天馈系统防雷设计.docx
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天馈系统防雷设计.docx
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天馈系统防雷设计
天馈系统防雷设计方案
深圳市源能达电子技术有限公司
一、前言
雷电是一种非常壮观的自然现象,它具有极大的破坏力,能对人类的生命、财产安全造成巨大的危害。
1987年联合国确定的“国际减灾十年”中,雷电列为人类危害最大的十种灾害之一。
雷电的危害主要分为直击雷和感应雷,传统的防雷保护主要以直击雷防护为主,但是自从人类进入到电气化时代以后,雷电的破坏由主要以直击雷击毁人和物为主,发展到以通过金属线传输雷电波破坏电气设备为主。
移动通信是当今通信领域内最为活跃、发展最为迅速的领域之一。
天馈系统作为移动通信重要组成部份,广泛应用于GSM基站,CDMA基站、寻呼发射台、卫星地球站、电视中转站、闭路电视系统等,作为用户终端与控制设备间通信的桥梁,起着重大的推动作用。
然而,天馈系统大多数建在视野开阔或地势较高的位置如较高的山坡、山地,这些地域雷电活动异常频繁,对天馈系统内的设备安全运行带来很大的潜在威胁,当受到雷电感应时,感应电流会沿各种天馈线路侵入设备,造成设备损坏,通信中断,甚至对人员安全带来危害等后果,给用户带来巨大的损失,因此对天馈系统的进行雷电防护工作显得十分重要。
二、天馈系统组成
天馈系统分为天线系统和馈线系统两大类。
2.1、天线
天线主要作用是辐射与接收无线电波:
辐射—将馈线中传输的电磁波转换为自由空间传播的电磁波。
接收—将自由空间传播的电磁波转换为馈线中传输的电磁波。
天线依类可分为以下几个种类:
按工作性质可分为发射天线和接收天线。
按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。
按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。
按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等
2.2、馈线
馈线是通信用的电缆,一般用于基站设备中的BTS连接天线用。
馈线的种类一般分为8D,1/2’普馈,1/2’超柔,7/8,7/16’,13/8’)和泄漏电缆(13/8’,5/4’)。
馈线结构图
馈线连接器接口类型分为DIN型、N型、BNC型、TNC型及SMA型。
DIN型N型BNC型
三、设计依据
GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》
GB50057-94(2000版)《建筑物防雷设计规范》
YD/T5098-2001《通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范》
IEC61643-3《低压系统的电涌保排器》
IEC61644-11997《通信系统用SPD》
YD5068-98《移动通信基站防雷与接地设计规范》
YD2011-93《微波站防雷与接地设计规范》
四、防雷设计
设备遭雷击受损通常有以下四种情况:
是直接遭受雷击而损坏
是雷电脉冲沿着与设备相连的信号线、电源线或其他金属管线侵入使设备受损;
是设备接地体在雷击时产生瞬间高电位形成地电位“反击”而损坏;
是设备安装的方法或安装位置不当,受雷电在空间分布的电场、磁场影响而损坏。
移动通信为了通信的可靠性及安全性,天馈系统大多数安装在较高的高地或铁塔上,容易遭受直击雷和感应雷的侵害,因此,在进行防雷保护设计时,要对安装的地理环境、位置、天馈类型及受保护设备等方面充分考虑,设计参考如下:
某基站天馈系统示意图
4.1直击雷的防护
a、高地类:
天馈系统安装位于高地或较高的建筑物时,可采用在距离天线3米的距离安装足够高的避雷针或铺设避雷网对天线或进行直击雷保护,确保天馈系统在其保护范围内,避雷针的保护范围可按滚球法或折线法进行计算,也可按保护角不超过45°~60°来考虑。
独立避雷针和避雷网要离开被保护系统及其有联系的金属物(如管道、电缆等)之间应有一定距离,最少不能小于3m,以防止雷击时产生反击现象,伤害人或设备。
b、铁塔类:
天馈系统安装于铁塔,应在天线铁塔的塔尖或天线杆顶加装避雷针,其高度要保证各天馈系统内的天线都在其保护范围内。
一般将避雷针的钢管支架加高到所需高度为止。
上部呈尖锥状,然后在立杆底部焊接1根φ 10mm的圆钢或粗铜缆,从上而下依铁塔和建筑物入地。
该避雷措施可对45°夹角范围内的设施进行保护。
避雷针与天线的间隔。
避雷针应当装在高于天线尖端数米,与天线之间应有一定的间隔,以防止由于避雷针的存在而损坏天线的辐射图形影响效果。
一般的做法是避雷针成为天线塔体的主杆。
铁塔类避雷针安装示意图
C、避雷针选择
法国INDELEC(易敌雷)公司生产的主动式避雷针PREVECTRON
2具有通流量大,完全自动控制系统、提前主动式放电、适用性高、坚固耐用、安装维护简单方便等特点,其主动式放电性能比传统的避雷针更具有主动性,实用性,防雷性能大大增强,PREVECTRON
2现已广泛应用于电力、通信、机场等各个行业。
PREVECTRON
2避雷针提供保护半径速查表,用户可按表中提供的资料选择合适PREVECTRON
2避雷针,免去了复杂的计算,为用户提供便利。
PREVECTRON
2避雷针保护半径速查表
Ⅰ类设施(D=20米)保护半径
保护半径安装高度
Rp(m)h(m)
产品型号
2
3
4
5
6
7
8
10
15
最大20
S6.60
31
47
63
79
79
79
79
79
80
80
S4.50
27
41
55
68
69
69
69
69
70
70
S3.40
23
35
46
58
58
59
59
59
60
60
TS3.40
23
35
46
58
58
59
59
59
60
60
TS2.25
17
25
34
42
43
43
43
44
45
45
TS2.10
10
15
21
26
26
27
27
28
30
30
Ⅱ类设施(D=45米)保护半径
保护半径安装高度
Rp(m)h(m)
产品型号
2
3
4
5
6
7
8
10
15
最大20
S6.60
39
58
78
97
97
98
99
101
102
105
S4.50
34
52
69
86
87
87
88
90
92
95
S3.40
30
45
60
75
76
77
77
80
81
85
TS3.40
30
45
60
75
76
77
77
80
81
85
TS3.25
23
34
46
57
58
59
61
63
65
70
TS2.10
15
22
30
38
38
40
42
44
49
49
Ⅲ类设施(D=60米)保护半径
保护半径安装高度
Rp(m)h(m)
产品型号
2
3
4
5
6
7
8
10
15
最大20
S6.60
43
64
85
107
107
108
109
113
119
120
S4.50
38
57
76
95
96
97
98
102
109
110
S3.40
33
50
67
84
84
85
87
92
99
100
TS3.40
33
50
67
84
84
85
87
92
99
100
TS2.25
26
39
52
65
66
67
69
75
84
85
TS2.10
17
26
34
43
44
46
49
57
4.2感应雷的防护
天馈系统中感应雷击保护措施主要分为电源类和信号类防护,设计如下:
(1)机房电源系统防护
因为雷电脉冲可沿着与设备相连的信号线、电源线或其他金属管线侵入使设备受损,且大多数设备电源线路较长,电源线路遭受直击雷破坏和感应雷影响的概率很高,因此,除了天馈系统的信号做防雷保护外,还需对设备的供电线路进行防雷保护。
由于间隙型雷电电流避雷器其残压太高,两级保护器之间的去耦距离要求大于15米,且动作时间较慢,有火花气体放出,而天馈系统大多数安装在基站,机房等建筑,基站,机房的间距较小,大多满足不了去耦距离要求,因此在选择上不采用间隙型雷电电流保护器,应使用氧化锌型限压型SPD.
根据信息产业部标准YD5098-2001《通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范》标准要求,配电系统要做多级保护、逐级限压、将雷电过电压限制在设备的承受水平上。
所以配电系统的防雷保护设计如下:
一级电源保护设计:
在电源系统的总配电柜的电源输入端,使用最大通流容量70KA(8/20μs波形)B级电源电涌保护器将感应雷击过电压限制到2500V以下。
所有接线用16mm2多股铜线连接,接地线用25mm2多股铜线连接,因此我公司推荐采用易敌雷公司的DGV400/4或者DGT230/3+DGE400避雷器。
二级电源保护设计:
在电源系统的分配电柜的电源输入端,使用最大通流容量45KA(8/20μs波形)C级电源电涌保护器将感应雷击过电压限制到2000V以下。
所有接线用10mm2多股铜线连接,接地线用16mm2多股铜线连接。
因此我公司推荐采用DGT400/4或者DGT230/3+DGE400避雷器
如设备配电柜的空间位置不便安装避雷器,可采用CM系列的B+C级复合型电源避雷箱进行多级保护。
配电系统选配表
防护级别
产品型号
一级电源防护
DGV400DGA230
CM系列的B+C
复合型电源避雷箱
二级电源防护
DGT400DGE400
(2)信号类防护
在天馈系统的信号传输线路中安装避雷器,避雷器安装在馈线和保护设备之间,从避雷器引出接地线接至地极,地极接地电阻要求4Ω以下,当天馈线受到雷击时,避雷器在雷电来时它会及时与设备断开,通过连在避雷器外部的接地线把电流放掉后,并自动恢复连接,从而保护机房内外的设备。
但在天馈系统中安装避雷器时要注意以下方面的问题。
要根据被保护设备的工作频率、平均输出功率、连接器接口类型及参数选用符合参数要求的天馈避雷器,安装于收/发通信设备的射频出\入端口处。
因避雷器存在一定的插入损耗,对于天线辐射信号的强度造成了一定的影响,同时还要注意驻波比的变化,一般要求天馈系统的驻波比小于或等于1.5。
馈线的接地线要求每20米做一个接地,所以通常接地线到馈线头不超过20米时可以在接地线近处接地。
避雷器的接地端必须与地可靠连接,接地电阻不得大于4Ω,一定要连接牢固,确保受雷击时可靠放电;否则将影响防雷效果。
避雷器推荐
法国INDELEC(易敌雷)公司生产的SCA系列天馈避雷器具有高雷电流通流能力,工作频带宽、插入损耗低、驻波比小、卓越射频信号传输功能等特点,适用于作为天馈线的防感应雷保护,SCA系列已广泛应用于PHS、3G、雷达、导航、电视中转站等领域。
SCA-N
天馈避雷器安装示意图
4.3、接地措施
安装的避雷针和导线通体要有良好的导电性,接地网一定要保证尽量小的阻抗值。
接地母线是雷电流通向接地极,然后流散到大地的渠道,要求它具有足够的截面积(大于48mm2),常用40mm×4mm的扁钢为宜,要求它与避雷针、接地极有良好的电导连接。
对采用波导管传输的天馈系统,波导管的金属外壁应与天线架、波导管支撑架及天线反射器作电气连通。
并在中频信号输入端口处安装适配的中频信号线路浪涌保护器,其接地端应就近接地。
4.4等电位连接
为了消除铁塔、走线架以及同轴馈线外导体上出现的压差降,铁塔、走线架以及同轴馈线外导体要多处相连,
尤其在进入机房处的外墙位置,一定要相互可靠连接,并与附近的联合接地网就近可靠连接,且做防腐蚀处理,尽量提供雷电流泻流的捷径,使铁塔、走线架以及同轴馈线外导体相互间都保持相同的电位。
若天馈系统的接地系统的接地电阻大于1欧姆时,还需要在天馈系统周围增加接地装置,接地装置可采用具有很高性能价格比的雷地接地系统。
等电位连接器LEAD+雷地接地极
五、结束语
天馈系统的防雷是一项综合的技术工程,任何一个环节出了漏洞,都会影响整个广播电视设备系统的防雷效果。
防雷设计时一定要本着科学严谨的态度,切实做好系统的防护设计。
平时应加强对防雷系统的维护,定期对接地电阻进行测量。
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