6.2 地网

6.2.6 根据某地区数百个遭受雷击损坏设备的基站接地电阻的统计：5Ω以下的占74％，5Ω～10Ω的占19％，10Ω以上的占7％。在2004年某基站地网优化设计及综合防雷方案科研组对51个现场勘察的雷害基站中，山区型23个，郊区型25个，市区型3个。接地电阻在5Ω以下的31个，5Ω～10Ω的4个，10Ω以上的16个。可见接地电阻符合规范要求5Ω以下，但屡次遭雷害的基站却占60％左右，比例依然很高。这说明雷害同接地电阻值并不是必然对应的关系，从统计数据来看，并不是接地电阻越小，遭雷的概率越小，防雷效果也越好。实践证明，防雷效果和接地电阻并无直接关系，设备的损坏是由于设备间存在电位差造成的。

      1 移动基站(包括微波站)的接地：

    随着移动通信服务区网络不断向郊区、山区、交通主干线的延伸，基站所处地理环境越加恶劣，特别是石头较多的山上，接地问题更难解决。其实移动通信基站的接地问题—直困扰着移动通信基站的建设和设计单位，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，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，表面土壤仅十几至几十厘米厚，甚至只有光秃秃的岩石，土壤电阻率极高，要使基站的地网接触电阻做的很小是极为困难的。

    基站根据设计的不同分为机房与铁塔分别设立、机房在铁塔四脚之内、铁塔四脚建在机房之上几类情况，因此，各类移动通信基站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。根据《移动通信基站防雷与接地设计规范》YD 5068-98的要求，基站接地电阻应小于5Ω，由于基站所处地理环境千差万别，实现规范的要求可能有众多问题，许多工程技术人员都反映按照规范设计接地系统不好处理，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。

      2 移动基站接地的目的：

    目前建在郊区或山区的移动通信基站有各种各样的地网，接地电阻值从几欧姆至几十欧姆不等。这主要是由基站所处的地理环境和土质以及站址所在地区的土壤电阻率决定的，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。

       1) 按照《信息技术设备的安全》IEC 60950采用通信开关电源供电的通信设备属于基本绝缘类设备。所以这类设备的外露可导电部分一定要可靠接地，其目的是为了防止设备故障时的危险电压对人身构成电击危险。

       2) 对于以分离器件为主的模拟通信设备，由于考虑干扰信号的地环流影响，所以设备需要独立的工作接地，但对于以大规模集成电路器件为主的数字通信设备，由于设备本身的抗干扰能力较强但内部器件的抗电涌能力极差，所以工作地必须直接和保护地合一。

       3) 对于直流系统(-48V系统为直流正接地，+24V系统为直流负接地)，其接地目的至少应包括以下两个方面：固定(均衡）电位，防止在供电系统故障后，危险电压对人身构成电击危险；固定(均衡)电位，防止在供电系统故障后，危险电压对设备本身造成的损坏。

       4) 为防止静电对设备本身的危害的接地。

       5) 为给窜入系统的雷电能量提供一个泄放渠道的接地。

    分析以上基站接地的目的，可以清楚地看到，基站接地电阻的大小是以危险电压不能对人身和设备的安全构成危险为原则的。即在设备供电系统发生对地短路故障时，故障电流在接地电阻上的电压降不能对接触设备的人和设备本身构成安全隐患。

      3 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孤立的平板，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(2m～3m)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：

    这个极为重要的物理概念表明：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半径可以比较时，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：

    如果将地网等效为埋深为0，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2m～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2m～3m的实体钢板地网，也不会使接地电阻有多大变化。

      4 地网大小及网格数与接地电阻的关系：

       1) 地网大小与接地电阻的关系：

    基站的地网作为复合接地体(以水平接地体为主，且边缘闭合)的接地电阻：

    从式(2)可以看出接地电阻主要取决于接地网的面积，而后一项说明接地网的埋深，接地体的直径以及网内的水平和垂直接地体的总长度对减少接地电阻的作用很小，通常仅占R总数的8％左右。根据《工业与民用电力装置的接地设计规范》GBJ 65-83，对于上述复合式接地网的工频接地电阻的计算，上式R约为：

       2) 接地电阻与基站地网面积的大小：

    从R=0·5ρ/√A可以看出，在相同土壤电阻率的条件下，要使地网接地电阻减少，就要增加地网的面积，表1列出了在不同土壤电阻率时保持R为5Ω时的地网面积。

    由此可见，在高电阻率的山区，基站地网的接地电阻要控制在5Ω是难以实现的。

       3) 地网网孔个数和接地电阻的关系：

    地网中相距较近的接地体不能充分利用，这种接地体间的相互屏蔽引起的屏蔽效应是由电流流入大地时电场重叠而产生的(接地体的电阻主要是靠位于接地体附近土壤区域土壤电阻率所决定的，由于上述电场是叠加的，所以每一个接地体附近的电流密度变得不均匀，使得接地体附近的土壤有效面积减少，或者使流散电阻增加)。当接地体按照同心圆的方式(即一环套一环)或者地网以直角小方格配置时，由于接地体的相互屏蔽作用，其利用率特别低，此时设置在网格结点上的垂直接地体的利用系数仅仅达到0.15～0.20。因为这时对接地电阻数值起主要作用的是接地体的外环部分，而不是网格内部接地体的数量，所以增加地网内网格数目以减少地网接地电阻值既不经济又非优化设计考虑。

    据有关资料介绍：如果一般复合式地网的接地电阻R为100％，则实心钢板地网接地电阻约为90％R，而中空的环形地网(只有周边有接地体)的接地电阻约为110％R，房屋建筑物基础(一般有钢筋的地基较深，而建筑物中间有空隙)的接地电阻约为80％R。可见加密水平接地体，增设垂直接地体对基站地网的接地电阻无显著作用。

    接地电阻与接地网孔的关系：美国《电磁兼容性设计手册》(AFSC-DH1-4)认为：“从设计的经济效益方面考虑，地网应尽可能覆盖大的面积以降低其接地电阻，而且网孔数目不宜多于16个”。这与我国水利电力部门的试验结果是相符的；当接地网孔大于16个时，接地电阻减小很慢，如16个网孔的正方形接地网与2个网孔的正方形接地网相比，接地电阻减少23％；与4个网孔的正方形接地网相比，仅减小10％。网孔个数和接地电阻的关系用图2表示(图中R为平板的接地电阻)。

    由此可见，加大地网网格的密度以降低接地电阻的方式并非优化设计所推荐的，如将多于16个网孔的接地体用来增大接地网的面积，对于减小接地电阻的效果要好得多。

      5 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，为此建在山上的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，以致局内设备相互间的冲击电压均衡，增加了雷电泄流能力。

       1) 接地网与冲击半径。

    一个避雷引的接地体接闪时所呈现的电阻，与自流、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，它们的最主要区别是由雷电的形成过程以及土壤对高频电磁波的传输特性决定的。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：

    第一，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。

    第二，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，即地的介电系数和土壤电阻率。

    第三，冲击电流在地中流动时，由于高频电流的集肤效应，不像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。

    第四，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度量冲击接地的作用。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的，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。

       2) 地网的最佳面积大小。

    冲击等值半径与接地网面积的等值半径之比：

    在不同的土壤电阻率和地网的面积条件下，两者之比可为基站地网优化设计提供一个考虑方案。表2列出了土壤电阻率ρ＝250Ω·m～2000Ω·m，地网面积A＝100m2～6400m²时冲击等值半径与接地网面积的等值半径的变化规律。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×20m(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(在土壤电阻率为1000Ω·m时为71.63％)，当接地网的大小在40m×40m(1600m²)时，此时地网在雷击时冲击等值半径利用率在电阻率为1000Ω·m的土质情况是53.44％，冲击等值半径利用率较低，在土壤电阻率低于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扩大散泄雷电流之用，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加速散泄雷电流，而不是以减小地网接地电阻为目的。

      6  网格与均衡电压接触系数的关系。

    实施基站联合接地均衡电位的目的，除了减小设备上的反击电压外，另一个目的是减小地网内的最大接触电位差(当电流流过接地装置时，大地表面形成分布电位，在地面上离设备水平距离为0.8m处与设备外壳或墙体离地面的垂直距离1. 8m处两点间的电位差，称为接触电位差，人体接触该两点时所承受的电压，称为最大接触电压)，接地网地面的最大接触电压可近似按下式计算：

    由此可见，最大接触系数随网孔个数增加而下降的梯度和接地电阻随网孔个数增加而下降的梯度是相似的，这说明了用增加网孔个数而减小接触系数和减小接地电阻一样，不能作为主要方法。一般地网网孔可采用3m×3m或者5m×5m。当然，最好能利用冲击电流进行现场实际测量和校核。

    另外，由于现在站内地面一般都采用高电阻率的地面结构，其平均击穿强度远高于土壤，并且限制了通过人体的能量，其效果十分显著，为了提高地面击穿强度，在方案实施时可以考虑在地面上铺设3mm～5mm厚的绝缘橡胶板。

      7 基站地网是否合格的判定依据。

    在移动通信基站采用联合接地，土壤电阻率较低的情况下，可以规定一个接地电阻的要求，以减小建设地网投资，但在大地电阻较高的地区，评价基站地网接地电阻是否合格应采取优化设计的方式，换一种方式来评价，即以地网面积的大小为判定依据，看看是否能满足雷击时基站接地的需要，另外，地网四角还应辅以20m～30m的热镀锌扁钢做辐射型接地，以提供更好的雷电流散流通道。