5G移动通信基站雷击影响及防护措施的研究_林天.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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。
6、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
7、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)
8、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
9、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
10、,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
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