关于基站防雷接地的问题

crazy

0 前言

　　 笔者参加了一些移动通信基站的安全检查，发现部分设置在已建建筑物内的基站天、馈线系统的防雷设计颇有值得研究之处。现把它提出来，与同行们商讨。

　　 有些基站在建筑物上建设了自立式铁塔，铁塔上面的避雷针没有设置专用接地引线，而是利用塔身钢结构作为接地引线，并且把塔身直接接至建筑物女儿墙上的避雷带上。馈线外皮的接地（包括走线架的接地）也统统接至该避雷带上。这种做法可能是危险的，至少存在潜在危险。下面笔者就以上问题阐述一下自己的观点。

1 避雷针的防护范围与避雷带

　　所谓避雷针的防护范围是指设置避雷针后，雷电可能直接命中避雷针以外物体与避雷针中心点的距离范围。理论上是一个很尖的，自避雷针顶点向下方四周延伸的曲线旋转体。工程中多数利用自避雷针顶端向下引倾角为15°的斜线作为避雷针防护范围的边界线。如图1所示，相当于一个以避雷针顶点为顶点、锥度为±45°的圆锥体。在这个圆锥体以外的物体，不属于避雷针的保护范围。因此可以大概估算一个避雷针的保护范围。
　　　 Ｒ＝ｈｔａｎ45°＝ｈ
式中：

　　 Ｒ——保护半径（ｍ）
　　 ｈ——避雷针高度（ｍ）

　　因此可以知道，如果设避雷针高度为10ｍ，则其保护范围半径大约为10 ｍ。如果避雷针保护的是铁塔上安装的设备，这个保护范围是可以接受的。如果避雷针保护的是一个面积为数十平方米乃至数百平方米的建筑物，避雷针的高度往往是不合理的。所以一些建筑物多在建筑物的女儿墙上设置避雷带，代替避雷针。

2 避雷带和接地引线

　　 女儿墙上的避雷带和避雷杆上的避雷针一样，都起接受雷电流的作用。当雷电击中避雷针或避雷带之后，雷电开始通过击穿的空气倾泻大量的电荷以脉冲的形式瞬间沿避雷针或避雷带、接地引线、接地体最后流进大地这个大电容器。脉冲电流峰值可以到达数万安培乃至数十万安培。这时由于接地引线以及接地体等的电阻和电感不等于零（可能是几欧姆或十几欧姆）而产生很高的瞬时电位升（与地电位比较，可能升高几万伏乃至几十万伏）。

　　 如果设备和人员所在的场所，地电位升都一样，即使电位很高，也不会产生危险。这相当于鸟类落在高压线上，只要在安全范围之内没有超过危险电压的电位差，就不会产生危险。但是如果这时在这个很危险的地电位升附近有真正的地电位时，就有可能在两者之间产生火花而引起灾害。

　　 譬如铁塔上的天线和馈线，其外皮是接地的，这个接地点可能和避雷接地体是一个也可能是分开的。在电缆外皮没有电流流过时，电缆外皮各点电位相等，都是地电位。如果距离避雷接地引线太近，避雷接地引线和电缆外皮之间就有可能打火（发生火花）。在有铁塔时，往往铁塔的钢结构和接地引线是连接在一起的，如果电缆沿铁塔走线架铺设，就有可能在铁塔塔身和电缆外皮之间产生大电位差。

　　为了避免这种火花的破坏性，多数是把电缆外皮直接与铁塔塔身的钢结构作电气连接，如图2中的B点。由于这一点的电气连接，当避雷引线或塔身在Ｂ点的电位升高时，雷电流也会沿BCD这条电缆外皮经Ｌ2这条接地线在G2入地。为了避免这部分雷电流大量引入机房，所以在机房外增加G2这个接地点，以便把部分雷电在进入机房前泻如大地。

　　现在分析一下雷电流的入地路径。当雷电通过避雷针放电时，雷电流可以经过Ａ点与接地引线Ｌ1到达接地点G1。这条路径包括了接地体与大地之间的电阻ＲＧ1和接地引线Ｌ1的电阻ＲＬ1（根据所用材料和尺寸可能是几欧姆或十分之几欧姆，并且包括塔身并联后对总接地引线电阻的降低）。也可以经过塔身和电缆外皮Ｌ2至接地体Ｇ2。这条路径包括塔身部分导体的电阻、电缆外皮的电阻ＲＬ2和接地体Ｇ2的接地电阻ＲＧ2，以及进入机房后接地系统的接地电阻的并联。通过这两条路径似乎可以说，如果经过Ｌ1的电阻越小，就会使绝大部分电流通过这个途径入地。或者说使得塔身的电位升越小，从而降低对机房内各种设施的威胁。所以这条接地引线可以看作避雷接地的主要引线。这条路径电阻越小，其他部分越安全。

　　Ｇ1和Ｇ2可以是两组接地体，也可以是同一个地网的两个接点，甚或是一个接地体。但接地引线最好是分开设置。因为Ｌ1和Ｌ2沿线各点的电位升不一定完全相等。

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　　 但是，由于铁塔塔身把走线架、电缆外皮和各种接地引线等都连接起来了，很难区别两条引线是否在中途连接了。这是用直流的概念去观察泻流途径，因为用直流电阻表去量这些铁件，可能都是零欧姆。但是当瞬时强电流流过时，就会发生如下的情况：

　　 ａ） 引线不再是以直流电阻表现自己的特征，而是带有电感的成分；

　　 ｂ） 强电流流过时，一些小电流能通过的部位可能因承受不了大电流而被烧断，呈现很大的电阻。

　　因为上述2个原因，虽然铁塔各个铁件之间都有螺栓固紧，由于锈蚀等原因，大电流通过时是否能保持良好接触还是个不定的因素。所以必须有专用的接地引线，这个引线需要保证良好的电气连接。通常把作为接地引线的扁钢焊接之后，还要再用螺栓固紧，以避免强电流把焊接点烧开焊。在设计时，不能把一些不定因素考虑进去。必须把安全建筑在自己设计的系统之上。所以建议设计人员要比较死板地把自己设计的接地引线看作是专用的接地引线。最好把其他铁件都看成非本系统设计的利用对象。虽然这样设计可能造价稍高一些，但这部分造价和工程比较起来是微不足道的。但安全上却是大大的可靠。

　　 有些接地点的互相连接只是为了使必要的点保持等电位，而不是要互相作为接地引线的支路。譬如专用的避雷接地系统和建筑物的接地系统相互连接，是为了两者保持足够小的电位差，并不希望建筑物作为避雷线的分支，更不希望我们的避雷线作为建筑物的泻流线。

3 工程中存在的问题

　　 在阐明了上述观点之后，不妨用这个观点分析一下工程中实际存在的问题。

　　 ａ）设置在建筑物房顶的所有设备均接至建筑物女儿墙上的避雷带，如图3中避雷带上之A，B，C，D等点所标注的接地点。这样接地的结果有几点需要讨论：

　　 （ａ） 把接地路径建立在建筑物的接地可靠度上。可以大胆地说，当初设计时多数没有对建筑物的接地系统进行深入的了解。譬如：是否只利用钢筋接地，钢筋是否作了电气连接处理，接地体是不是水泥桩，接地电阻多少，有无季节变化等。这样就犯了设计工作的大禁，把自己的安全建立在不知底细的系统上。

　　 （ｂ） 前面已经说过，避雷带保护的范围很大，任何部位接受雷电流，都可能使避雷带的电位升高。而且避雷带是处在地电位升的最高点。因为避雷带到大地还要经过接地引线（引线的电感和电阻），接地体（接地体的接地电阻）才是地电位。如果避雷带的接地引线经过电缆外皮和机房内的保护接地并联起来（因为电缆在离开走线架之前经Ｄ点和女儿墙避雷带相接），使得机房的保护接地成为建筑物的避雷接地，而且保护整个建筑物，这是一种很危险的接法。因为保护接地只考虑小电流，而雷电流可能很大。

　　上述接法可以归纳为图4所示的情况。从图4可以看得更清楚，机房内保护接地如何变成建筑物的并联接地母线。而且是从建筑物的最高电位引下来的最危险的雷电。

　　 如果建筑物的避雷带保护的范围很大，落雷的概率就比单纯保护铁塔下面的设备之避雷针接受雷电流的概率大得多。所以笔者建议不采用这种接地方法，而是严格按照接地规范进行接地设计。

　　 ｂ） 对于设置在建筑物房顶的设备的避雷问题，也不能简单地把接到女儿墙上的避雷带，作为接地方法。譬如设置在房顶的设备是空调机的散热器。它的外壳必须接至机房内的保护接地。如果怕有雷击的危险，可以在必要的地方设立单独的避雷针和接地引线，专门保护这些设备。

　
　　如果如图3的方法，把这些设备直接接到女儿墙上的避雷带，它就同样在避雷带接雷时变成高电位。如果到这些设备的引线（如电源线）仍旧是地电位，那么引线和设备外壳之间就有可能产生火花放电（请注意雷电流产生的地电位升可能很高），这是很危险的。

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