移动通信基站防雷与接地设计规范》
6、IEC61312《雷电电磁脉冲的防护》
7、YD 2011-93《微波站防雷与接地设计规范》
二、移动通信基站机房综合防雷设计方案
一、总述
移动通信机房一般是由电源系统、局内通讯系统、局外通讯系统、交换系统、信号监控系统、天馈线传输系统、中继传输系统等构成的一个综合的、有机的通信网络 机房系统,室内空间狭缢、设备繁多;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。将需保护的通信机房作为一个整体,堵塞所有的雷击入侵渠 道,实行分区和等电位连接的原则,在工程实施中按规范执行,才能起到全面的保护效果。
根据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电涌保护器,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-E-S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。而有的机房站为非标准机房,为租借的普通民用建筑,屏蔽措施无法达到要求,再整改加强屏蔽不大现实,只有从合理 安装电涌保护器、改善接地系统等角度入手解决问题。按照全面防护,综合治理的原则,提出以下系统整体防雷方案(如图3-1所示)。
(1)、制雷击点
根据滚球法设计,正确选用和安装避雷针,由它控制雷击点,使微波塔、天线等设施免遭直接雷击。
(2)、安全引导雷电入地网
使电子设备远离雷电流下行通道,或是选用多层屏蔽引下线,避免雷电流在下地时引起的侧向跳火,减小对周
围设备,电源和信号电缆的磁场感应。
(3)、完善的低阻抗地网
降阻剂、化学地极、铜带的配合使用,可获得更低的冲击接地地阻,使雷电能量能迅速泄放至大地。
(4)、做好等电位连接,避免地电位反击
按规范实施联合接地和等电位连接,以避免地电位反击造成的设备损坏。
(5)、电源浪涌冲击的防护
在电源进线处加装多级合格的电源电涌保护器,有效抑制雷击浪涌的冲击。
(6)、数据、通讯及信号线浪涌冲击的防护
做好接地,加装有效的信号电涌保护器,防止雷击浪涌自信号线引入损坏设备。

移动通信基站机房综合防雷设计方案图

图3-1、综合防雷六点方案
二、移动基站机房新型综合防雷工程保护措施
1、移动通信基站综合雷电防护工程保护的预期目标
(1)、利用先进的整体防雷控制理念,有效控制雷击落雷电,并能通过提前放电模式,将雷电能量在较低值时对地放
电,防止强雷电能量过度聚集,对地发生剧烈的放电,从而加大防护的效能。
(2)、建设合格的雷电泄流通道,避免交换机房因为发生雷电反击而造成设备损坏事故。
(3)、建设合格的防雷接地系统,避免基站附近发生雷电跨步电压伤害事故。
(4)、基站设置合格的外部防雷接闪装置和接地系统,避免雷击金属供水管道发生二次雷害事故。保障在基站发生雷
击时,不会发生雷击人身的安全事故。
(5)、机房置合格的内部防雷系统和等电位连接系统,将暂态过电压抬高对机房内通信设备的损坏降低至最低值。
(6)、移动通信基站机房的综合防雷系统主要设计四大部分:
a) 电源系统的防雷保护。
b) 光缆的防雷等电位连接。
c) 机房整体等电位工程改造技术方案。
d) 通信系统的防雷保护。
2、移动通信基站机房电源系统的防雷保护
据IEC统计,在所有的雷害中,大约85%以上的损失是由感应雷造成的。
YD5068-98规范中第3.1.9条规定要求在低压电力线进入交流屏前,安装可靠的防雷器件。国际电工委员会防雷技术组织(IEC/TC81)的国际通行规范IEC61312-1给出了防雷保护区概念,并对各种适用的电涌保护器提出具体技术要求。
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 防雷区之间的首级电涌保护器的放电流,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1600V左右,对精细的 电子设备要求更低。由于雷击的强度与设备的耐压水平悬殊,IEC经过实践证明,只有分级保护才能达到这一要求。
参照以上规范的有关条文,对于各移动通信基站机房的电源感应雷防护,为达到良好的防护效果,应该采取如下措 施:
(1)、线路宜采用电缆埋地方式,不得将架空线路直接引入机房;当难于全长采用电缆时,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、钢管等必须与接地汇集排相连。
(2)、做好等电位连接,其目的在于减小大楼内各金属部件及各(信息)系统相互间的电位差。不仅对机房内部的金属部件及(信息)系统,而且对进入机房的金属部件及(信息)系统均应在入户端作等电位连接。
(3)、供电系统的接地处理:
如果供电线路为TN-S三相五线或单相三线制,则直接将PE线作为第一级B类等电位连接器接地线;如供电为TN-C三相四线或单相二线制,应按规范 YD5068—98的3.1.5条款改为TN-C-S局部三相五线或局部单相三线制,将N线重复接地,再从接地点并接一条新的PE线,同时作为电源防雷箱 的接地。所有等电位连接器的接地线均应按“就近原则”接入接地系统。
机房内的交流配电箱处应实行三相五线制或单相三线制,或是局部三相五线。其中的PE线接配电箱及电源防雷箱连接器接地线;不是三相五线或单相三线时,应从机房地网汇集排单独引出地线作为PE地线。
直流电源防雷设备的接地线可直接接机房接地汇集排。
电源防雷箱的接地线应尽量短、粗,可根据长短选择16-35mm2多股铜线,连接必须可靠。
(4)、在基站机房交流电源的总进线端(即机房总交流屏总空气开关下端)加装多级性能良好的电涌保护器。加装电源电涌保护器可以迅速泄放雷电流能量,箝制雷电流的高电压。
设计采用B、C两级配合等电位连接保护就能使基站机房达到最佳和最经济的安全防范,经过两级保护后,残压恒小于1500V。
第一级采用通信机房专用B+C类浪涌保护设备TPS B+C/10 4P或由此模块构成的电源智能防雷箱,安装在机房总交流配电箱空气开关下端,对地并联在三根相线和中线上,直接用35mm2铜缆接地至总接地线,并不通过交流配电屏接地。这样可防范10/350μs、100KA的雷电波,达到IEC规定能量的上限。为防止电涌保护器件损坏而造成短路故障,电涌保护器输入端应设空气开关或gL、gG保险丝,容量为63A。
根据IEC 364-4-442,为防止变压器高压侧某一相对变压器壳短路,造成用户侧相线对地产生持续高电势差,建议第二级采用通信机房C类浪涌保护设备TPS C40 3P+N或由此模块构成的电源智能防雷箱,即3个C类浪涌保护器分别由三根相线对中线安装,再加上1个C类浪涌保护器,连接在中线和地线间。保护器安装在基站机房交流电源柜内,通过室内等电位均压环接地。为防止电涌保护器件损坏而造成短路故障,电涌保护器输入端应设空气开关或gL、gG保险丝,容量为 32A。
(5)、电源智能防雷箱内使用的核心技术和核心元器件全部由同为公司采用成熟产品,并都具有遥控监测触点、损坏报警指示和雷击计数功能。符合信息产业部对通信机房防雷技术规范所有功能要求。
(6)、由于一般的基站机房相关通信设备距离开关电源距离较长,我们建议选择安装电源第三级直流浪涌保护器TPS-D10-48V,抑制前级较高的残压对后端弱电设备的干扰。安装在开关电源直流输出处,通过直流配电屏接地,或者直接安装在基站设备和传输设备的电源输入端。建议第三级采用D类防雷设备 TPS-D10-48V或者TPS-D10-JF系列插座。

电源系统三级防护示意图

电源系统三级防护示意图
3、光缆的防雷等电位连接
通信光缆对机房设备的造成的雷害通常是由光缆的金属加强芯引起的。金属光缆在雷电的作用下,会在其金属构件上产生感应电流,纵电动势,使金属构件熔化,外护层击穿,甚至中断通信。
光缆受雷电影响主要有以下方面:
(1)、金属构件熔化。雷电流进入金属护套,缆芯导体与金属护套将出现冲击电压,击穿金属构件间介质而发生电
弧,使金属构件熔化外护层被击穿。
(2)、针孔击穿。雷电大地产生地电位升高,使光缆塑料外护套发生针孔击穿,土壤潮气和水通过针孔侵蚀光缆金属
护套,从而降低光缆使用寿命。
(3)、形成孔洞。雷电流通过雷击针孔击穿金属护套会而形成孔洞,进而损伤光纤。
(4)、结构变形。雷击大地造对光缆的放电而引起的压缩力会压扁光缆,引起结构变形,增大传输损耗乃至中断通
信。
(5)、雷电流进入金属护套并沿光缆敷设传输进入基站机房,对传输设备和其他电子设备出现冲击电压和雷击损坏。
光缆的防雷等电位措施:
(1)、在选择光缆线路路由时,应与高大的树木、独立建筑电杆、高压架空电力电缆等保持一定的间距。
(2)、在光缆上方敷设防雷线。当大地电阻率小于500欧姆米时,敷设两条防雷线。
(3)、采用架空光缆吊线间隔接地,一般500-1000米接地一次。
(4)、在强雷区采用非金属加强芯光缆,或者超厚PE外护层的光缆。
(5)、使用无金属光缆。对进入机房的光缆,从末端接头盒至机房的一段光缆改用无金属光缆,但对鼠害严重的地区
慎用。
(6)、光缆以埋地方式进入机房。对使用有金属加强芯的光缆,可将光缆敷设在金属管内或使用直埋光缆埋地进入机
房,埋地长度宜不小于30m,一般可从线路终端杆开始埋设,埋地的金属管或直埋电缆的金属屏蔽层两端应就
近可靠接地。
(7)、光缆架空进入机房
a)、将光数混合架或光纤终端盒尽量设置在光缆进口处。
b)、对光缆金属加强芯的接地安装应作妥善处理。光缆安装时,应将光缆加强芯和光缆终端盒内专用的加强芯 接地 母排妥善连接,同时将加强芯接地母排直接与室外馈线接地排相连,布放的接地线宜不小于35mm2,且宜短、直。若与馈线接地排距离较长(大于2m),也可与室内接地汇集线就近连接。此外,加强芯专用接地母排应与光缆终端盒体和机架内金属体进行电气隔离。
对于重要的移动通信基站机房,宜在机房外专设接地母排,用于光缆金属加强芯和金属护套的接地,该接地母排应就近与地网相连。光缆金属加强芯在此接地后将不再引入机房内。
4、移动通信基站机房整体等电位工程改造技术方案
(一)、进入机房的电缆等电位连接
(1)、进入机房的电缆应由埋地进入机房,并一般应选用具有金属外护层的电缆。
(2)、没有金属外护层的电缆,应穿钢管道出入综合通信大搂,钢管应与外设的环形接地体电气连接。
(3)、在综合通信大搂设立电缆入口设施(CEF)如通信大搂的进线室,通过电缆入口接地排(CEEB),将电缆入
口设施各个户外电缆连接到MET或者环形接地体进行连接。
(4)、进入综合通信大搂的光电缆金属外护层,应根据实际情况尽可能靠近建筑物户外电缆的入口处的设施进行接地
(5)、进出线孔,各类缆线金属外护层的接地引入点也应避免在建筑物外侧柱内作为雷电引下线的柱子附近设立或引
入。
(6)、进局电力电缆均应先通过SPD等电位连接后,再与通信设备相连。
(二)、通信设备的接地
(1)、总配线架必须就近接地,是关系到配线架的保安单元能否对交换机用户板起到有效保护的关键问题。在通信机 房总体规划时,总配线架宜安装在机房进线室附近,接地引入线应从地网两个方向就近分别引入(从地网在建筑物预留的接地端子接地或从接地汇集线上引入)。
(2)、机房内通信设备及其供电设备正常不带电的金属部分,电力电缆的保安装置接地端,以及电缆的金属护套全部就近接入新设置的机房等电位均压环上。
(3)、安装在综合通信大搂的通信设备内部一般不宜将电源正极和机壳连接。
(4)、DDF架ODF机架或列盘应做就近接入新设置的机房等电位均压环接地保护。
(5)、交换机房内设备保护地线应单独从机房内地线汇流排或新设置的机房等电位均压环上就近引接,不准从 交换机电源正极引接。
(6)、数据服务器及机架应接入新设置的机房等电位均压环做接地保护。
(三)、机房内辅助设备的接地
(1)、室内金属支架,至少应有两根从接地汇流排或新设置的机房等电位均压环引入的接地线。
(2)、室内的走线架及各类金属构件必须就近接入新设置的机房等电位均压环,各段走线架之间必须电气连接。
(3)、进局电缆的SPD接地端及电缆的金属护套均应就近接入新设置的机房等电位均压环做接地。
(四)、通信电源的接地
(1)、采用集中供电的综合通信大搂电力室的直流电源接地线必须从接地总汇集线上引入。其它机房的直流电源接地线亦可从分汇集线或新设置的机房等电位均压环上引入。
(2)、机房的直流电源接地垂直引线长度超过30m时,从30m处开始,应每向上隔一层与接地端子连接一次。

无流零线与大楼内的接地总汇集线连通图

无流零线与大楼内的接地总汇集线连通图
(3)、采用分散供电的高层综合通信大搂直流电源接地线应从分汇集线或新设置的机房等电位均压环上引入。
(4)、引入大楼内的交流电力线宜采用地下电力电缆,其电缆金属护套的两端均应作良好的接地。
(5)、交流供电变压器高压及低压侧均应设SPD,当专用变压器离局(站)远时,交流中性线(零线)应按
规 定在入户处作重复接地;当专用变压器安装在局(站)院内时,应将变压器的接地体与大楼的接地体连通。交流 供电线中的无流零线应与大楼内的接地总汇集线连通,连接方式如图3-2所示;当专用变压器安装在大楼内时,其接地系统可合用大楼的接地装置。大楼内所布 放的交流供电线路中的中性线(零线),应采用绝缘导线。交流配电屏上的中性线(零线)汇集排应与架的正常不带电金属部分绝缘。
(6)、高层综合通信大搂内所有交直流用电及配电设备均应采取接地保护,其接地线应从接地汇集线上接入,严禁采 用中性线作为交流保护地线。
(7)、电力变压器的机壳、低压侧的交流零线,以及与变压器相连的电力电缆的金属外护层,应就近接地。
(五)、设备保护接地其他要求
(1)、PE线中严禁装有开关和能断开PE线的任何保护装置,接头处必须使用工具才能断开。
(2)、机房内各类通信系统的各类保护、工作接地均要接在同一总接地汇流排上。若原来通信系统有自己独立地网,则应在地下与其他地网包括环形接地网做多处互连,而不是在地面上或在总地排做互连。
(3)、数字通信设备的机架保护接地,应从接地总汇集线或机房内的分接地汇集线上引入,并应防止通过布线引入机架的随机接地,并防止通过走线架在电气上连通。
(六)、其它设施的接地
(1)、机房楼顶的各种金属设施,均应分别与楼顶避雷接地线就近连通。
大楼顶的航空障碍信号灯、节日彩灯等的电源线应选用具有金属护层的电缆,或将电源线穿入金属管道内布放,其电缆金属护层或金属管道应每隔5m~10m与避雷带或避雷接地线就近连通。
(2)、机房内各层金属管道均应就近接地。
(3)、大楼内的金属竖井及金属槽道自身节与节之间应确保电气接触良好。金属竖井上、下两端均应就近接地,且从离地面30m处开始,应每向上隔一层与接地端子就近连接一次。金属槽道亦应与机架或加固钢梁保持良好连接。
(七)、机房内布线
(1)、局内射频同轴布线电缆外导体和屏蔽电缆的屏蔽层两端,均应与所连接设备的金属机壳的外面保持良好的电气接触。
(2)、在工程实际中,应充分利用现有的金属走线槽和走线架,屏蔽电缆和金属走线槽的配合使用可获得附加的屏蔽效能。
(3)、当综合通信大楼地处雷害区或临近有强电磁场干扰源,楼高超过30m时,楼内的垂直布线(含地线)宜考虑设置金属竖井或其它防干扰措施。机房内的架间布线宜采用金属槽道进行屏蔽。
(八)、集中监控系统的接地
(1)、在设计时,将机房监控系统对线路进行屏蔽、合理布线、等电位连接、接地及加装SPD等措施,抑制雷电浪涌与监控系统间的耦合路径,最大程度地减小感应过电压、反击过电压以及雷电侵入波对监控系统的危害。
(2)、监控线缆及线槽的布放应尽可能避免紧靠建筑物的立柱或横梁。在不可避免时,应尽可能地减小沿立柱或横梁的布线长度。
(3)、线缆的布放应尽量远离铁塔等可能遭受直击雷的结构物,应避免沿建筑物的墙角布线。
(4)、室内各种监控线缆的布放应尽量集中在建筑物的中部。
(九)、设置机房等电位连接均压环
(1)、移动通信基站机房可以采用星型接地结构(S型结构)—网型接地结构(M型结构)混合型接地等电位连接的方式,一般而言,交换机应该采用星型接地结构(S型结构),其它通信设备宜采用网型接地结构(M型结构)。
(2)、基站机房室内接地等电位均压环的设置
根 据通信行业标准《通信局(站)防雷与接地工程设计规范》YD5098-2005和中国移动集团公司的企业标准《基站防雷与接地技术规范》QB-W- 011-2007对移动基站的防雷接地有着明确和细致的要求,并完全认可和推广基站整体等电位系统防雷保护的措施。并要求基站的接地电阻应不大于10Ω,机房内安装的防雷设备接地点连接到地网(接地汇流排)的距离不大于0.5米。 而由于以上两点要求受基站所在地理地质环境、投资成本和基站机房特点的限制,在很多地方无法完全做到。如城区大量的基站不可能逐个解决基站的接地引下线过 长、过远与地网连接的问题;不能完全保证基站都能新建可靠的接地网系统;在部分高山基站,解决接地系统的接地电阻要求往往投入很大人力物力也未能达到规范 要求;由于基站内的接地汇流排的位置限制,接地的引线往往长达十几米,造成防护能力的减弱。为了达到基站接地电阻小于5欧姆的要求,往往耗费大量的财力、 人力、物力来降低基站的接地电阻,有的基站甚至投入十数万元的资金,耗时几个月,造成巨大的成本投资压力。
根据通信行业标准《微波站防雷与接地设计规范(YD2011-93)》、国际电工委员会《Protection of Structures against Lightning》IEC 61024、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对雷电防护理解和具体措施,在接地电阻无法达到更高的要求的情况下,可以通过整体等电位连接及综合接地系统处理的方式,达到防雷保护的目的。
等电位连接,按照IEC61024的术语解释,是内部防雷装置中,能减小由雷电流引起的电位差的那一部分。通俗的说,是指把建筑物内所有金属物,如混凝土 内的钢筋、自来水管、煤气管,以及其它金属管道、机器基础金属物和大型的埋地金属物、电缆金属屏蔽层、电力系统的零线、防雷建筑物的接地线,统统用电气连 接的方法连接起来(焊接或可靠的导电连接),使整个建筑物空间成为一个良好的等电位体。另外,为了保证人身安全,这个等电位体的电位也是越低越好,所以, 必须全部可靠接地。
当感应雷电进入到建筑物内的某一金属部分时(如电源线路、信号线路、各种金属管道等),如果没有作好等电位连接,该部分受感应的金属物由于与其它金属部 分存在电位差,电位差值到达一定峰值时,金属体之间非常可能放电。而相关的弱电设备,由于核心部分(芯片)的耐压值低,当瞬间放电出现急剧上升的高电压 时,芯片就会出现误动作,以至于烧毁;反之,如果有良好的等电位连接措施,那么,该部分与其它金属部分之间没有电位差,则不会出现放电现象,也就不会出现 设备因为雷击而误动作甚至于被损坏的现象。
移动通信基站的情况也是一样,当感应雷电进入到基站内的某一金属部分时(如电源线路、信号线路、天馈线、接地引入线、走线架及各种金属部分),如果没有作 好等电位连接,该部分由于与其它金属部分存在电位差,就非常可能放电,而基站内的稳压器、交流配电屏、直流电源、GSM等设备,由于核心部分(芯片)的耐 压值低,当瞬间放电出现急剧上升的高电压时,芯片就会出现误动作,以至于烧毁;反之,如果有良好的等电位连接措施,那么,该部分与其它金属部分之间没有电 位差,则不会出现放电现象,也就不会出现设备因为雷击被损坏的现象。
目前,基站内一般只设有一块保护接地汇流排(总地线汇集排),一般固定在接地 引入线进入基站的穿墙处或交流配电屏的下端。由于基站内的设备分布的比较分散,有些设备的接地处理就比较勉强,只能通过较长的接地线进行连接,与规范要求 的小于0.5米的距离相距甚远。为了缩短接地线,有些设备的接地线就直接连接到走线架上,而且连接部分也不做任何处理,甚至有些走线架根本就没有可靠接 地。
那么,怎样才能让基站内的所有金属部分完全成为一个等电位体,并且等电位体的电位又处于最低,就成为需要我们解决的一个新问题。解决的办法只有一个,那就 是把基站内所有的金属部分可靠接地:能直接接地的直接就近接地,不能直接接地的就通过特殊的等电位连接体(电涌保护器)就近接地。
具体措施如下:
1、 为了室内分散的通信设备和其它金属部分就近接地,设计使用40×3mm的铜排,在基站内部沿走线架或内墙建成一个闭合的环行的等电位连接带,所有的设备和 其它金属部分可以在最短距离内连接到接地汇集排上,铜排表面喷漆处理,可以从工艺上使铜排与基站内设备浑然一体。机房内各设备的接地系统、不带电的金属外 壳等应就近与室内等电位均压环用16mm2BVR铜导线进行可靠连接。包括交流电源配电箱、开关电源、GSM设备、3G设备、 SDH设备、ODF、DDF、环境监控设备、走线架、金属门窗、馈线接线架、馈线防雷器等。机房内通信电缆的屏蔽层、走线槽(架)、吊挂铁架、机架或机 壳、金属通风管道、金属门窗、防静电地板及支撑架等亦都要可靠连接到室内等电位均压环上。
2、为了达成基站内部整体等电位,将基站内所有设备和其它金属部分通过上述所建造的闭合等电位连接带可靠连接。
3、为了保证等电位体的电位最低,并且在雷击发生时泄流最快,将闭合的等电位连接带从四个不同位置通过四根95mm2BVR的接地引入线就近与地网焊接连通。
4、为了保证在雷击发生时,电源线路和信号线路的工作部分(电源金属线和信号金属线)也能在瞬间达成等电位,在电源线路和信号线路上分别安装电源电涌保护器和信号电涌保护器(如馈线)。
5、 根据IEC的要求,一般机房的等电位连接方式有两种,一种是网状连接,一种是星形连接。对于通信移动基站机房,最好是采用网状连接,因为机房内采用大星形 连接,易在设备间产生较大的电位差而损坏设备。而采用网状连接,可避免以上问题的发生。如图1-2(右图为等效图)所示的方法加以改造,即将大星形连接改 成网状连接。

机房设备的接地改造图

图1-2、机房设备的接地改造图
这时的电位差,可根据下式算出:U=Ldi/dt+IR如引线长1m,入侵的雷电流为20kA(8/20us),则每米导线上的电压降为3.6kV,如果 等电位连接点提高到a点(a至设备B之间为0.5m, a至PE之间为4.5m ),则设备A和设备B之间的电位差降为原来的十分之一1.8kV,此改造方法适用于机房设备较多的情况下使用。
6、采用网状连接,可在机房内部的墙壁上沿机房走线架的高度设均压环,该均压环从机房的四角或与电源系统等电位连接器及天馈接地线(等电位连接器)与均压环的连接处用镀锌扁钢或不截面积不小于95mm2的BVR铜线引出并和机房环形地网相连,所有连接皆采用焊接的方法并进行防锈蚀处理。
7、应将光缆在进入机房后,增加光缆终端盒,并将其中加强芯就近入地(条件允许时,应直接接在地网上)而不能接在均压环上。避免由加强芯上感应的过电压对机房传输设备的影响。
等电位连接改造方法的效果分析: 综上所述,机房内电源类和信号类设备的损坏,均是由于电源线或信号线上有感应过电压,造成设备间的不等电位,形成电位差,使得设备内元器件被击穿。只有通 过等电位的方式来减小设备间的电位差,有雷击或感应过电压时,机房内设备因处于基本相同电位中,就降低了由电位差引起的电位反击的概率,形成了水涨船高的 形态,从而减少了设备的损坏率。机房内等电位分两种:一种为稳态的等电位,即等电位接地排、设备间等电位线、双引下线等;一种为瞬态的等电位,即电源线与 地线、直流电源正负极、信号线与地线通过防雷器形成的等电位、馈线与地线间的等电位等。机房内设备间只有当这两种方式等电位均做好了,才能够降低设备被电 磁干扰、雷击、感应过电压所破坏的危险度。
机房内电源类和信号类设备的损坏,一般是由于电源线或信号线上有感应过电压,造成设备间的不等电位,形 成电位差,使得设备内元器件被击穿。只有通过等电位连接的方式来减小设备间的电位差,在雷击时,由于机房内设备因处于基本相同电位中,就降低了由电位差引 起的电位反击的概率,形成了水涨船高的形态,从而减少了设备的损坏率。机房内等电位分两类:一类为稳态的等电位,即接地排、汇流线、设备的接地线、地网之 间的连接等;另一类为瞬态的等电位,即电源线与地线、直流电源正负极、信号线与地线、设备内部通过防雷器形成的等电位、馈线与地线间的等电位、避雷针的引 下线与地网等的连接。机房内设备间只有当这两种方式等电位做好了,才能够降低设备被电磁干扰、雷击、感应过电压所破坏的危险度。
5、移动通信基站机房电源系统的防雷保护
①馈线
天 馈通道是雷击感应的主要通道,因此,同轴电缆除了其金属屏蔽层就近接地外,还应选择加装不同的天馈避雷器。因SPD 存在一定的插入损耗,会对天线辐射信号的强度造成影响,选择时应保证其损耗尽可能小,阻抗和工作频率等指标与通信设备相匹。同轴电缆SPD 一般在室外端和室内与设备的接口端分两级设置,其接地端子应就近接到机房外同轴电缆入口处的接地体上,以便让从同轴电缆芯线传来的雷电能量逐级泄放到大 地,防止引入感应雷电流。
②信号线
基站的信号线一般采用2Mb/s 线,其芯线在设备接口处也应加装相应的信号避雷器,尽可能减少浪涌电流对通信设备的影响。
在设置SPD 时,还应考虑它的保护范围。这是因为在SPD 和需要保护设备之间的线缆上,由于雷电波的反射效应造成振荡电压,其幅值与线路长度、负载阻抗成正比。如果线缆较长,SPD 上的残压加上线缆的压降仍可能损坏设备,不能起到保护作用。所以,SPD 应靠近通信设备安装,但有时设备不一定恰好设置在防雷区的交界处,这时应在通信设备处再加装一个SPD。
◆信号线路的防护:
信号线进入机房后,在连接到基站信号设备前应安装信号电涌保护器,以防止来自信号线引入的感应雷。可选towe信号产品:TTS-RJ45-E100/4S等,根据实际信号设备类型,参数选择搭配。
◆馈线系统的保护:
同轴电缆线进入机房后,在连接到基站设备前应安装天馈电涌保护器,以防止来自天馈线引入的感应雷。可选towe馈线信号产品:TGS-G-N-50MF等,根据实际设备接口类型,参数选择搭配。

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