中国防雷企业网 - CDMA宏基站G 天线端口雷击事故原因剖析

CDMA宏基站G 天线端口雷击事故原因剖析

关键词：接地、地电位反击

1．引言
随着中国联通CDMA网络的不断发展，CDMA宏基站大面积投入使用，设备在几年的实际运行中暴露的雷击事故逐渐显现，在宏基站雷击事故中，GPS接收模块损坏的数量占到了实际事故总数量的主要部分。由于GPS接收模块损坏，造成GPS信号丢失，CDMA宏基站无法正常工作，给客户造成了恶劣的负面影响。本文将结合GPS接收电路的特点对GPS接收模块损坏的具体原因进行分析和探讨。

2．GPS接收机防雷原理
GPS室外天线中内置有低噪声高放电路，所以天线的馈线中除了有1.575GHz的射频信号外还有5V的直流内馈电源。GPS天馈防雷器需要从两个方面进行防雷，利用带通滤波的原理对射频信号进行防雷，同时还要用两级组合的方式对内馈直流电源进行防雷，使GPS天馈防雷器的限制电压低于10V。

3．GPS接收机雷击损坏分析
GPS接收机天线端口不同于一般的接收机电路，信号从室外天线端口进来后不经过带通滤波电路，而是直接进入放大电路，所以GPS接收机抗雷击浪涌的能力十分脆弱，在GPS接收机天线端口加装防雷器防止从馈线感应来雷是必需的。如果仅安装防雷器而其它接地工程上的问题没考虑周全，同样会使雷击损坏事故频繁发生。
防雷接地是一个系统工程，YD5068-98《移动通信基站防雷与接地设计规范》3.3.3规定：“馈线避雷器接地端子应就近引接到室外馈线入口处接地线上，”YD/T5098-2001《通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范》中也做了类似的规定，在通信基站接地施工中实际上把接地分为室内工作接地、室外防雷接地、避雷针接地三根走线，三根接地线分别与总接地网相连。室内接地汇流排接室内设备的工作接地和电源防雷地，室外接地汇流排接主馈线入室处接地和天馈避雷器接地，为了防止雷击情况发生时出现地电位反击现象，三根接地线在地面上的部分是不能直接相连的。但移动通信基站设备存在自身的特殊性，收发信机的天馈线铜外皮与设备上的金属外壳是直接相连的，与室内工作和保护接地连接，而天馈线从室外引入时铜外皮又与室外接地汇流排相连，大部分天馈线的铜外皮甚至与装有避雷针的铁塔直接相连，从而造成同轴馈线铜外皮把室内工作地与室外防雷地直接相连。当通信基站遭受雷电侵入时，雷电流不仅通过室外接地汇流排流入大地，还有部分雷电流分流后，通过天馈线铜外皮经基站设备整个外壳后经安全接地线到室内接地汇流排流入大地，整个室内接地线系统都将存在较大的电压梯度，由雷电引起的地电位反击绕过天馈避雷器将直接造成基站设备损坏。
现在从理论上简要分析上述地电位反击情况，图一为通信基站的接地示意简图：通信机房与避雷针共用一个接地网，机房中A为室内接地汇流排，B为室外接地汇流排，AE为设备接地线， DF为天馈线，中间串接天馈避雷器，室内接地汇流排和室外接地汇流排分别经导线引入接地网。当铁塔上的避雷针遭受雷击时，假设雷击电流为50KA 时，铁塔高度50米，雷电流从H至G点流入地网（极少部分通过馈线外皮接地处从F点经B至C点流入地网，本处分析忽略此因素），我们忽略地网接地电阻进行理论分析，雷电流产生的电压降UHG=IR L ，假设铁塔的直流电阻为0.2Ω，铁塔垂直方向的单位电感为1.67μH/m，直击雷浪涌电流上升沿时间为1.2μs，则UHG=50KA×0.2Ω 1.67μH/m×50 m × =3489167V，铁塔上的电压差为3489.167KV，平均每米的电压差为69.8KV/m。由于基站主馈缆外皮与铁塔相连，可知UFC= UFG，所以主馈缆外皮上的电压差也约为69.8KV/m，假设主馈缆进基站处的室外接地汇流排高度为2m，则通信基站室外接地汇流排上的电压将达到近140KV。由于通信基站室内接地汇流排与室外接地汇流排分别接入地网，所以当室内接地走线加馈线外皮的长度是室外接地汇流排地线长度数倍时，室内接地汇流排与室外接地汇流排之间就有较大的电压差，由于天馈避雷器把同轴馈线的芯、皮电压进行了箝位，则同轴馈线的芯线电压近似为室外接地汇流排B点的电压，设备天线端口外皮D点的电压远低与芯线（B点）电压，从而造成GPS接收设备因雷击损坏。具体损坏现象为：当GPS天线端口射频隔直电容冲击耐压水平高于贴片式射频连接器冲击耐压水平时，射频连接器绝缘被击穿，射频连接器损坏；如果射频连接器绝缘没有被击穿，则雷击浪涌电压通过内馈直流电源的限流电阻进入GPS接收板直流电源系统将电路板上耐压水平最低的电路芯片损坏。
对一片地域来说，每年雷电直接击中避雷针是一个小概率事件，但雷电从四处分布的供电电网上感应入侵的事件会经常发生。同理，当基站电源部分遭到雷电流侵入时，假设雷电浪涌电流为10KA时，我们忽略接地线自身的电阻，则每米导线上的压降为U0= L （L=1.67μH/m；雷电流上升沿时间为8μs），U0= 1.67μH/m × =2.09KV/m，当室内设备接地走线加室外接地汇流排入地线的长度是室内接地汇流排入地线长度数倍时，室内接地汇流排与室外接地汇流排之间同样存在数千伏的电压差，该电压通过设备工作及外壳接地线直接进入设备内部，和与室外接地汇流排相连的馈线之间形成雷击过电压，这种情况同样会造成GPS接收设备因地电位反击而损坏。
生搬硬套YD5068-98《移动通信基站防雷与接地设计规范》的具体规定，在实际应用中出现了上述两种情况，均为由于系统接地的不同走线方法，雷电入侵时地电位绕过天馈避雷器对通信设备造成反击，而国家标准并没有规定天馈避雷器的安装位置，许多进口设备内部已经装了避雷器，其接地线与设备接地已经直接相连，形成一个等电位体，完全没有必要拆开接地线再接到室外接地点。原来通信基站使用的收发信机的天线端口由于有无源的前端腔体滤波器，滤波器耐压等级高，并且有一定的泄放浪涌电流能力，实际应用中问题不易暴露出来。现在CDMA通信基站使用了GPS授时系统，GPS接收机装在基站设备内部，它特有的电路结构决定了天线端口的脆弱本质，按原有的标准和习惯施工必然会形成雷击时的地电位反击现象。如果仍然按原标准施工，当CDMA通信基站遭受雷电入侵时，不论是室外避雷针遭雷或者是远端供电线路上来雷，GPS接收机都将损坏，直接造成基站通信设备瘫痪。

4．问题解决方案
在通信基站施工中由于某些厂家的设备中没有内置天馈避雷器，施工方统一把天馈避雷器安装在天馈走线架上，天馈避雷器的安装位置与基站设备有一定距离（下跳线长度），如果按照标准施工，就会出现诸多地电位反击问题。由于GPS接收机装在CDMA通信基站设备的内部，构成设备的一个部件，接收机的外壳地线与设备的总地线已经成为一体，对于这种耐压等级比较低的设备应特殊考虑，将GPS天馈避雷器装在基站设备内部，或装在基站设备天线端口处，尽可能缩短天馈避雷器到GPS接收板天线端口的馈线长度，避雷器的接地线尽量短，并与CDMA设备的地线引出端子相连，使CDMA基站设备成为一个等电位体，任何情况下严禁有雷电流在设备外壳上形成电流通道，从而降低设备的地电位反击电压。同时在条件允许的情况下，尽量采用具有限流作用的直击雷防护装置，减低雷电流的幅值也可以减小地电位的差值，降低地电位反击的概率。尽量降低接地电阻，减小雷击发生时对基站外部其它设备的影响。
为了从根本上解决上述问题，特别是今后国内3G通信系统中不再出现类似问题，只有所有通信设备生产厂家从产品可靠性设计上入手，充分重视产品各个端口的抗浪涌电流能力，将各种功能的避雷器直接装入通信产品内部，与产品形成一个整体后，可以全面提高产品的电磁兼容水平，使产品真正成为全面通过电磁兼容测试的产品。

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