移动通信基站的安全与防护方案设计(35页).doc
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1、-移动通信基站的安全与防护方案设计-第 27 页论文题目:移动通信基站的安全与防护方案设计 摘 要本文以整个移动通信系统为基础,以基站防护为重点,综述了当今最流行的防雷技术,并分析了通信系统的整体防雷技术方案。从外部防护到内部防护进行了分析研究,着重对基站的防雷与接地、等电位连接等防护方案作了具体分析。【关键词】 基站 直击雷 感应雷 接闪器 等位连接 接地 【论文类型】 设计型Title: The design of the security and protection for mobile communication B SABSTRACTThis text regard whole a
2、mbulation correspondence system as the foundation, with CS protection for point, overview the now is popular most of defend the thunder technique, and analyzed the whole of the correspondence system defend the thunder technique project.Proceeded from exterior protection to the internal protection th
3、e analysis study, emphasizing to CS of defend the thunder with connect a ground of, shield, etc. the electric potential links, the power supply system conducts electricity to press protection etc. protection project made the concrete analysis.【Key words】 Base Station Connect ground Keep the shot thu
4、nder Respond the thunderConnect the machine of flash Wait a conjunction 【Type of Thesis】 Design type 前 言在科技飞速发展的今天,现代移动通信技术也正以前所未有的速度向前发展着,作为现代移动通信不可缺少的通信基站,承受着恶劣气候的影响,其中雷电是对其危害最大的因素。雷电是自然界中一种常见的放电现象,自然界每年都有几百万次闪电,每年雷击造成的人员伤亡和财产损失,仅次于水灾而大于其它任何灾害。然而防雷是一个很复杂的问题,不可能依靠一、两种先进的防雷设备和防雷措施就能完全消除其对现实中的影响,必须针对
5、雷害入侵途径,对各类可能产生雷击的因素进行排除,采用综合防治均压、屏蔽、分流、接地、保护(包括安装先进的防雷产品、过电压保护器、浪涌保护器),才能将雷害减少到最低限度。多年来,通信设备因遭雷击而使通信中断或发生火灾的问题不断发生,因此加强基站雷电防护,减小损失,已经成为当务之急。作为即将成为一名通信技术人员的毕业生,为了今后工作需要,以及对通信基站防雷工程的了解和掌握,特进行此次毕业设计,为今后移动通信系统抗干扰技术的研究做出努力。在这次设计过程中,本人查阅了大量有关的防雷资料,并在网上下载了最先进的防雷设计方案。对设计方案进行了详细的了解和学习。在本次论文设计中将从外部防护和内部防护两方面着
6、手,先从外部防护的接闪器,引下线,联合接地,等电位连接到内部防护,基站接地,电磁脉冲感应,电源系统等防护的方法和要求,提出了整体的防雷概念。由于本人知识水平有限,加之时间仓促,在设计中难免会出现一些错误及疏忽之处,在此恳请各位老师和同学给予批评指正。目录1 移动通信系统的概述11. 1移动通信系统的发展112基站的安全防护1121雷电的形式1122雷电的危害1123雷电的防护22 移动通信基站防护的基本原则与方法321基本原则322防护方法33外部防护431接闪器4311接闪器的概念4312滚球法理论4313接闪器的设计632引下线7321引下线的概念7322引下线的设计733联合接地8331
7、联合接地的概念8332联合接地的设计94 内部防护1241信息系统防雷概念1242电涌保护12421电源系统防雷概念13422电源系统防雷措施1343均压设计的概念1444地网等电位设计155 接地系统195.1 接地系统的组成195.2 铁塔防雷与接地195.3 天馈线系统的防雷与接地195.4 基站电源系统防雷与接地205.5 机房防雷与接地206 总结22附录23致谢24参考文献26英文27中文301 移动通信系统的概述1. 1移动通信系统的发展随着科学技术的飞速发展,移动通信系统也经过了几次历史变革。从最早的模拟移动通信系统到当今最主要的数字移动通信系统以及正在发展中的第三代移动通信系
8、统 CDMA都将对移动通信的发展和完善做着巨大的贡献。在此,我们以当今最成熟的数字移动通信系统来做介绍。12基站的安全防护雷电具有很强的破坏性,是联合国国际减灾十年委员会公布的对人类威胁最严重的自然灾害之一。由于移动通信基站的天线设备等不仅安装在建筑物顶上,而且也有相当一部分安装在铁塔上,相对周围的环境而言,形成十分突出的目标,导致移动通信基站常遭受雷击,从而引起通信设备损坏和通信中断,甚至威胁工作人员的安全。因此,防雷对于移动通信基站而言是十分必要和重要的。121雷电的形式雷电包括直击雷和感应雷两种形式。直击雷是指由铁塔,天线及电源端直接引入的雷击,形成强大的电流和过电压损坏设备,危害最为严
9、重。感应雷是指雷电电磁脉冲以感应方式,如通过电阻性,电容性和电感性耦合到电源线,信号线或用户线上,最终危害设备。122雷电的危害1) 直击雷的危害雷电直接击中通信基站建筑、通信设备、通信电缆和操作人员,会造成建筑物损毁、设备损坏、电气短路引起火灾甚至人员伤亡等严重后果。虽然直击雷发生的概率非常小, 但其危害却十分大, 再加上防直击雷装置接闪过程中(di/dt值比较大时)很容易引起电位反击和二次雷击效应(即下面所说的感应雷), 所以仍不能掉以轻心。2) 感应雷的危害显然感应雷是由直击雷引起的,感应雷产生于导体中并沿导体传播,损坏导体或与导体相连的某些设备或设备中的某些器件。通信基站的设备中有大量
10、的集成电路通过金属导线相连,并且通信基站也通过电力电缆和各种通信传输电缆与外界相连, 这就为感应雷的侵入提供了良好的条件, 加上现代通信设备采用了大量微电子电路, 其耐冲击水平较低, 容易为感应雷所损坏, 产生各种各样的设备故障。感应雷形成的损害往往是通信设备的核心器件, 给正常通信带来障碍。有时感应雷引起故障甚至让我们很难把它与雷电有什么联系。有研究表明直击雷可在其周围500米范围的半导体上感应起危险电压, 加上通信基站与外界连接的各种长距离电缆可在更大的范围内感应上雷电电磁脉冲, 并几乎无衰减的沿电缆传入通信基站。因此对通信基站来讲感应雷的概率远远大于直击雷的概率,可以说通信基站防雷主要是
11、防感应雷。123雷电的防护移动通信基站的防雷防护分为3类:外部防护,内部防护和信息系统的防护。直击雷保护(又称外部防护)系统由接闪器( 避雷针、避雷网、避雷带) 、引下线、接地装置组成。雷击感应保护(又称内部防护)系统是由各种类型的电涌保护器(SPD)组成,它是雷击电磁脉冲的克星,它能在超短瞬间内将被保护线路连入等电位系统,把设备各端口等电位因雷击而产生的大量脉冲能量短路泄放到地下,将电子器件所用的电压钳在设备能承受的低电压上,消除巨大脉冲危害,从而保护电器上设备安全运行。2 移动通信基站防护的基本原则与方法21基本原则在防雷保护中,总的防雷原则是采用三级保护:(1) 将绝大部分雷电流直接引入
12、地下地网泄散;(2) 阻塞沿电源线或数据线,天馈线引入的过电压;(3) 限制保护设备上浪涌过电压幅值(过电压保护)。这三点防线缺一不可,互相配合。22防护方法外部防护(即直击雷保护)是指对安装通信设备的建筑物本体的安全防护,可采用避雷针,分流,屏蔽网,均衡电位,接地等措施。a) 使用建筑物的避雷针将主要的雷电流引入大地;b) 在将雷电流引入大地的时候,尽量保持设备间的电压均衡,避免造成过电压;c) 建筑物中的金属部件以及钢筋可以作为不规则的法拉力笼,起到一定的屏蔽作用。d) 对无法等电位连接的设备端口使用过电压保护器(SPD)进行必要的保护;e) 保障建筑物有良好的接地,降低雷击建筑物时造成的
13、损坏。 内部防护(即感应雷保护)是指在建筑物内部,通信设备对过电压(雷电或电源系统内部过电压)的防护,其措施有等电位连接,屏蔽,保护隔离,合理布线和设置过电压保护器等。3外部防护防雷即引雷。虽然有不少专家学者在努力的研究企图找出有效的防止直击雷的方法,但直到今天仍无法阻止雷击的发生。70年代以来名燥一时的消雷器也因理论和实践存在的问题而被防雷专家所否定。雷电如洪水,既然我们堵不住雷电,我们就疏导它。两百多年前富兰克林发明的避雷针仍然充当今天防直击雷领域的主要角色。防直击雷设施主要包括接闪器、引下线和接地体。接闪器采用避雷针,引下线采用金属线接地。按照“滚球法”校核接闪器的保护范围,使微波天线和
14、基站建筑物处于接闪器的保护范围内。接闪器不能消除雷击,但可以将大量的雷电流通过引入地下线。因此在其保护范围内雷击不会损坏微波天线和机房建筑物。31接闪器311接闪器的概念接闪器是指避雷针及在其原理基础上的衍生及推广产品如避雷线、避雷带、避雷网等的统称。接闪器的防雷是因为其将雷电引向自身经引下线泄流入地而避免了被保护物被雷电击中。任何良好接地的导体都是有效的接闪器,而与它的形状没有任何关系。有铁塔的通信基站其铁塔本身就是良好的接闪器,通常情况下铁塔占据了通信基站建筑物的整个屋面。如果铁塔在建筑物顶部且铁塔比屋面小的就应将铁塔四周与屋顶避雷带等作好电气连接,但若建筑物在铁塔的保护范围内的则不需要。
15、如若铁塔在通信基站附近且建筑物不在或不完全在铁塔的保护范围内的可在建筑物顶部设避雷带,并校核铁塔和避雷带联合防雷的保护范围。通信基站附近无铁塔的宜优先采用避雷网作为建筑物的接闪器,如果屋面有天线等通信设施可在局部加装避雷针保护,这样接闪器的高度不会太高,不会增大通信基站的雷击概率。312滚球法理论“滚球法” 是国际电工委员会( IEC) 推荐的接闪器保护范围计算方法之一。我国建筑防雷规范GB 500571994(2000 年版) 也把“ 滚球法” 强制作为计算避雷针保护范围的方法。滚球法是以为半径的一个球体沿需要防止击雷的部位滚动,当球体只触及接闪器(包括被用作接闪器的金属物)或只触及接闪器和
16、地面(包括与大地接触并能承受雷击的金属物),而不触及需要保护的部位时,则该部分就得到接闪器的保护。滚球法确定接闪器保护范围应符合规范规定,见表1。应用滚球法,避雷针在地面上的保护半径的计算可见以下方法及图2。a)避雷针高度时的计算距地面处作1 条平行于地面的平行线。以针尖为圆心、为半径作弧线交于平行线A,B 两点。以A,B 为圆心,为半径作弧线,该弧线与针尖相交并与地面相切,这样,从弧线起到地面就是保护范围。保护范围是一个对称的锥体。避雷针在高度的平面上和在地面上的保护半径,按公式(4)计算确定b)当避雷针高度时的计算在避雷针上取高度的一点代替单支避雷针针尖并作为圆心,亦可见图2。313接闪器
17、的设计由于建筑物的防雷类别分为两类,所以滚球设计接闪器时滚球的半径R=45m;由于机房和配电室的屋面无要保护的设备,它们的屋面接闪器采用避雷带与建筑物混凝土内的钢筋相连构成暗装避雷网。铁塔上的天线可在铁塔上加装避雷针保护,如图(3)所示,设天线顶端距地高度为h米,距避雷针的距离为d米,避雷针高为H米。则有:设h=25米,d=1米,可求得H=27米即避雷针顶部距地面为27米。 (米)由于R为45米,h和d可通过实测获得,所以避雷针高H可以确定。图3避雷针可选用独立避雷针,针长12米,圆钢组成直径为16毫米,其导流面积大于100平方米,符合( GB50057)的要求。可根据安装需要焊接或螺栓紧固在
18、铁塔顶部。32引下线321引下线的概念引下线的作用是将接闪器接闪的雷电流安全的导引入地,引下线数量不得少于两根,并应沿建筑物四周对称均匀的布置,引下线间距、焊接长度材料规格也必须符合要求,引下线应与各层均压环焊接。对于框架结构的建筑物,宜利用建筑物内的柱钢筋作为防雷引下线,建议把柱钢筋与梁、板钢筋连接起来,这样可以形成人们常常所说的法拉第网。同时建议采用多根引下线,采用多根引下线不但提高了防雷装置的可靠性,更重要的是多根引下线的分流作用可大大降低每根引下线的沿线压降,减少侧击的危险。目的是为了让雷电流均匀入地,便于地网散流,以均衡地电位。同时,均匀对称布置可使引下线泄流雷电时产生的强电磁场在引
19、下线所包围的电信建筑物内相互抵消,减小雷击感应的危险。322引下线的设计1)采用独立避雷针加专门引下线的方法:在通信大楼的楼顶往往有通信铁塔,因此大楼遭直击雷的可能性就越大,为了防止直击雷对铁塔有关通信设备造成危害,我们所面临的两方面的问题是:一方面是雷电流会沿着天线馈线或波导进入机房,损坏设备。另一方面,沿铁塔入地的雷电流也会对绑在铁塔上的天馈线产生较高的雷感应电压。如何避免雷电流或雷电压脉冲侵入通信设备,应考率采用独立避雷针加专门引下线的方法。图4防直击雷用独立避雷针系统示意在塔顶安装独立的,与铁塔金属体没有直接连接的避雷针,并用独立的专门引下线将雷电流直接引致楼顶或大地,其引下线直径取大
20、于10mm。引下线应于天馈线有较大的隔距,如图1所示。这种作法可以降低雷电流和雷感应电压对通信设备的影响。分析如下:铁塔的波导和馈线可以将6%的雷电流引入机房。对于雷电流普遍高达50100KA的直击雷来讲,6%的分流就有36 KV而在综合通信局站中,无线机房的电源和地线系统,有时还有传输系统都是共享的,对于某些没有人和防备的设备来讲,6 KV的雷电流侵入很可能有损害。从另一个角度来看,避雷针引下线与天馈线隔距较远,对雷电流在天馈线上产生的感应电压也会显著降低。因为感应电流也会显著降低。因为感应电压与源至被感应线的距离的对数成反比关系 (1)在同样条件下,二者之间的隔离加大10倍,感应电压可以将
21、低为1/2.3,因此尽可能加大独立避雷针引下线与天馈线间的距离,可以有效降低天馈线上的雷感应电压。2)机房和变压器房的避雷带用建筑物内的钢筋作引下线,将屋面避雷带按标准要求分别接在四个角上,将避雷带与机房混凝土内的钢筋相连。33联合接地331联合接地的概念由于接地系统的质量往往成为避免雷击事故发生的关键,所以防雷问题往往成为基站收发信台设备安装设计中的一个重要问题。对于山区内孤立山上的基站收发信台,雷击事件较为频繁。无论何种电荷泄放方式引起的浪涌电流都很大,且持续期很短,频谱很宽,因此天线对地的直流通路不但要求电阻足够低,还必须要求电感量尽可能小。对于普通基站收发信台,接地电阻小于等于5欧姆,
22、对于土壤电阻率较高的基站收发信台,接地电阻可设计在10欧姆以下。移动通信的基站设备均应有效接地。通信设备的工作接地(分为直流工作接地和交流工作接地)、保护接地及建筑防雷接地合用一组接地体的接地方式称为联合接地方式。防雷接地系统的要求主要体现在以下两个方面:1) 接地电阻的要求. 接地电阻主要包括土壤电阻、土壤和接地电极之间的接触电阻、地电极自身电阻、接地引下线电阻等. 由于后几种电阻很小,一般可忽略不计,所以接地电阻主要是指土壤电阻. 降低接地电阻是实现雷电流泄流的关键. 雷电流通过单根引下线的全部电压降计算公式为其中U 为电压降, i 为雷电流, R 为接地电阻, 为单位长度的电感, 约为1
23、. 5H/ m, l 为引下线的长度为雷电流的陡度。 从公式可以知道在防雷接地装置中, 接地电阻阻值越小, 则瞬间内冲击接地电压降就越小, 雷击时对设施的危险性就越小.不同设施对接地电阻的要求稍有差异, 移动通信基站基座R 4、天馈线金属屏蔽层R 4、信号避雷器R 10、电源避雷器R 4、安全保护地R 4 、通信机房R 1 . 系统设计时要正确规划、符合规范参数.2) 联合接地的要求. IEC(国际电工委员会) 和ITU2T(国际电信联盟) 的相关防雷接地设计规范中都不再有单独接地,而是建立公共地网以防雷,即电源地、工作地、保护地等在公共地线上连成电气一体化,以建立零电位参考电平平台. 移动通
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