移動(dòng)通信基站配電設(shè)備防雷

武 寧

陽(yáng)江市氣象局，廣東陽(yáng)江 529500

0 引言

隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信行業(yè)的發(fā)展，移動(dòng)通信基站很容易遭受直擊雷、靜電感應(yīng)以及雷電電磁脈沖的破壞而導(dǎo)致設(shè)備故障和損壞。對(duì)于地處位置空曠，相對(duì)高度較高的郊區(qū)基站和高山基站來(lái)說(shuō)，由于需要長(zhǎng)距離高壓架空線獨(dú)立供電，通信基站供電設(shè)備更容易遭受雷擊。通過(guò)廣東某市移動(dòng)通信基站雷擊故障統(tǒng)計(jì)（表1），可以看出：由于現(xiàn)代通信基站內(nèi)部已經(jīng)做了較為完善的雷電防護(hù)措施，雷擊供電設(shè)備（尤其是變壓器和高壓計(jì)量器）引起的故障，是導(dǎo)致?lián)p壞和通信中斷的主要原因。

表1

1 通信基站10KV配電線路雷擊概率分析

雖然移動(dòng)通信基站的線路通常并未架設(shè)在山地最高處，但是由于線路一般采用裸線架空敷設(shè)，架空距離較長(zhǎng)，受雷電感應(yīng)和電磁脈沖影響很大，其遭受雷擊的概率也很大。

以廣東省陽(yáng)江市為例。年平均雷暴日為92天。根據(jù)IEC62305-2部分所提供的公式來(lái)計(jì)算：年平均雷擊概率Ng=0.1TD=92×0.1=9.2次/km2·a。依照通常的移動(dòng)基站設(shè)計(jì)，假設(shè)某郊區(qū)移動(dòng)基站發(fā)射塔高H=50m，供電采用10kV架空線引入長(zhǎng)度為L(zhǎng)=2000m。則：移動(dòng)基站發(fā)射塔的雷擊截收面積為Adt=9=70650m2，10kV架空線的雷擊截收面積Adl=9πH2=72 000m2。

發(fā)射塔的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)NDt=Ng×Cd×Adt×10-6=6.50次/年

架空線路的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)NDl=Ng×Cd×Adl×10-6=6.62 次 /年

由此可見(jiàn)2km長(zhǎng)距離的配電傳輸線的雷擊概率已經(jīng)于50m高的通信桿塔的雷擊概率相當(dāng)。

2 通信基站高壓配電設(shè)備的雷擊損害

移動(dòng)通信基站高壓配電設(shè)備易遭雷擊損壞的主要是10kV變壓器和高壓計(jì)量器。10kV變壓器通常采用y/y0-12型接法，高壓計(jì)量器主要是電壓電流互感器構(gòu)成的電量計(jì)量器。10kV配電系統(tǒng)的絕緣耐壓通常是75kV，而雷電造成的過(guò)電流大部分是低于20kA的。因此很多人認(rèn)為對(duì)于高壓配電線路來(lái)說(shuō)只有占雷電比例較少的強(qiáng)雷電才會(huì)導(dǎo)致配電系統(tǒng)故障。然而實(shí)際上由于配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，較低強(qiáng)度的雷電流雖然不能直接擊穿配電系統(tǒng)的絕緣保護(hù)，卻能造成配電系統(tǒng)故障甚至燒毀配電設(shè)備。

2.1 10kV變壓器雷擊損壞原因分析

2.1.1 逆變換造成的雷擊損壞

若高壓線遭受雷擊，雷電波沿高壓線從高壓側(cè)侵入，當(dāng)高壓側(cè)的避雷器動(dòng)作時(shí)，雷電流通過(guò)接地線導(dǎo)入大地，并在接地電阻上產(chǎn)生一個(gè)高電壓，造成接地線電位抬高，由于低壓側(cè)的中性線是接地的，因此高電壓回加在低壓線圈上并形成回路產(chǎn)生過(guò)電流，并通過(guò)電磁感應(yīng)使高壓側(cè)出現(xiàn)一個(gè)過(guò)電壓。

圖1

2.1.2 接地引線電感引起的電位抬高引起的損壞

10kV線路變壓器的絕緣電壓大約為75kV。一般高壓側(cè)避雷器接地引下線到變壓器外殼的長(zhǎng)度為7～8m，連線電感約為9μH。如取雷電流的幅值為10kA，取波頭為2.6μs，則雷電流的陡度為di/dt，引線電感的電壓降達(dá)到Ldi/dt=34.6kV，它與避雷器的殘壓50kV疊加在一起，共同作用在變壓器的主絕緣上，對(duì)主絕緣產(chǎn)生威脅。

2.2 高壓互感器損壞原因分析

圖2

通信基站10kV供電線路通常使用三相四線制式，變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)不接地，不過(guò)為了取得高壓計(jì)量器內(nèi)電壓互感器的對(duì)地絕緣狀況信號(hào)， 互感器的中性點(diǎn)是接地的。一般采用Y型接法接電壓互感器的等值電路如圖2。圖中Cl為線路每相的對(duì)地電容，L為電壓互感器的鐵芯線圈電感。正常情況下，鐵芯不飽和，線圈感抗大于線路容抗，即XL＞XCl，二者并聯(lián)后相當(dāng)于一個(gè)等值電容C'。當(dāng)線路遭受雷擊時(shí)，雷電流沿線路侵入配電系統(tǒng)，加在線圈上的電壓增加，使通過(guò)線圈的電流增大時(shí)，由于鐵芯電感線圈是一個(gè)非線性電感原件，L的電感值卻由于鐵芯飽和而不斷下降。當(dāng)電壓增大到一定數(shù)值后，XL＜XC1。這時(shí)，線圈電感與線路電容并聯(lián)相當(dāng)于一個(gè)等效電感L'，它與電源中性點(diǎn)對(duì)地電容Cn（圖2中虛線部份）組成串聯(lián)諧振回路。諧振會(huì)產(chǎn)生很高的過(guò)電壓和過(guò)電流，擊穿絕緣薄弱部位。長(zhǎng)時(shí)間的諧振還會(huì)使線圈過(guò)熱導(dǎo)致互感器燒毀。

3 防范措施

3.1 架空電力線路防直擊雷措施

為高山移動(dòng)通信基站架設(shè)的電力架空線應(yīng)當(dāng)在其上方架設(shè)避雷線，其長(zhǎng)度不宜小于500m。電力線應(yīng)處于避雷線的25°角保護(hù)范圍內(nèi)，避雷線（除終端桿處）應(yīng)每桿作接地一次。通過(guò)避雷線的保護(hù)，架空電力線避免遭受幾百萬(wàn)伏甚至幾千萬(wàn)伏直擊雷電壓擊中，大大降低變壓器以及高壓計(jì)量器損壞的概率。

3.2 防感應(yīng)雷措施

1）為高山移動(dòng)通信基站架設(shè)的專用變壓器，應(yīng)當(dāng)在高壓側(cè)進(jìn)行埋地處理。埋地距離不小于200m，可更換鎧裝線或者套金屬管。若施工存在困難，無(wú)法進(jìn)行埋地處理則應(yīng)當(dāng)在架空高壓電力線路終端桿，終端前第一、第二或第二、第四桿上各增設(shè)一組氧化鋅避雷器，同時(shí)在第三或第四桿增設(shè)一組高大保險(xiǎn)絲；

2）在變壓器高低壓側(cè)分別加裝避雷器。高壓側(cè)應(yīng)當(dāng)換裝更大通流量的氧化鋅避雷器，低壓側(cè)則應(yīng)當(dāng)加裝殘壓更低的SPD；

3）采用中性點(diǎn)全絕緣的互感器做計(jì)量器，或者使用V型接法的互感器，避免諧振的產(chǎn)生。若必須采用中性點(diǎn)接地的互感器，則可以在二次側(cè)開口處并聯(lián)消諧器來(lái)降低產(chǎn)生諧振的幾率。