信息产业部邮电设计院 刘吉克 郑州互助路 1 号 邮编 450007

摘要 信息产业部邮电设计院对全国 10 几个省份移动通信基站遭雷击情况统计结果表明 , 基站收发信机几乎没有一起因遭受直击雷损坏的事例，雷击造成通信设备损坏事故的 95% 是雷电过电压引起的，因此对移动通信基站雷电过电压的保护就更为重要。本文从移动通信基站的事故分析作引导，着重论述移动通信基站的防雷问题。

关键词 移动通信基站 防雷 接地 雷击概率 雷电过电压保护 接地体

 

对于每一个通信局（站）采用统一的防雷措施既不经济、又不合适，一般而言，建在山上及郊外孤立的站与地处雷暴强度较强、雷暴日较多通信局（站）雷击事故概率较大，其应比那些雷击事故概率小的采用更为有力的防雷保护措施。另外移动通信基站的雷电过电压保护，各级防护器件是相辅相成的，互相影响的，此时用以局部防护的过电压器件不能有效的发挥其防护性能，将影响移动通信基站的整体防护。另外还有一个重要的原则，移动通信基站的雷电过电压保护设计必须是建立在联合接地基础上。因此移动通信基站雷电保护并非是简单的接地或者单一的雷电过电压保护器件应用，而是根据移动通信基站所处的具体位置、环境因素、所在地区的雷暴强度及雷暴日的大小、来确定基站的雷电保护措施和方法。

1 一些省市移动通信基站雷击统计分析

信息产业部邮电设计院对全国 10 几个省移动通信基站遭雷击情况的统计，为了便于说明移动通信基站的雷害情况，本文仅对雷暴日较多的福建、湖南、浙江省移动通信基站的统计结果进行分析，选择这几个省的移动通信基站为调查目标，有一个很重要的因素，这就是福建、湖南、浙江省都是雷暴日较多的地区（年雷暴日为 70 以上）。且几乎都没有使用非常规避雷装置（如消雷器、优化避雷针）作为防直击雷的方式，这样根据雷击通信设备的事故分析，就可以说明对于移动通信基站的雷电防护究竟采用什么措施更为有效。

1.1 湖南省移动通信局雷击情况统计

根据所统计到的湖南省移动通信局 281 个站，自 1992 年开通以来，共发生了 24 次雷击事故，其中：

---- 雷击使天线输出变化、参数改变，换天线一根（根据该局人员分析，雷击的原因是：“移动通信天线与避雷针等高，天线不在避雷针保护范围内，雷击造成天线参数改变”，但从天线本身看，没有任何雷击迹象），尚若该事故是雷击造成的，雷击是属于防雷设计问题。占雷击事故总数的 4% ；

---- 电源系统、电源设备损坏 14 次，占雷击事故总数的 56% ，雷击损坏设备有：稳压器、交流配电屏、空调等；

---- 由中继电路造成的事故 10 次，占雷击总数的 40% ，雷击损坏光端机接口； PCM 板；交换机用户板； W2464Z 线路支架； MAX8099 板。

1.2 福建省移动通信基站雷击情况统计

根据所统计的福建省移动通信局 19 个基站，在 92 年开通以来，共发生 11 次雷击（其中既击坏电源，又击坏 PCM 电路的两次），其中：

---- 电源系统、电源设备损坏 3 次，占雷击事故总数的 27.3% （占统计总数的 15.8% ），雷击损坏设备有：电源模块、微波设备室外机电源；

---- 由中继电路造成的事故 9 次，占雷击总数的 81.8% （占统计总数的 47.36% ），雷击损坏 2Mb 接口； PCM 板；话路盘。

1.3 浙江省移动通信基站雷击情况统计

根据所统计的浙江省移动通信局 93 年开通以来遭受雷击的 49 个基站，其中：

---- 电源系统、电源设备损坏 3 次，占雷击事故总数的 28.8% ，雷击损坏设备有：电源模块、微波设备室外机电源；

---- 由中继电路造成的事故 35 次，占雷击总数的 67.2% ，雷击损坏 2Mb 接口； PCM 板；话路盘。

---- 信道、功放电路雷击事故两次（事故原因待分析）。

1.4 湖南、福建、浙江移动通信基站雷击归一化统计结果分析

为了更清楚的分析移动通信基站雷击概率，我们将湖南、江西、福建移动通信基站 1990 ～ 1997 年的雷击事故概率进行归一化处理，归一化雷击概率由下式表示：

雷击次数

归一化雷击概率 =---------------- × 100%

总站数×年

1.4.1 湖南省移动通信局：

雷击电源系统归一化概率 : 0.83% ;

雷击中继电路归一化概率： 0.59%

雷击其它电路归一化概率： 0.06% 。

1.4.2 福建省移动通信局：

雷击电源系统归一化概率 : 2.63% ;

雷击中继电路归一化概率： 7.9% 。

1.4.3 浙江省移动通信局：

雷击电源系统归一化概率 : 1.22% ;

雷击中继电路归一化概率： 14.3% ；

雷击其它电路归一化概率： 0.81% 。

雷击造成移动通信基站的事故，被损坏设备基本上是感应雷引起的电力线、电源设备、与外界有线缆联系的信号电路及接口设备。按防雷接地标准施工的移动通信基站，经过防雷接地、过电压保护的综合治理，此时由直击雷造成的通信设备损坏事故仅是一个小概率事件，另外从湖南、福建微波站 * 与湖南、福建移动通信局雷击统计结果可以看出一个问题：同一省份的移动通信基站的雷击概率远小于微波站的雷击概率，这主要是由于；移动通信基站大都建在城市，微波站建在市郊及山上的站为多的缘故所致。由于雷击造成移动通信基站通信设备损坏事故的 95% 是雷电过电压引起的，因此对移动通信基站雷电过电压的保护就更为重要。 * ①

2 移动通信基站的雷击概率与接地电阻、年雷暴日等因素之间的关系

由于移动通信基站蜂窝网覆盖区基站的分布在城市密度远高于郊县，现阶段山区的基站更在少数，因此造成雷击基站毕竟是小概率事件，虽然中国在世界上属于雷击日最多的地区，但是不要忽略中国的国土幅员辽阔，地区之间雷暴日不均匀性这一不争的事实，中国既有雷暴日超过 100 天的海南省，又有雷暴日不超过 30 天的广大地区及雷暴日 10 天左右的新疆和内蒙，对于每一个通信局（站）采用统一的防雷模式措施，必然造成很大的浪费，相关规范的编制并未考虑这一主要因素，工程技术人员对此应有一个清楚的认识。

从通信局（站）接地电阻这一局（站）防雷的重要参数讲，如果要在大地电阻率大于 500 Ω。 m 的地区建站时，为了达到现有标准规定的 5 Ω，局（站）的接地地网面积，根据地网接地电阻的计算公式：

R ＝ 0.5

式中： R--- 通信局（站）接地网的接地电阻值（Ω）；

ρ --- 站址所在地区的大地电阻率（Ω。 M ）；

S--- 地网的面积（ m 2 ）。

地网的面积应大于 2500 m 2 ，在城市一般专用局址的移动通信基站地网做到这样的面积在通常情况下是困难的，在山区要做到这样的面积和满足接地电阻值的要求可能要花更大的代价。从理论上讲 ① ：“一个接地地网的面积不论有多大，在工频时，可将接地网的表面近似看成等位面，故接地网的全部面积都能得到利用。但是由许多根接地体在地中构成的网状接地体，在冲击电流的作用下，当土壤电阻率和大地介电系数一定时，接地网的冲击等效半径就是一个常数，而冲击等效半径要比接地网面积和的等效半径小的多。即在冲击电流的情况下，仅仅利用接地网很小的一块面积”。因此在确定雷击概率与年雷暴日、地理环境以及接地电阻等因素时，应找出主要雷击因素 * ②。

日本在 70 年代，花了三年时间对 419 个微波站的雷击事故进行了调查研究，其结果表明雷电事故与年雷暴日、海拔高度成正比，而与微波站的接地电阻几乎无关系，虽然日本人的统计是 70 年代微波站的雷击情况，但其结果可为移动通信基站的防雷方案提供一个清晰的思路。

3 移动通信基站的雷电过电压保护

3.1 配电系统对雷电过电压保护器件安装方式的要求

通信局（站）对于不同的供电方式，雷电过电压保护器安装的方式要求是不同的，在中国对于通信局（站）的供电方式，原邮电部暂行规定 XT005-95 《通信局（站）电源系统总技术要求》规定“县以上城市各种通信局（站）宜采用 10kV 高压市电引入，并采用专用降压变压器供电”，这就规定了通信局（站）的配电方式采用 TN 系统，但又规定了“当通信局（站）引入高压电有困难或投资较大时可采用 220/380V 低压市电引入”，即又规定了通信局（站）的配电方式也可采用 TT 系统。

TN 、 TT 系统的接地方式有什么区别呢？

1 ） TN 系统和 TT 系统

TN 系统的第一个字母 T 说明系统中有一点（一般是电源的中性点）直接接大地，它被称作系统接地（ System earthing ），其第二个字母 N 说明用电设备的外壳，经保护接地线即 PE 线（ Protective earthing cordutor ）与该点连接而接地，它被称作保护接地（ Protective earthing ）。 TN 系统又分为三类，图 1 为 TN — S 系统，字母 S 的含义是 PE 线和 N 线一般在中性点接地后，配电单独设立不再接触；图 2 为 TN － C － S 系统，字母 C 的含义是电源至建筑物的一段线路中 PE 线和 N 线（中性线）是合为一根 PEN 线的。字母 S 的含义是 PEN 线进入建筑物后即分为 PE 线和 N 线并不再接触；图 3 为 TN — C 系统，字母 C 的含义是电源中 PE 线和 N 线自始至终合用一根 PEN 线。通信局（站）最常用的是 TN — S 系统和 TN — C — S 系统。

图 1 TN — S 系统                                图 2 TN － C － S 系统

 

图 3 TN — C 系统                                 图 4 TT 系统

图 4 所示为移动通信基站和县支局常用的 TT 系统，是符合《通信局（站）电源系统总技术要求》中规定的，作为基站和县支局其电力负荷要求非常小，一般基站的电力负荷电流仅 30A 以下，这样小的负荷量，不可能设立专用变压器，因此作为基站和县支局由于引入高压电有困难或投资较大时采用了 220/380V 低压市电引入的选择， TT 系统第一个字母 T 也表明系统接地是直接接大地，其第二个字母 T 表明用电设备外壳的保护接地是经 PE 线接单独的接地板直接接大地，它与电源中的 N 线线路和系统接地毫无关连。

因接地系统的不同，通信局（站）电源配电线路雷电过电压保护的器件选用和安装方法要求也十分不同。

2 ）． TN 系统和 TT 系统对安装 SPD 的要求

① TN 系统内安装 SPD 的要求

SPD 的选用与安装和电源线路的接地系统有很大的关系，图 5 为 TN － C － S 接地系统中 SPD 的安装方式。从图可知 TN 系统 PEN 线在进线处已接于建筑物内总等电位联结的接地母排上， PEN 线已在此处接地而等电位，在此处 N 线对地不必装用 SPD ，这时 TN － C － S 系统需装设 3 个 SPD 。但进入通信局（站）以后 N 线对地还需装用 SPD ，这时 TN － C － S 系统需装设 4 个 SPD 。

② TT 系统内安装 SPD 的要求

图 6 为上述 IEC 60364 － 5 － 534 标准推荐的 TT 系统中 SPD 安装方式示例之一。如前所述 TT 系统除电源中性点外， N 线自始至终都是与地绝缘的，因此 N 线上也需装设 SPD ，即三相四线 TT 系统内需装设 4 个 SPD （单相两线 TT 系统内需装设 2 个 SPD ）。

 

图 5 TN － C － S 系统 SPD 安装示意图

 

 

图 6 TT 系统 SPD 安装示意图

3.2 基站配电系统的雷电过电压保护要求

低压电力电缆引入机房入口处（在交流稳压器或交流配电屏前）， TT 系统相线对中性线、中性线对地（ TN 系统相线及中性线应分别对地）加装过压型 SPD ，并且在 SPD 回路中串接保险丝，其目的主要是防止 SPD 因各类因素损坏或由于暂态过电压使 SPD 燃烧（国内外移动通信基站发生过多次此类事故，国外的防雷公司的 SPD 产品在工程上都要求采用串接保险丝， IEC60364-5-534 《过电压保护装置》对此有专门论述），影响移动通信基站供电线路的正常工作（由于以往的规范忽视了在 SPD 并联回路中串接保险丝，从而给移动通信基站的正常供电带来了隐患）保险丝标称电流的量级一般为上一级保险丝的 1/1.6 倍。

并且根据雷电活动区的划分、移动通信基站的分类、移动通信基站所处的地理环境、建筑物的形式、供电方式的情况，在设计中对电源 SPD 提出的不同要求。

（ 1 ） 建在高山，地处多雷区以上，与微波站合用机房的移动通信基站，配电变压器低压侧各相对地应安装安装冲击通流容量大于 100kA SPD ；在电力室入口处各相及中线对地应安装标称放电电流为 20kA 的过压型 SPD ；其中过压型 SPD 必须考虑电力供电电压波动较大的问题。

（ 2 ） 建在城市和郊区无专用配电变压器供电，配电采用 TT 系统的移动通信基站低压电缆必须从共用的配电变压器全程埋地引入机房，在机房入口处，相线应分别对 N 线加装过压型 SPD ， N 线对地间应采用由放电管组成的 SPD ，地处城市的基站应安装标冲击通流容量大于 60kA 的过压型 SPD ；地处郊区的基站应安装冲击通流容量大于 80kA 的过压型 SPD 。

（ 3 ） 建在野外空旷场地、无机房建筑的无线基站供电线路应采用冲击通流容量大于 100kA 电源 SPD ， SPD 接地端子应就近与地网连接，避雷箱内的元器件必须考虑电力供电电压波动较大的问题，无线基站供电的电力电缆必须全程埋地引入。

(4) 移动通信基站内直流电源线使用的 SPD 应具有带保险丝功能的、标称放电电流为 3kA 的 SPD ， SPD 应就近接地。

(5) 两级 SPD 的隔距

按照国内外有关文献及标准，根据两级 SPD 的类型， SPD 对雷电反映时间的快慢，连接线缆的材料及粗细，当两级都为 MOV 时，连接线缆隔距一般要求为 3 ～ 5 米；当两级 SPD 为不同器件时，连接线缆隔距一般要求为 10 米 或连接线缆电感量为 7 ～ 15 m H 。因此为了有可操作性，当上一级 SPD 为雷击电流型 SPD ，次级 SPD 采用过压型 SPD 时，两者之间的配电缆线隔距应大于 10 米 。当上一级 SPD 与次级 SPD 都采用过压型 SPD 时，两者之间配电缆线的隔距应大于 5 米 。

3.3 信号线的雷电过电压保护

由于进入局（站）的 PCM 电缆芯线未加装保安单元，特别是进入无线通信局（站）的缆线未加装保安单元，致使 PCM 接口、 PCM 逻辑盘、话路板以及 2Mb 接口被雷击坏的事故时有发生。而这些存在的问题，正是 IEC1312 和 ITU-K 系列文件专门论述的要点，为了减少雷害事故的发生，这些问题更应引起我们的注意。

1) 出入通信局（站）的电缆，应在进线室将金属铠装外护层做接地处理。

2) 出入通信局（站）的光缆，应将缆内的金属构件，在终端处接地。

3) 进入通信局（站）的 PCM 电缆芯线应加装保安单元，空线对应就近接地。

4) 进入无线通信局（站）的缆线应加装保安单元后，再与上下话路的终端设备相连。

3.4 移动通信基站天馈线的雷电过电压保护

根据对广东、福建、广西、湖南、浙江、辽宁等省移动通信基站的雷击情况调研，由天馈线引入的雷电浪涌损坏移动通信设备的事故概率是小概率事件，国内引进的基站设备，除了 MOTOROLA 公司的产品馈线上加装了雷电过电压保护器，其它公司一般都不随机携带（同轴电缆在天线侧和发射机侧要求接地），鉴于上述统计结果从馈线上引入的雷害事故在移动通信基站还鲜为人知，在 1998 年前国内运行的大多数移动通信基站的天馈线一般都未加同轴 SPD ，因此是否安装同轴 SPD 应从防雷的必要性和经济性的原则，并根据基站所处具体的地理环境来确定，同轴 SPD 接地端子的接地引线，根据电磁兼容的原理，应在机房外接地。

建在城市内孤立的高大建筑物或建在郊区及山区，地处中雷区以上的移动通信基站，当馈线采用同轴电缆，同轴电缆长度超过 30 米 时，应在同轴电缆引进机房入口处安装标称放电电流不小于 5kA 的同轴 SPD ，同轴 SPD 接地端子的接地引线应从天馈线入口处外侧的接地线、避雷带或地网引接。

4 移动通信基站的接地

4.1 天馈线的接地

（ 1 ）铁塔上安装移动通信天馈线的防雷接地：

铁塔上架设的移动通信系统馈线、同轴电缆金属外护层应在天线侧及进入机房入口处外侧就近接地，经走线架上塔的馈线及同轴电缆，其屏蔽层应在其转弯处上方 0.5 ～ 1 米 范围内作良好接地，当馈线及同轴电缆长度大于 60 米 时，其屏蔽层宜在塔的中间部位增加一个与塔身的接地连接点，室外走线架始末两端均应和接地线、避雷带或地网连接。

（ 2 ）在民用建筑上安装的移动通信天馈线的防雷接地

移动通信系统的扩容，微蜂窝、小区化，城市中多数基站一般都利用民用建筑设立站址，在其建筑物房顶安装移动通信天线。国家标准 GB 50057-94 《建筑物防雷设计规范》，对于通信局（站）和民用建筑的防雷设计，从建筑物的分类来讲就不是一个类别，对于通信局（站）的防雷设计要求，远高于民用建筑的防雷设计，不同类别的建筑物使用的目的是不同的，明明是公共建筑物，基站却要设计在这里，这就为移动通信基站的防雷接地带来不少的难题。

许多工程技术人员来电讲，按照规范设计不好处理，也做不到条文所要求的，当然由于建筑物的类型很多，不可能用一种模式去解决所有的问题，对于利用办公大楼、大型宾馆、高层建筑作为基站机房天馈线系统的接地，由于条件所限只能利用大楼顶避雷带上或者在大楼顶的避雷网预留的接地端（相对而言，此类建筑物内的主钢筋作为防雷接地系统是安全的）；而对于较低的居民楼或公共建筑物，除了利用楼顶的避雷带外，为了保险的缘故，最好在楼底下专设一组地，用 40X4 的镀锌扁钢引至楼顶避雷带焊接为一体作为作为基站机房天馈线系统的接地。

4.2 接地体的选择

对于和其它通信局（站）同站址的基站，基站的接地系统仅需利用原有机房的接地系统，对接地体没有什么特殊的要求，但建在民用建筑的基站，往往由于条件所限，或者业主和环境的要求，基站的接地是非常困难的事情，这也是各地移动通信局经常询问笔者的问题。

首先通信局（站）地网的概念在民用建筑中是不可能存在的，民用建筑本身的防雷接地仅是利用建筑物内的金属构件和基础内的钢筋作为防雷接地系统，由于作为雷电流引下线柱内的主钢筋并非是焊接的，此时若将建筑物本身金属构件的作为唯一的接地系统是不可靠的，为此一般应在此基础上另外设一个辅助接地系统，两个系统焊接为一体，这样才能保证基站设备的安全运行。

上面讲到，往往由于条件所限，或者业主和环境的要求，接地体的选择就很重要，从实际出发，在楼房机房的一侧地下，根据环境条件，可设一组接地体，接地体可有 3~5 根 2.5 米 长的镀锌垂直接地极棒组成，在电阻率较高的地区，通信局（站）要达到规范要求的接地电阻值，可在垂直接地极棒周围加液状长效降阻剂。

结论

（ 1 ） 从移动通信基站的雷击概率而言，雷击事故的 95% 以上都是由电源线、信号线引入，因此在通信局（站）联合接地的基础上，移动通信基站的雷电过电压保护就更为重要。

（ 2 ）同一省份的移动通信基站的雷击概率远小于微波站的雷击概率，这主要是由于；移动通信基站大都建在城市，微波站建在市郊及山上的站为多的缘故所致，由此看地理环境因素是雷击的一个重要因素之一。

（ 3 ） 从日本对 419 个微波站雷击事故的统计结果表明：雷电事故与年雷暴日、海拔高度成正比，而与微波站的接地电阻几乎无关系，这个统计结果可为移动通信基站的防雷方案提供一个清晰的思路。

（ 4 ）一般而言，年平均雷暴日数无法表达雷电强度的大小，在衡量一个通信局（站）遭雷击次数的概率分布时，还必须将通信局（站）所处的地理环境、通信局（站）建筑物的形式、本地区的雷电活动情况等因素进行统筹考虑。

（ 5 ）《通信局（站）电源系统总技术要求》规定其配电方式采用一般 TN 系统，但又规定了通信局（站）的配电方式也可采用 TT 系统，移动通信基站基本上采用的都是 TT 系统。鉴于 TN 、 TT 系统的接地方式不同，因此 SPD 的安装方式和作用也是不同的，错误的安装方式轻者将导致 SPD 的损坏，重者将致使通信设备烧毁。

（ 6 ）移动通信基站的天馈线系统是否安装同轴 SPD 应从防雷的必要性和经济性的原则，并根据基站所处具体的地理环境来确定。

（ 7 ）建在电阻率较高的地区的基站，若要降低接地电阻值，垂直接地极棒周围加液状长效降阻剂可以说是最经济而降阻效果又较佳的选择。

（ 8 ）通信局（站）机房的防雷设计要求，远高于民用建筑的防雷设计，不同类别的建筑物使用的目的是不同的，明明是公共建筑物，基站却要设计在这里，这就为移动通信基站的防雷接地带来不少的难题。由于建筑物的类型很多，不可能用一种防雷模式去解决所有的问题，因此应因地制宜搞好基站的防雷接地工作。

 

参考文献：

① 刘吉克《关于通信局站雷电保护区划分等问题的研究》 1999.11

② 刘吉克《关于微波站地网的优化设计》邮电设计技术　１９９２ .(10)

③ 刘吉克《联合接地的接地装置及防腐》邮电建设１９８９ . （ 3 ）

④ 刘吉克《通信大楼的接地与其防腐》建筑电气１９９１ . （ 4 ）