移动通信基站接地问题的考虑

通天雷神

移动通信基站接地问题的考虑

(第一届深圳国际防雷技术论坛论文)

信息产业部邮电设计院 刘吉克
中 国 联 通广东分公司 詹  乐

摘要 本文主要论述了移动通信基站的接地问题，根据各类基站的环境和建筑物情况，分析了基站接地可能遇到的问题，以及实际情况与标准矛盾时因地治宜采取的解决方案和措施。

关键词：移动通信  基站  接地  雷电

移动通信基站的接地问题一直困绕着中国移动、中国联通的建设和设计单位，这主要是因为移动通信的设立需要租用大量的民用建筑作为机房，而民用建筑的接地系统难于满足移动通信防雷接地规范的需要，另外建在山区的基站，由于土质很差，多为碎石土壤、风化岩或花岗岩石，表面土仅十几至几十厘米厚，并且大地电阻率极高，要使基站的地网接触电阻做的很小是极为困难的。因此，各类移动通信基站的接地系统的合理设计，是当前移动通信基站接地工程中的重要课题。

1. 移动通信基站接地地网的现状
   根据YD5068-98《移动通信基站防雷与接地设计规范》的要求，基站的接地电阻应小于5Ω，但基站所处地理环境千差万别，实现条款的要求可能有众多问题，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接地电阻值，当然由于基站的地网类型很多，不可能用一种模式去解决所有的问题。那么由于郊区、山区、城市、专用机房和租用建筑物环境因素不同，基站地网是否能满足标准的接地电阻的要求呢？下面分别讨论。

1.1 建在郊区或山区的基站地网
   目前建在郊区或山区基站移动通信基站有各种各样的地网，接地电阻值从几欧至几十欧姆不等。这主要由基站所处的地理环境和土质以及站址所在地区土壤电阻率所决定，对于正在运行的基站设备实践证明：“接地电阻的大小对基站设备技术参数以及信号传输没有任何影响”。从理论上讲，防雷接地用的接地电阻越小越好。这是因为接地装置上流过的雷电流会使接地点的地电位升高，产生过高的接触电压和跨步电压，因此地网的设计主要从防雷保护的角度考虑，尽可能降低接地电阻的数值。另外对于建在山区的基站实际所处的地理位置与雷电的活动区域有着一定的联系，而且土质很差，大地电阻率极高，要使基站的地网接触电阻做的很小是极为困难的。

1.2 建在城市利用办公大楼和大型建筑物的地网
国家标准GB50057-94《建筑物防雷设计规范》对于建筑物的接地一般都采用其钢筋混凝土基础作为地网，因为建筑物其钢筋混凝土基础埋地较深，与大地的接触面积大，在相同的土质条件下，用其基础作接地体可比一般人工接地所得的电阻低的多，另外基础钢筋埋设在混凝土中，作为接地体的钢筋不会受到外力的损伤和破坏，不需要维护、使用期限长，接地电阻稳定。对于通信局（站）这种接地方法是相当有效的。同样利用办公大楼、大型宾馆、高层建筑的基础作为基站机房和天馈线系统的接地是可行的（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）。

1.3 建在城市和郊区利用小型民用建筑的地网
   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小型民用建筑设立站址，在其建筑物房顶安装移动通信天线，并在楼顶的某一间房子作为机房，其接地也是从避雷带或房间中的柱子引出。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，远高于小型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，明明是民用建筑物，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，另外往往由于条件所限或者租用的民用建筑物所处的业主和环境因素，实施接地系统的改造需要得到业主的同意。通信局（站）地网的概念在小型民用建筑中是不可能存在的，小型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要求焊接，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。

2 基站地网设计涉及到的实际问题的解决方案

2.1  基站地网的组成形式    
   移动通信基站地网设计的主要目的在于：在流往地中的雷电流路径上得到最低的接地电阻，在保护范围内把雷电流流产生的电势保持在安全范围内。
一个由多接地体组成的地网可以近似地当作一块弧立的平板，它的电容主要是由它的面积尺寸来决定的，附加于这个平板上的有限长度（2－3米）的垂直接地体，不足以改变决定电容大小的几何尺寸，因而是电容增加不大，亦即接地电阻减小不多。这里接地电阻R为：

式中：R——接地体的接地电阻（Ω）；
     C——接地体的电容（F）；
     ρ——大地电阻率（Ω.m）；
     ε——εr            大地的介电系数（F/m）；
     εr——大地的相对介电系数。
   这个极为重要的物理概念告之：增大接地网的面积是减少接地电阻的主要因素。只有当附加的垂直接地体的长度与地网的等效装径可以比较时，平板趋近于一个半球时，电容才会有较大的增加，从而才可能降低接地电阻，但是即使在这种情况下，接地电阻减小仅36.3％.这个结果可由下式推出：
地网等效为埋深为零，半径为r的圆盘时：R1=ρ/4r 半径为r的半圆球时：R2=ρ/2πr
 R1/R2 =0.637

   由此可见接地网的接地电阻主要和接地网面积有关，附加于接地网上的2-3m的垂直接地体对减少接地电阻的作用不大。对于地网的设计，那种认为加密垂直接地体可减小接地电阻的观念是不可取的，从宏观分析，应把地网看作一个二维的平板，采用不长的垂直接地体（垂直接地体的长度与地网等值半径相比，至少小一个数量级）不论打入多少根，即使密集成厚度为2-3m的实体钢板地网，也不会使接地电阻有多大变化。    

2.2地网与冲击半径及移动通信基站地网最佳面积大小
   对于建在山上的移动通信基站，由于所处的位置往往比周围的山地显得突出，地理位置又与雷电的活动区域有着一定的联系，加之山上一般多为岩石或多石土壤，要使防雷接地电阻在有限的面积做的很小（如5Ω）是不可能的，为此建在山上基站，采用了均衡大地电位，实施联合接地及改进地线的敷设方法，可以在雷击时使站内各处电位同样上升，局内设备相互间的冲击电压均衡，增加雷电泄流能力，因而可对基站的接地电阻大小不必过于严格，但毕竟存在均衡大地电位接地网的经济合理使用面积问题。

 2.1.1接地网与冲击半径
   一个避雷针的接地体接闪时所呈现的电阻，与直流、工频电流的接地电阻有显著不同，对于雷电在土壤所发生的物理过程和工频有着相当大的区别，它们的最主要区别在于雷电的形成过程以及土壤对高频电磁波传输特性所决定的。雷电流是个冲击波，而且具有非常大的电流值，由于雷电流幅度很大，在接地体附近形成的电场强度超过了土壤的冲击击穿强度而产生电弧式火花放电，结果相当于增加了接地体的尺寸，因此，在实际雷电流作用下接地网的接地电阻值小了。

   雷电流通过接地体向大地散流时有下列特征：
① 当雷电流通过接地装置流入土壤时，由于电流幅值很大，在接地体周围形成强大的电场，土壤呈现的电阻率，也受到电场强度的影响，随着电场强度增加，也就是随着电流密度的增加，土壤电阻率随之减少。
② 雷电流相当于高频电源，除接地体的电阻和电导外，接地体的电感和电容对冲击阻抗发生作用，其作用的大小，决定于接地体的形状，冲击电流的波形和幅值，以及土壤中电的参数εr和ρ，即地的介电系数和大地电阻率。
③ 冲击电流在地中流动时，由于高频电流的集肤效应，不象直流和工频电流那样穿透很深的地层，而是在距离地面不太深的范围流动。
④ 雷电流通过接地装置流入土壤时，当接地体周围电场强度达到一定数值时，电压和电流不是直线关系，而呈现非线性。

   所以，冲击电流或雷电流通过接地体向大地散流时，不再是用工频接地电阻，而是用冲击接地电阻来量度冲击接地的作用。接地装置对地冲击电压的幅值与冲击电流幅值之比，则称为冲击接地电阻。由上述冲击接地电阻的定义可以看出，冲击接地电阻是一个人为的概念，并无具体的物理意义，因为冲击电压幅值和电流幅值往往不是在同一个时间出现的（由于接地体的电感作用，冲击电压幅值出现在冲击电流幅值之前），把两个在不同时间发生的量之比定义为冲击接地电阻并无物理意义，但在工程上利用这个定义，可在已知冲击电流的幅值和冲击电阻的条件下，计算出冲击电流通过接地体散流时的冲击电压幅值。
   一个接地地网的面积不论有多大，在工频时，是可以把接地体的表面近似地看成等位面，故接地网全部面积都能得到利用。但是，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的等值半径小得多，即在冲击电流的情况下，仅仅利用接地网很小的一块面积，在工频时，接地电阻之所以和接地网面积的平方根成反比，是因为接地网上的电位比较均匀，全部接地体都起着散流作用，接地体得到充分利用的缘故，但在雷电流作用下，情况就不同了。由于接地体的电感作用，接地网的电位呈现不均匀性，离开雷电流引入点愈远的地方，接地体上的电位就愈低。甚至电位为零，其变化规律按指数曲线衰减，只有雷电流引入点附近一块接地网才起着散流作用，而且散流的程度与这一块面积上的电位分布成正比。

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2.2.2 地网的最佳面积大小
   从冲击等值半径与接地网面积的等值半径变化规律得出一个结论，在移动通信基站地网优化设计时，根据移动通信基站所处的具体地理环境，其接地网的大小应控制在（20m）2=400m2内，这时地网在雷击时冲击等值半径利用率在高电阻率土质的情况是较高的（在大地电阻率为2000Ω.m时为84.19%）,在大地电阻率低于500Ω.m时,地网可小于400m2。这样加之外引水平接地体，地网的利用率可更高。另外，考虑到垂直接地体能起到集中接地散泄雷电流之用，可在冲击等值半径处打入一圈垂直接地体，其等效半径应以铁塔为中心。此时垂直接地体是为了散泄雷电流，而不是以减小地网接地电阻为目的。

2.3移动通信基站引外接地的极限长度
   移动通信基站设在高电阻率的山上，如附近有可资利用的导电良好的土壤及低电阻率的地层和水源（河流及其它）时，采用引外接地作为移动通信基站本身均压网或辐射型接地装置的辅助措施是合理的。这是因为在高电阻率地区设立移动通信基站，为了减小接地电阻，仅仅依靠在土壤中埋设大量的接地体和采用人工改造土壤电阻率的方法，即不经济，又不稳定。由于山区土壤层潮湿程度随季节的变化而变化，因此地阻值变化也较大，在采用这些措施后，其接地电阻往往还不能满足要求。所以在上述条件下，如果采用引外接地，并且与其它措施相结合，就可能使移动通信基站的设备及人身安全都得以保护。移动通信基站正确的引外接地, 利用岩石间多缝隙、外引山下大地电阻率较低的土壤或水田中的接地体不仅可以节约投资,而且可有效的降低接地电阻。但引外接地有一个长度极限的问题,当超过最大引接长度后,由于接地引线自身的电阻产生压降,会使所接的末端接地体的利用程度大大降低,影响引外接地的效果.在工频情况下,由于分布在接地体上的电位比较均匀,接地体都起着散流的作用,接地体得到了充分的利用，但在雷电流(相当于高频电流)作用下,除接地引线的电阻和电导外,还有电感和电容对冲击电流发生作用,使冲击电阻增大.接地引线愈长,雷电流波头时间愈短,则冲击电阻增大得愈多,并且由于接地引线的电感作用,阻碍了雷电流引外接地接体后半部分的泄放,相当于增加了接地电阻。所以在移动通信基站引外接地优化设计时，应正确估算引外接地引接线的长度很重要的。
   引外接地的极限长度：  L=2

2.4移动通信基站地网液状长效降阻剂的应用与接地电阻

2.4.1液状长效降阻剂的降阻原理
   接地电阻主要由下列三个方面构成:
(1)接地线和接地体本身的电阻;
(2)接地体表面与土壤的接触电阻;
(3)从接地体开始向远处扩散的电流所经过路径的电阻。
   对于前一项由于本身的电阻很小可以不考虑影响,改善后两项是接地电阻降低的关键,采用液状长效降阻剂可实现这一目的。首先使用液状长效降阻剂增大了接地的尺寸，液状长效降阻剂由于具有良好的流动性和渗透性，对各种土壤都能由接地体附近向各方向进行渗透，从而显著扩大接地体的等效直径和等效长度，液状长效降阻剂渗透结果，在大地出现树技状的延伸体产生树枝效应。
   对于半球接地体或垂直管状接地体，其接地电阻值与其在地中的尺寸和土壤的电阻率有关：
     半球接地体:R=
     垂直管状接地体:R=
其中： ρ—土壤电阻率（Ω·m）；      
      r—半球的半径（m）；
      d—垂直接地体的直径（m）；      
      L—垂直接地体在地中的长度（m）。
   显而易见，当土壤电阻率一定时，要降低接地电阻，只能增大接地体的几何尺寸，尽管降阻剂电阻率约为0.1Ω·m,比导电金属电阻率10-3Ω·m,高,但与高电阻率土壤比较起来,相差万倍。因此，可以把接地体和降阻剂看为一个整体，相当于加大了接地体尺寸。由公式（管状）可看出，当降阻剂处理尺寸为原接地体直径10倍时，接地电阻大约降低一半。据测试结果表明，由于液状长效降阻剂渗透结果所致，在接地体加降阻剂处理后，使接地电阻降为原来的0.2～0.3R,甚至0.1R。可见降阻剂有效的降低了接地体与土壤的接触电阻，扩大了接地体的等效直径和等效长度，从而明显的得到降阻效果。

2.4.2降阻剂在移动通信基站接地地网的实施
   液状长效降阻剂在移动通信基站接地地网的应用，必须注意“面积效应”，随着地网面积的增大，网中降阻剂降阻效果急剧下降，这是因为此时应用降阻剂既不会使原地网面积有显著的增加，也不会使接地网变为三维空间，因降阻剂的渗透深度远小于地网的等效半径，故还是二维空间。当地网较小时，若采用液状长效降阻剂，则地网的等效面积（地网的原有面积+降阻剂处理的面积+由于降阻剂的渗透产生“树枝效应”而增大的面积）即会成倍增加，此时R相应下降。所以对于移动通信基站（20m）2的接地地网的面积来说降阻剂可使移动通信基站地网面积增大，接地电阻下降，液状长效降阻剂在移动通信基站地网的实施应采取优化设计。

（1）在电阻率较高的地区，液状长效降阻剂可在移动通信基站地网的边缘使用，以扩大地网的等效半径及面积。
（2）采用稀疏分布的长垂直接地体，使液状长效降阻剂向地网下端渗透，形成三维空间。
（3）将与地网连接的幅射形水平接地体周围和末端接地体采用液状长效降阻剂处理，这样由于“树枝效应”等效扩大地网面积。
（4）在天线铁塔避雷针引下线所接的垂直接地体周围施放液状长效降阻剂，这样有利于增加雷电流的泄流能力。

3.基站的接地系统改造

3.1 独立机房地网的改造方案
   建立在郊区、山区的独立机房的地网应采用环型接地网的方式，环型接地网围绕铁塔和机房一圈，并分别与铁塔各基础多点相连，机房接地引入点应在远离铁塔的一侧。如果大地电阻率较高的地区，再在地网四角采用辐射型接地体（在辐射型水平接地体周围采用液状长效降阻剂处理）。

3.2 办公楼、大型建筑地网的改造方案
办公楼、大型建筑地网，为了保险起见，要充分利用建筑物自身各类可能与地构成回路的金属管道（如消防水管），并与大楼顶避雷带上或者在大楼顶的避雷网预留的接地端多次连接，可能的情况下，敲开几根柱子内的钢筋与大楼顶避雷带上或者在大楼顶的避雷网预留的接地端相互连在一起作为基站的接地。

3.3 民用建筑物地网的改造方案
   通信局（站）地网的概念在民用建筑中是不可能存在的，不同类别的建筑物使用的目的是不同的，明明是民用建筑物，基站按照规划、设计在这里，怎么办？该问题也困绕着许多工程技术人员，按照规范设计不可能，基站现场条件也满足不了标准条文的要求，同样由于建筑物的类型很多，没有一种可以参考的模式去处理所有的问题，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要求焊接，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。另外考虑到租用的民用建筑物所处的环境因素，实施接地系统的改造需要得到业主的同意，因此，在现有的机房接地改造中采用将机房内所有的立柱主筋焊接连通的方案，作为基站的接地系统，如果有条件，再在楼外设一组接地体与建筑物立柱焊接在一起，作为基站的接地系统。当然民用建筑物有各种类型，实施接地改造时应根据机房的具体情况确定方案。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，使用40X4热度锌扁钢或截面积大于120mm2  多股铜线与机房接地排连接。所有焊点用沥青做防腐处理。

3.2 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城市内建筑物设立站址，在其建筑物房顶安装移动通信天线。对于利用办公大楼、大型宾馆、高层建筑和居民楼作为基站机房天馈线系统的接地，由于条件所限只能利用楼顶避雷带或者在楼顶的避雷网预留的接地端以及建筑物楼顶的各类可能与地构成回路的金属管道。

3.3 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。既然通信局（站）地网的概念在民用建筑中是不可能存在，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，接地体可有多根2.5米长的镀锌垂直接地极棒和镀锌扁钢水平接地体组成（镀锌垂直接地极棒的数量根据大地电阻率和具体的地理环境所确定），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。

4.基站机房内接地排设立与接地的关系
由于移动通信基站机房较小，一般仅采用一个接地排为开关电源、收发信机、传输设备、环境监控以及总配电箱提供参考接地点。作为设备的接地，接地引线的长短可能对设备影响不大，但对于雷电过电压保护而言，SPD接地线的长短可能关系到基站安装了SPD能否起到保护作用、是否还可能遭受雷击的关键问题（SPD并非100%的能解决雷击问题）。

4.1  总配电箱B级SPD的接地线
   笔者在各地处理防雷问题时，经常听到一些移动通信的维护人员讲，基站安装了配电系统用B级SPD，设备还是被打坏，当然SPD的正确选择是一个很重要的问题，确定使用什么SPD，是根据雷电活动区的划分、通信局（站）的分类、基站所处的地理环境、建筑物的形式、供电方式和所在地的电压稳定度来定的，而且还涉及到各级SPD的配合问题，不是什么样的SPD都可以解决其防雷问题的，还有SPD的工作电压问题和一个最大通流容量问题，例如在多雷区一般采用80kA/每线的SPD，但一些厂商提供的却是整个SPD几相之和的80kA或80kA/每相，此时SPD的通流能力就不可能解决电源的B级防护问题，以小充大、以劣充优来代替B级保护器（相关问题专门论述），此时SPD更起不到应有的保护作用 。但我们这里讨论的是：纵使采用名牌的SPD，各项指标都非常好，基站还是遭受雷击。此时这种情况就要查找一下接地等雷击的其他原因了，例如SPD的接地线长短就是一个雷击的重要因素，B级SPD的安装位置一般都在配电线路的入口端，但总接地排往往都远离入口端一端的走线架上，将B级SPD的接地线通过2~6m的长度接至总接地排，其接地线之长，致使残压过大，此时SPD对设备不可能起到任何作用，何况多数情况下为了施工方便，接地线一般仅采用16mm2的多股铜线，其导线自身的感抗也足以使SPD残压加大到不能容忍的状况。

4.2 开关电源内部SPD的接地线
开关电源内部的SPD的接地，如果孤立的去看问题，SPD在开关电源内部的安装位置是由设计者根据各家自身设备的特点来考虑的，接地线可能在其设备中是较短的。但几个孤立的设备，集成为一个系统时，用系统化、整体的概念去考虑问题，孤立、单一设备所存在的问题就暴露了出来。例如对于移动通信基站接地排和接地线，一般都是在走线架上方固定，那么对于开关电源用的SPD的安装位置，自然是选择设计位置在开关电源上方的产品是最佳方案。如果选用设计位置在开关电源下方的SPD，对于防雷设计来讲是一个败笔和错误，因为对于SPD的接地线长1m，其残压值就高达1000V，笔者在处理福建泉州接入网设备与移动通信基站共址时，就发现安装在开关电源下方的SPD，需要通过2m的接地线才能到达走线架（在通信大楼，有地沟的情况下，SPD安装在开关电源下方的方式是优选的），其安装的SPD能否起到应有的作用，就不得而知了。因此厂家应根据不同的站型，整体、系统化的为用户设计不同的方案和设备，从多个现场接地情况看，深圳安圣电气有限公司的开关电源在设备系统接地和SPD的安装方面就考虑非常合理和全面。

4.3   天馈线SPD和其它设备的接地线
天馈线SPD的接地，按照规范的要求，其接地线要求接到机房外天馈线入口处的接地排，这是按照电磁兼容（EMC）的原理，屏蔽、滤波、接地的三要素，和解决干扰渠道一样，用以解决雷电流的引入问题，将雷电流拒机房以外，使其对设备的影响最小。另外机房内安装2Mb/S接头的DDF板的接地和环境监控采集器、直流分配盘等的接地问题也要统筹考虑。

结束语
   由于移动通信基站的雷电防护是建立在联合接地、均压等电位基础上的，与其它通信局（站）设备的情况不同，其设备电磁兼容性设计是非常完善的，因此基站只要对各出入线采用和机房内环境监控接口进行恰当的雷电过电压保护{参照信息产业部标准YD/T5098-2001《通信局（站）雷电过电压保护设计规范》}，那么基站的雷击概率就可以减小到最低限度。