移动通信基站雷电电磁脉冲综合防护设计
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇移动通信基站雷电电磁脉冲综合防护设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：本文阐述了雷电及雷电电磁脉冲产生的原理，结合移动通信基站的特点，对其自身雷电电磁脉冲的防护设计提出建议，并结合广东省云浮市某移动通信基站防雷电电磁脉冲的设计方案加以具体说明。文章主要从屏蔽设计、等电位连接、接地以及SPD的选择等方面加以讨论，对移动通信基站雷电电磁脉冲的防护设计提出相应的建议。
关键词：雷电电磁脉冲 屏蔽 等电位 接地 移动通信基站
1、引言
随着微电子技术的应用渗透到生产和生活的各个领域，雷电灾害的范围变得越来越大，由闪电直击和过电压波沿金属线传输扩大到雷电电磁脉冲（LEMP-lightning electromagnetic pulse[1]）从三维空间入侵到任何角落，无孔不入地造成雷电灾害。移动通信基站是由电源模块、接收发射模块、天馈线模块、中继传输模块等构成的一个综合系统。每到雷雨季节时，抗扰度水平低的移动通信基站MODEM、程控交换机、GSM设备、2M板等常常因雷击而损坏，造成较大的直接和间接经济损失，影响当地移动通信系统的正常运行。因此，在移动通信基站建设之初就应该对雷电电磁脉冲防护提出非常严格的要求，以确保通信设备和人员的安全，减少雷电或其它强电磁脉冲对移动通信系统的干扰，使相关设备免遭损坏，保证通信系统安全可靠地运行。
本文正是就移动通信基站的综合雷电电磁脉冲防护提出的设计方案。
2、雷电能量耦合到移动通信基站的主要途径
雷电电磁脉冲是一种强干扰源，它的传输途径分为两种：一种是空间传输的辐射干扰。闪电通道和引导闪电电流的外部防雷装置都起着辐射天线的作用，它们向周围空间辐射强电磁波；另一种途径是沿金属导线传输的传导干扰。雷电电磁脉冲产生的过电压沿电力线、信号线、地下或地上的电缆线、天馈线以及各种金属管道等导体进行传输。
就室外的移动通信基站而言，雷电电磁脉冲能量的耦合途径主要有：1、雷电直接击中金属导线，如电力线、通讯线等，雷击过电压传导到室内，将终端设备击坏；2、雷电击中金属铁塔，雷电流在下泄过程中形成的高压与邻近的信号系统之间发生反击；3、雷击形成的电磁脉冲以波的形式传输到机房内部，在内部信号网络上感应出过电压或者过电流，从而损坏系统设备。
3、雷电电磁脉冲的综合防护技术
移动通信基站是由电源模块、接收发射模块、天馈线模块、中继传输模块等构成的一个综合系统，防雷的目的是保证整个系统能正常工作，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交界处，而雷击的能量通过接地系统引入大地。根据IEC-61312防雷分区[2]的概念可以知道，不同防雷保护区之间的电磁强度不同，除LPZ0区外，内部防雷保护区因电磁衰减而与外部防雷保护区的雷电电磁强度不一样。因此，做好屏蔽措施，在一定程度上可以有效防止雷电电磁脉冲的侵入。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保护区的途径还有接地系统。当雷击点在地网附近，雷电流通过接地体入地，地网瞬间的高电位可能通过接地线反击到设备，造成设备损坏。可见，要实现雷电电磁脉冲的综合防护，应同步采取外部防雷措施和内部防雷措施。IEC/TC-81将综合防雷总结为[2]:D-B-S-E技术，即分流(Dividing)、均压(Bonding)、屏蔽(Shielding)、接地(Earthing )四项技术的综合。只要综合采取四项措施，严格按照相关技术规范进行设计施工，就能起到理想的防护效果。
4、广东省云浮市某移动通信基站雷电电磁脉冲的防护设计
4.1 防雷对象实际勘测
4.1.1 勘测对象
勘测对象为广东省云浮市某移动通信基站。
4.1.2 地理、气象条件
该移动通信基站设在广东省云浮市郊外某小山头，海拔高度为150米。山顶土壤浅薄，表层15厘米以下为香灰土，土壤电阻率大。广东省云浮市的年平均雷电日数为87.6天，最高年份为124天，属雷击高发区。
4.1.3 防雷类别的确定
按照建筑物的年预计雷击次数计算公式[3，4]：N＝（次/a）
N－建筑物年预计雷击次数，单位：次/a；
K－校正系数，因基站设在山顶，K取2.0；
Ng－建筑物所处地区雷击大地的年平均密度[次/（km 2・a）]；
Ae－与建筑物截收相同雷击次数的等效面积(km 2)；
Ng＝=＝8.04[次/（km 2・a）]；
式中L、W、H分别为建筑物的长、宽、高，其中L=7m，W=4m，H＝20m。当H＜100m时,扩展宽度D＝；
Ae=
代入具体数值得到，
Ae＝＝ (km 2)
N＝≈0.2（次/年）
根据计算，在不改变自然环境条件下，该移动通信基站的年预计雷击次数为0.2次。同时由于机房旁边有高耸的天线铁塔，增加了直击雷的发生概率。可见，该基站的雷击环境比较恶劣，考虑其重要性，可将该基站的防雷类别确定为二类防雷设计标准。
4.2 设计依据
本方案主要依据以下管理法规、技术规范进行设计：
1、《中华人民共和国气象法》；
2、中国气象局令第3 号《防雷减灾管理办法》等雷电灾害防御工作的有关法律、法规、规范性文件；
3、《移动通信基站防雷与接地设计规范》YD5068-98；
4、中华人民共和国国家标准GB50057-94《建筑物防雷设计规范》；
5、国际电工委员会标准《雷电电磁脉冲的防护》IEC-61312；
6、中华人民共和国《防雷器材指标要求》GB11032-89；
7、《微波站防雷与接地设计规范》YD2011-93；
8、《通讯局站接地设计暂行技术规定》YDJ26-89。
4.3 本方案设计的基本思路
本方案的总体设计示意图如下图1所示。
图 1 移动通信基站总体设计示意图
说明：该移动通信基站由变压器、机房及天线铁塔等三部分组成。三者采用共地系统。
4.3.1 直击雷防护
接闪器、引下线、接地体三部分构成的外部防雷装置起到对直击雷的拦截、疏导分流、入地三大功能，只要设计规范,安装合理,妥善维护,便能对直击雷进行有效的防护。
根据前文分析，该移动通信基站的设计标准为二类。铁塔作为独立避雷针,根据滚球法计算出的保护范围足以覆盖到机房等相关设施。
4.3.2 接地
移动通信基站由变压器、机房及天线铁塔等三部分组成，三者采用共地系统，如图1所示。共用接地网尽量使用机房基础中的钢筋【5】。接地电阻值小于1Ω。
4.3.3 屏蔽
机房五面墙体（四壁墙体加顶层）用镀锌扁钢构成屏蔽网格，镀锌扁钢规格为50mm×5mm，网格尺寸为800mm×800mm，扁钢交叉处作可靠焊接。在机房防静电地板下设置“M型”接地铜排，铜排规格为30mm×3mm，间隔小于2米。机房圈梁、立柱外侧每隔800mm设置一个焊接预留端（在浇铸混凝土前预设），供屏蔽网和等电位焊接使用。电源线应穿金属管埋地进入室内，埋地长度不小于50m，埋地深度不小于0.5m。天馈线、信号线也需埋地入室，在缆线入室处对其金属外层作就近接地处理。
4.3.4 避雷器的选择
1、电源线路保护
电源设三级SPD保护，进行逐级箝压。对航空障碍警示灯在电源输出端加装防逆向SPD保护。电源SPD的选用型号见表1。
2、信号线路保护
信号电路是电子系统的重要组成部分。信号电路中的电子设备绝缘强度低，对过电压和过电流耐受能力差，很容易受到暂态过电压的危害。因此对进入室内的信号线都需选择安装相应的信号SPD进行防护。信号SPD选用型号见表1。
表1 选用避雷器型号表
4.4 天馈系统的防雷防护
移动通信基站天线在接闪器的保护范围内，基站馈线的外金属护层，应在上部A点，下部B点和经走线架进机房入口C处作三点接地（如图1所示）。在铁塔上的两处接地应就近接至铁塔本身，在机房入口第三接地处应就近与地网引出的接地线妥善焊接连通，当铁塔高度大于或等于60m时，同轴电缆馈线的金属外层还应在塔体中部增加一处连接[6]。
同轴电缆馈线进入机房后与通信设备连接处安装天馈SPD，以防来自天馈线引入的感应过电压，天馈SPD接地线应就近连接到设备的金属外壳上，选择天馈SPD时应考虑阻抗、衰耗、工作频段等指标与通信设备相适应[7]。
5、 结论
通过以上移动通信基站防雷工程设计，我们得到如下经验：
1、防雷工程现场勘测非常重要。每个需要防雷的对象所处的雷电环境都是不一样的。因此要十分重视从工程现场采集数据，量身定做地进行防雷方案的设计。
2、对电子信息系统必须综合采取防雷措施才能得到最佳的防雷保护效果。在设计中应综合采用分流、均压、屏蔽、合理布线、安装SPD等措施，全方位地对系统进行防雷保护。
参考文献
[1]IEC6034-5-548.Earthing arrangements and equipotential banding for information technology installations[S]: IEC,1996.
[2]IEC61312. Protection against lightning electromagnetic pulse[S]：IEC/TC 81,1995.
[3]IEC62305-2. Protection Against Lightning Part 2: Risk management[S]:IEC/TC 81,2005.
[4]GB50057-94(2000版).建筑物防雷设计规范[S]: 中华人民共和国机械工业部，1994.
[5]周志敏,周济海,纪爱华.电子信息系统防雷接地技术[M].人民邮电出版社.2004.132.
[6]史俊青.移动通信基站防雷与接地[M].电信工程技术与标准化.2002（3）.63.
[7]冉茂林.浅谈移动通信基站的雷电防护[M].贵州科技报.2004年5月29日第4版.