通信基站遭雷击事故分析及其防雷改进措施

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本文摘自《城市建设理论研究》2013年9期。作者：张春江 饶云花

摘要：通信基站是由电源系统、接受发射系统、天馈线系统、中继传输系统等构成的一个综合系统。由于各个系统内部复杂，所使用的仪器设备一般是由大规模集成电路组成的高精密仪器。本文通过一次通信基站雷击实例，从防护直击雷、雷电感应、雷电波侵入和地电压反击方面，分析了基站雷击事故原因及改进措施。
　　关键词 通信基站；雷击事故；防护措施
　　中图分类号： TU856 文献标识码： A 文章编号：
　　引言
　　雷电灾害被联合国有关部门列为“最严重十种自然灾害之一”。当发生雷电时，带电云层在通信设施天线上产生感应电荷或雷电感应通过通信和电力线路侵入，如果天线和通信线缆与大地之间直流通路不畅，在天线和线缆与大地之间产生高电位而引起过电压，致使通信设施无法承受强电流的入侵而损害。
　　雷击事故分析
　　现场情况概述
　　2011年夏，位于丰城市福泽公司办公楼旁的中国联通通信基站被雷击中（基站顶端有明显接闪痕迹）。此基站采用独立接地方式，办公楼利用基础钢筋作自然接地体，基站机房位于办公楼二楼，一楼是公司机房。基站内供电线路与通信线路用金属走线架入基站机房。两机房内电源线路均装有某型号过电压保护器。
　　此次雷击事故损害
　　此次雷击导致基站变压器被击坏；基站机房某型号SPD损坏；基站旁的福泽公司办公楼一楼与二楼间楼板被击穿；一楼机房交换机、路由器、计算机等设备严重损坏；很多业务中断；直接经济损失数万元。
　　地域情况分析
　　江西省丰城市地处该省中南部，雷暴集中出现在6—9月，年均雷暴日约为61天，雷暴强度在江西属中等偏上。
　　雷电侵入方式主要有五种：直接雷击、雷电波侵入、感应过电压、系统内部过电压、地电位反击。
　　雷击事故原因分析
　　此通信基站建设之初未进行雷电风险评估。防雷设计及施工中一些具体环节或措施没做到位，未形成完整一体的雷电防护体系。
　　基站与福泽公司办公楼的安全距离问题
　　据测，该基站距福泽办公楼约3.4m，地网面积比建筑物面积大，因此两地网间实际距离小于3.4m。基站受峰值为几十kA至几百kA瞬态雷电流作用时，其独立接地网电阻很小，但其地网产生高电位，造成基站地网与各金属导线、管道等工作地线直接放电，从而使位于附近的办公楼地网间工作地线引入反击电流。并通过办公楼内工作接地、保护接地引入设备中抬升设备电压，若设备间或电子设备内器件绝缘距离不达标则发生反击。
　　电源线缆和通信线缆采用架空入户方式对雷电防护不利
　　携带大量电荷的雷雨云在架空线路上感应的异性电荷在电源及通信线缆上形成电流引入基站机房设备中；
　　较高雷电流幅值不能经接地装置迅速泄流入地，部分电流将通过架空线架引入机房影响设备；
　　闪电击中附近建筑物或基站时，在周围产生强烈变化磁场，由于电磁感应效应，各类线缆及金属走线架感应出强过电压将沿线路传入基站机房损坏敏感设备。
　　电源线架空入室还可能遭受直接雷击。
　　一楼与二楼间楼板被击穿，等电位连接存在问题
　　事故调查中，我们发现一楼与二楼间楼板击穿处内钢筋断裂，两个钢筋头间有一定间隙。当雷电击中基站时，电流通过架空线以及地电位反击形式进入建筑物，在钢筋断裂处产生高电位差，由于瞬间大电流热效应及机械效应作用，使混凝土炸裂，楼板击穿。
　　基站变压器SPD安装布置存在问题
　　基站变压器只在高压侧安装了间隙性SPD用以泄放雷电流。当变压器低压侧线路受雷击时，雷电波由低压线路侵入产生冲击电流，侵入低压绕组经中性点接地装置入地，接地电流在接地电阻上产生压降。此压降使低压侧中性点电位急剧升高，它叠加在低压绕组出现过电压，危及低压绕组。同时，该冲击电流按匝数比在高压绕组上产生感应电动势，使高压侧中性点电位大大提高，并与绕组相电压叠加，致使高压绕组出现超过层间绝缘全波冲击强度1倍以上过电压，导致层间绝缘击穿。
　　通信基站机房、办公楼机房屏蔽及绝缘措施没达到良好效果
　　防雷整改措施
　　地网改进措施
　　通信基站的独立接地体与办公大楼的地网距离过近，易造成地电位反击。较好的做法是将通信基站接地装置与办公大楼地网使用地极保护器进行连接。连接后正常工作时，通信基站独立接地装置与办公楼地网独立；雷电来袭时，地极保护器将基站接地装置与办公楼地网瞬间连接起来，形成等电位连接，防止地电位反击发生。
　　架空线缆改进措施
　　架空线改为埋地入户方式，并在两端加氧化锌避雷器；
　　使用屏蔽电缆或电缆穿钢管；
　　在入户端，将电缆金属外皮、钢管接到防雷电感应的接地装置；
　　强弱线缆分别走不同走线槽，电源线与信号线走不同线槽。
　　光缆接地方法：光缆的内部金属加强芯与外金属护层两端都接地。
　　等电位连接措施如下
　　办公楼每层电子设备连接到单层等电位端子板；单层等电位端子板连接到大楼总等电位端子板；
　　计算机机房、通信基站机房内所有金属设备外壳均等电位连接，设备就近接地；
　　各防雷区交界金属部件、系统及建筑物内设备、管道等较大金属物均就近等电位连接。
　　等电位连接线材质、取材规格、工艺等应符合防雷规范。
　　架空金属管道、电缆桥架每隔25m接地一次。
　　机房内屏蔽绝缘措施
　　计算机系统所有金属导线均采用屏蔽线缆或穿金属管屏蔽，金属外皮两端接地处理，金属线槽接头做跨接处理。利用建筑物钢筋网和其他金属材料，使机房形成一个法拉第笼，避免发生耦合现象及产生互感电流。
　　
　　基站变压器改进措施
　　原变压器防雷装置改进措施是在低压侧加装氧化锌压敏电阻型SPD，以限制在低压绕组上可能出现过电压，从而保护高压绕组。
　　
　　机房接地要求
　　机房接地电阻交流工作地不宜大于4Ω；安全保护地不应大于4Ω；防雷保护地不应大于4Ω。以上几种接地宜共用一组接地装置的，接地电阻按最小值确定。
　　天馈线系统过电压保护措施
　　基站天馈线应从铁塔中心部位引下，同轴馈线电缆与天线相连，从铁塔或支撑架上引入机房，同轴电缆在其上部、下部和经走线桥架进入机房前屏蔽层就近接地。
　　两级SPD参数选择
　　第一级电源避雷器可防范10/350μs、100KA的雷电波，达到IEC规定最高防护标准；技术参数：雷电通流量≥100kA（10/350μs）；残压峰值≤2.5kV；响应时间≤100ns；
　　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≤1.5kV；响应时间≤25ns；