5G移动通信基站雷击影响及防护措施的研究_林天.pdf

232023.025G天地0 引言5G（第五代移动通信技术）是新一代蜂窝移动通信技术，具有超高传输速率、超低网络时延、超大网络容量、超强连接能力等特点，应用于增强/虚拟现实技术（AR/VR）、实现4K/8K 超高清视频传输以及远程医疗、远程教育等实时场景。与之相应的缺点凸显，信号覆盖半径小、信号穿透性差、信号覆盖能耗高等。为此可通过数量来提高 5G 基站密度，从而弥补覆盖半径小和穿透性差的缺陷。由于城市空间拮据，通常采用建筑物顶层抱杆塔布设 5G基站天线阵列与路灯电杆挂载 5G 基站等方式解决选址难、覆盖密的问题。随着“十四五”智慧城市建设加快推进，与 5G网络建设配套的智慧灯杆应运而生。5G智慧灯杆集路灯控制、IP 视频监控、LED 信息发布屏、充电桩、挂载 5G 微基站及无线 WIFI 覆盖等城市公共服务于一体，每个功能模块的电子设备都对雷击浪涌保护有着较高的要求，如图 1 所示。1 雷电灾害分析1.1 雷电特性通过雷电流的时间、幅值等参数来表征雷电流的特性。而雷电闪络通道、接地可靠性等都是影响雷电流泄放的重要因素，尤其土壤电阻率和冲击接地电阻是造成散流路径上分流不均匀的主要原因。无线通信基站安装场景的多样性使得通信铁塔接地电阻有时无法满足防雷设计要求，导致通信铁塔处在遭受雷击的风险中。1.2 雷击形式通常情况下，雷电向下先导直击塔体，随后雷电流沿着5G 移动通信基站雷击影响及防护措施的研究林 天1，2 皮小草3 陶德彪1，2 吕永波1，2 王 林1，2 陈宁虎1，2*1.中通维易科技服务有限公司；2.江苏省质量技术监督通信产品质量检验站；3.江苏省气象局摘要：5G 基站铁塔的雷电防护是确保移动通信接入网系统安全稳定运行的重要保障。雷击电磁脉冲屏蔽和冲击接地电阻是评价防雷装置“堵”和“疏”的主要指标。5G 基站铁塔接闪直击雷，进而恶化了周围的电磁环境，干扰和影响通信基站系统以及周边电子设备，建议通信系统用户外机柜增加脉冲磁场抗扰度试验项目。此外，分析不同结构接地体的降阻效果，合理优化接地装置，使得雷电流更好地泄放大地，避免散流路径不均匀。因此必须重视提升 5G 移动通信基站的雷电防护能力。关键词：5G 基站；雷电入侵波；雷击电磁脉冲（LEMP）；防雷区（LPZ）图 1 多功能杆塔示意图242023.025G天地纵向流过塔体，挂载的基站天线、通信铁塔及其他电子设备都将遭受巨大的雷电流脉冲冲击。这一过程伴随雷击热效应、低电位拉升、雷电反击、静电感应以及电磁辐射。因此，无论是建（构）筑物上的雷电流分布还是雷电闪络通道中的雷电流，都有电磁辐射存在，始终影响和干扰通信基站系统的稳定性和可靠性。2 雷击风险分析5G 基站在雷击过程中，雷电脉冲形成的干扰源主要是电磁辐射和电磁传导。由雷电流引发的雷电灾害主要有三种类型：（1）由于雷电流附近的通信设备等电位连接不可靠，通过接地网泄放大地时，出现对低电位通信设备反向放电现象；（2）由于电磁脉冲屏蔽缺失或可靠性降低，雷电流通过铁塔作为泄放路径时，形成瞬变磁场，在闭合回路中产生感应电动势，导致电路或元器件被击穿；（3）由于天线馈线与塔体和大地分别形成回路，将雷电流传导耦合进入通信机房。2.1 雷击电磁脉冲2.1.1 电磁辐射5G 通信基站通常利用塔体自身作为引下线，使得避雷针与地面形成等电位。当雷电云的电场强度增加到极限值时，此时开始电离并下行先导放电；在强电场作用下的避雷针，由于尖端产生畸变场，发生尖端放电现象，形成向上先导放电；两者会合形成雷电流的泄流路径，随之泄放大地，达到保护机房等设施免受直击雷损坏的目的。在雷电流接闪泄放过程中，铁塔作为泄放路径的载体，依据毕奥-萨伐尔定律，在其路径上取电流元。定点附近磁感应强度与电流强度、定点位置有如下关系：（1）泄流路径外部定点的磁感应强度 B 方向垂直于泄流方向 l与矢径 r 所组成的平面，且磁感应强度 B 大小与雷电流 I 成正比，与雷电流到定点的距离的平方成反比。换成极坐标形式，由（1）得出：（2）当雷电流从无限远处接闪泄放大地，近似的看成“无限长”载流长直导线，则：（3）雷电击于接闪器，通过通信铁塔将雷电流I引下泄放大地，致使周边电磁环境发生剧烈变化，电磁场强度显著增强，对附近电子设备安全运行造成巨大威胁。当无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度为：（4）其中，一般雷击电流可取平均值 I=30kA。0 为真空磁导率，取410-7（H/m）。当空间电磁场强度达0.07高斯（Gs）时，通信设备系统将产生故障；空间电磁场强度达 2.4Gs 时，可使通信设备元器件被击穿。（1T=104Gs）则无屏蔽的磁场强度中，临界安全距离为：（5）电磁脉冲的安全距离可有效保护电子通信设备，并降低对通信基站系统以及周边电子设备的影响。5G 基站数量剧增，加之城市空间拮据和选址的局限性，进一步提高了基站选址的难度。而基站户外机柜具有占地面积小、易施工等特点，可代替传统基站机房，如图 2 所示。传统基站机房采用格栅形空间屏蔽方式，使得通信设备处在防（a）塔体与机房分离（b）塔体在建筑物（机房）顶部（c）共享塔（站）（d）基站户外机柜图 2 宏基站252023.025G天地雷区 LPZ1 区域，如图 3 所示，其屏蔽系数（SF）与格栅宽度和雷电流与 LPZ1 区域的平均距离有关。屏蔽系数（SF）是反映格栅形空间屏蔽性能重要指标。如果有屏蔽体而没有接地或者接地不可靠，由于电场耦合作用增强，没有屏蔽导体感应的骚扰电压会低一些，防护的效果可能会更好一些，因此不仅需要采用良导体作为屏蔽导体，而且必须可靠接地。基站户外机柜直接处于气候影响中，采用防腐涂层金属材料作为壳体，为通信系统设备正常工作提供可靠的机械和环境保护。产品标准 YD/T 1537-2015通信系统用户外机柜中，根据适用不同环境，仅对电磁屏蔽性能提出了等级要求。GB/T 18663.3-2020电子设备机械结构公制系列和英制系列的试验第 3 部分“机柜和插箱的电磁屏蔽性能试验”规定试验方法和测量要求。通过测量基站户外机柜的泄漏场强与基准场强比较，由电磁屏蔽性能来评估是否适用特定场景。对于高雷暴日区域的基站户外机柜，不仅需要相应等级电磁屏蔽能效，而且还应具备一定的抗脉冲磁场的能力。因此通信和电子设备对由于雷击建筑物或其他金属构架（包括天线杆、塔体、接地体和接地网）瞬态脉冲产生磁场抗干扰的能力，是以脉冲磁场抗扰度来评价的。标准 GB/T 17626.9-2011电磁兼容试验和测量技术脉冲磁场抗扰度试验，不仅针对电子设备脉冲磁场抗扰度规定了具体试验方法和模拟脉冲磁场电流波形，而且推荐了试验等级要求和详细的试验程序，具有系统性和指导性。对于磁场屏蔽，不仅需要采用高磁导率材料作为屏蔽导体，而且还需要对屏蔽导体的厚度有一定要求。通过电磁屏蔽能效和脉冲磁场抗扰度这两项指标，综合评价基站户外机柜受雷电流周围环境抗干扰的性能，确保通信设备和系统在复杂的电磁环境区域内抗干扰并可靠运行。2.1.2 电磁传导在移动基站铁塔顶部附近位置架设天线以便覆盖更广的区域，天线下方馈线沿着塔体垂直地面布线，到达机房高度时，采用钢制走线架水平布线将馈线引入机房。因此，馈线走向分为垂直段和水平段，由于垂直段馈线的外导体（屏蔽层）与通信塔体形成的回路面积极小，因此垂直段馈线与通信塔体之间主要表现为容性耦合；水平段馈线距离地面的高度远远大于馈线外径，与地面之间的面积较大，水平段馈线与大地之间主要表现为感性耦合。当雷击 5G 基站铁塔时，对于大地有很高的电位差，此时无法忽略由于电位差产生的容性耦合电流。如图4所示，在通过馈线转移阻抗时，产生感应电动势，沿着馈线布线方向传导进入移动通信基站，将面临遭受感应电动势对机房通信设备系统损坏的风险，并引发雷电灾害。2.2 冲击接地电阻铁塔地网、机房地网和变压器地网三者组成了移动通信基站地网。通信铁塔的接地电阻是衡量杆塔耐雷击水平的重要指标。而土壤电阻率和接地装置是影响接地电阻的主要因素。接地装置用于传导雷电流并将其散流入大地，并由接地体和接地线构成。土壤电阻率作为大地的一项电性参数，很大程度上制约着接地装置的接地电阻。雷电流在通过接地装置时，由于冲击电流具有极高的频率，电感作用将明显强于电阻，进而阻碍雷电流沿着接地体向远处散流，出现接地体各部分散流不均衡的现象。在雷电流冲击过程中，其等值半径是表示接地体在土壤中火花放电区域的半径。随雷电流密度增大土壤的击穿区域增大，等值半径也相应增大。不难想到，在接地体周围出现具有一定锥度的土壤击穿区域，如图 5 所示。在冲击电流的作用下，水平图 3 附近雷击时的环境情况（r为雷击点至屏蔽空间的平均距离）图 4 经馈线电磁耦合进入机房模型262023.025G天地接地体可以看成是由电感、电容、电导和电阻组成的 型等值电路，其中每一段接地体由一个型等值电路来模拟。此外，接地体的形状、埋设深度等也是导致散流不均衡的因素。对于水平接地体来说，埋设地线的长度达到一定程度，降阻效果就不明显了。可以说，任意延长埋设地线长度也无助于接地电阻的减小。冲击接地电阻直接影响雷电流泄放效率，接地网型式是影响冲击接地电阻重要因素。依据 YD5068-2005通信局（站）防雷与接地工程设计规范和 GB 50689-2011通信局（站）防雷与接地工程设计规范对地网结构要求，如图 6 所示，选取其中网格作为接地体进行分析，如图 7 所示。接地装置相关参数见表 1，由仿真计算得出，在土壤电阻率相同时，选择结构图 7（a）分别通过改变 a 和 l 的值，垂直接地体的间距越大接地电阻越小，散流效果越显著；垂直接地体的长度对接地电阻的影响不大，见表2；而将结构图7（a）四个叠加形成田字形地网，其中垂直接地体替换成结构图7（b）螺旋接地体，由于螺旋接地体与土壤的接触面积增大，接地电阻越小。雷电流通过接地装置引入大地时，接地体材料电磁特性、接地体周围土壤电阻率、接地体截面积等都会对散流的效果产生影响。一味追求较低的接地电阻，也会增加施工建设成本。因此，应遵循经济合理、因地制宜的原则，选用适合的接地装置，达到雷电流安全泄放的目的。表 1 接地装置相关参数电压等级（kV）接地体结构（m）a（m）l（m）1（220）（a）1002.52.52（220）（a）1002.553（220）（a）100554（220）（a）10052.55（220）（a）+（b）10052.56（220）（a）+（b）10055表 2 接地装置冲击接地电阻值I（kA）103050100R112.3610.9510.359.48R211.2210.199.919.53R36.365.805.525.14R46.786.195.925.54R53.583.062.812.42R63.422.922.632.243 措施与建议（1）严格按要求对 5G 移动通信基站周围区域划分防雷区，对于不同防雷区，采取相应的措施，如需要进一步减小雷电流和电磁场的影响，就应增设后续防雷区，通过金属物（面）构成的屏蔽体做等电位连接的屏蔽措施。（2）基站户外机柜建设在高雷暴日区域时，不仅需要相应等级电磁屏蔽性能，而且还应具备一定抗脉冲磁场的能力，确保在复杂的电磁环境区域内抗干扰并可靠运行。（3）通过实地勘查土壤电阻率，接地装置模型匹配仿真，遵循经济合理的原则，满足实际场景下的接地电阻。当土壤电阻率较高时，可以适当配合使用降阻剂。（4）由于馈线的外导体与塔体和大地之间电磁耦合，将馈线外导体可靠接地（采用馈线接地卡）并安装馈线防雷器，阻止将感应电动势传导进入移动通信基站。（5）馈电系统、时钟天馈线和控制系统，导致基站的雷图 5 土壤击穿时各段接地体等效半径示意图图 6 移动通信基站地网示意图（a）单一网格（b）螺旋接地体图 7 接地体结构（下转第 38 页）无线通信382023.02共享结论：覆盖需求小，用户感知不明显；联通共享第二年算赢，共享优先级为中。3 结束语通过研究确立 4G 共建共享测算模型，实现了根据场景自动输出共享建议，评估共享效益，精准测算共享成本。通过模型的应用，