新型4G基站的电源系统防雷分析

游丽加

（华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引 言

新型4G基站是一种网络共用移动通信基站，专门负责提供4G服务，是公众享有4G移动网络通信服务的基础。其包括直接接地、直流供电以及交流供电几个子系统，涉及了蓄电池、开关电源、低压变压器、交流配电屏以及有机发动机等多个模块。因交流电力能源供应线路复杂度较高，加之基站建设位置多处于野外，极易遭受雷击威胁，因此探究新型4G基站的电源系统雷害防护措施具有非常重要的意义。

1 新型4G基站的电源系统雷害分析

近几年，我国固定宽带全面迈入光纤时代，移动宽带4G深入覆盖城乡。截止至2020年，FTTH/O光纤普及率已达92.10%，较之2013年提高了近60.1%，同时新型4G基站数量庞大。在新型4G基站数量不断增多的背景下，其内部电源系统遭遇的雷电危害也不断增加，致使周边环境生态及工程效益损失严重。2020年中国移动新建设的新型4G基站中，陆续在大暴雨伴随短时雷击环境下出现停电和断网现象，严重影响了基站作用的充分发挥，对企业工程建设效益也造成了较大冲击。

2 新型4G基站的电源系统雷害途径

2.1 基站机房

对于建立在高海拔位置的新型4G基站，在周边平均海拔较低的情况下，极易出现雷电环绕击打情况。具体表现为雷电绕过避雷装置直接击打新型4G基站。长此以往，新型4G基站电源系统外部装置防护效果会逐渐下滑，甚至无法保证外部完整性，出现不可恢复的毁损。

2.2 电磁感应

雷电具有电流量大和放电速度快的特点，可以在接闪器和引下线周边形成作用极强的瞬时电磁场。在这一磁场范围内导体可以形成程度不一的感应电压，对新型4G基站内高集成化和低耐冲击能力的通信设备造成毁损性威胁[1]。特别是在新型4G基站选择同轴电缆作为天馈线时，其可以在导体上方感应强烈的电流，经线路直接进入基站系统内部收发信机等设备内，造成相关设备电流供应出现不正常变化，甚至烧毁相关设备。

2.3 架空管线

在雷雨天气下，雷云会放出电流并形成强大的电场，加之新型4G基站架空管线的自身作用，其邻近终端会形成一个水平的电场。该电场范围内高出水平线的物体均易产生感应电荷集中效应，致使架空管线顶端放电反应频出。在雷电集中于架空管后，可进入新型4G基站内毁损基站通信设备[2]。即便架空管线顶端没有出现放电反应，雷云也可以在其上附着威胁电源设备安全运行的感应过电压。

2.4 铁 塔

新型4G基站大多设置在40.00～60.00 m左右的铁塔上方，某新型 4G 基站铁塔雷击发生情况如表1所示。铁塔因高度较大，极易成为雷电击打目标。进而经铁塔传播雷击电流，逐步改变新型4G基站系统电位差，致使基站出现无法恢复的损坏。即便铁塔已安装避雷针，但在铁塔避雷针遭受雷电打击之后，电流也可以经铁塔接地装置分散流入地层表面，促使新型4G基站地网电位在短时间上升并与基站设备之间形成较为显著的电位差，进而引发电位电流反向传播，损害基站完整性[3]。

表1 某新型4G基站铁塔雷击发生情况

3 新型4G基站的电源系统雷害防控可用措施

3.1 建设地址调整及机房防雷

建设地址调整与机房防雷是新型4G基站建设初期预先防控雷电打击的主要手段。前者是优先选择雷电打击危害较小的区域，如地理位置较低的区域、远离水域的区域、空气干燥的区域以及无地下金属矿藏的地区等。充分利用自然环境条件，降低雷电打击对新型4G基站电源系统运行效益的不利影响[4]。

机房防雷电则是采取监控系统接地或者光纤通信的方式进行雷电打击防控。在监控系统的设备信号线与4G通信系统接口连接时，接地方式没有偏差，此时就可以选择屏蔽电缆设计或者电缆穿钢管经屏蔽层和钢管两端接地的方式提高雷害防控效果。具体接地时，需要在保证监控系统前端设备处于避雷针防护范围内，将避雷器设置在设备端口恰当位置[5]。通信机房内部防雷器可以直接将其与专用接地母排相连，而对于通信机房外部防雷器则需要利用就近接地的模式。光纤通信具有显著的雷击防控效果，其特殊的玻璃纤维材质对雷电电磁脉冲的感应作用处于一个极小的水平，无法引发光纤电磁感应作用。基于此，可以将光纤金属加强芯埋设在地下适当位置（图1），两端就近与光缆终端盒内入户设施接地木排连接（接地面积在35.00 mm2以上）。与此同时，将高速率数字用户线路（High—rate Digital Subscriber Line，HDSL）、双绞线以及脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）的信号线路两端可靠接地，结合架空线的就近与机房入口入户设施接地母排连接，从而达到良好的雷害防控效果。

图1 光纤金属加强芯埋地

3.2 避雷线及接地线应用

对于新型4G基站而言，避雷线架设是一种传统且有效的雷害防控手段[6]。除雷电环绕击打情况外，避雷线可以发挥保护作用，分流雷电，降低电位及基站绝缘子串上的感应电压，避免新型4G基站被雷电直接击中。鉴于以往低压架空电力线设计固有缺陷极易遭受雷击侵入，可以选择直径超过8.00 mm的钢绞线，设置在架空电力线上方1.00 m左右且与电力线平行位置[7]。同时控制除终端杆以外的变压器和基站周边避雷线架设距离在200.00 m以内，并进行每一支撑杆的可靠接地，最终形成环形地网接地或者辐射形地网接地，保证避雷线效用的充分发挥。

需要注意的是，在新型4G基站地网接地线连接过程中，只有较低的接地电阻才可以保证基站防雷性能的高效利用发挥[8]。基于此，需参照国家相关标准，控制接地电阻小于10.00 Ω。特别是在新型4G基站总设备架和总汇流排远距离连接的情况下，需要在站内埋设钢管包裹的电缆或金属铠装的电缆，进而经星形等电位与多级汇流排连接。若为剩余电流装置（Residual Current Device，RCD）电源侧防雷器安装，需采取“3+1”接地模式，若为RCD负荷侧防雷器安装，则需要采取“4+0”接地方式，在专用接地母排上进行接地线连接。上述模式可以有效利用金属外表皮分流电流作用，避免流经新型4G基站电流过大。若无法直接进行电缆埋设，则可以在保证电缆长度大于15.00 m的情况下进行适当削减，结合氧化锌避雷器与钢管、电缆外皮的关联安装，可以达到良好的雷电防控效果。

3.3 智能电涌保护器

作为一种自然能量，雷电附带的雷电感应、电磁脉冲以及雷电波侵入具有强大的破坏作用。在新型4G基站运行过程中，基站长时间应用的多种类型电涌保护器因遭受多次雷击，不可避免地会出现性能下降甚至失去雷击防御效果的情况，此时就可以立足电涌保护器（Surge protection Device，SPD）领域，进行智能化和网络化技术的集成应用，实时监测新型4G基站防雷系统和接地系统的运行情况，及时发现问题并制定解决方案[9]。

智能电涌保护器具有运行参数的监测功能、电涌保护功能、故障报警功能、失效预测功能以及通信功能。其中监测功能包括工作漏电流、脱离装置状态、电涌参数、系统电压、性能劣化分析以及寿命预测等。可以根据雷击浪涌特性和电源电涌保护器的运行原理，在新型4G基站中进行电涌动作次数、电涌电流峰值、电涌动作时间以及脱离器动作时间等电源电涌在线性能状态的有效评估与记录，并第一时间判定电源电涌性能的劣化。

此外，在中央执行控制网络设置过程中，除了通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS）、低功耗局域网协议ZigBee以及移动无线网（Wireless-Fidelity，WiFi）等方式外，还可应用技术优势更加明显的基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技术[10]。例如，在智能电涌保护器监测到出现雷电打击故障时，经NB-IoT物联网将雷电击打次数、击打幅值以及击打时间传输至中央执行控制中心，以图表+数据的形式直观分析，实现对新型4G基站电源系统易受雷害的设备的全方位判定、预先警报以及有效处理。

4 结 论

在第四代移动通信技术蓬勃兴起之际，新型4G基站也开始投入大面积建设。作为专门提供4G公用移动通信的基站，新型4G基站面临着较大的雷击威胁。雷击携带的雷电电磁脉冲耦合能量会严重损害电源系统完整性，影响电力资源的顺利供应，进而致使基站无法正常发挥功能。基于此，基站维护管理人员可以采取调整建设地址、架设避雷线、应用接电线、应用智能电涌保护器以及设置中央执行控制网络等方式，构建严密的基站电源系统雷害防控网络，避免雷电对基站功能正常发挥的不利影响。