移動(dòng)基站共址架空輸電塔專用防雷系統(tǒng)研究

邵明馳

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210019)

0 引 言

移動(dòng)基站是移動(dòng)公司為完成用戶間信息傳遞和交換的媒介。近年來，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的提出，移動(dòng)基站的建設(shè)成為移動(dòng)公司未來幾年主要業(yè)務(wù)之一。然而，移動(dòng)基站建設(shè)首要面臨的問題就是選址困難，不僅費(fèi)用高昂、周期長，還要面對(duì)與周圍居民的協(xié)調(diào)問題，建站阻力較大[1]。移動(dòng)基站與架空輸電塔共址解決了建站選址困難的問題，節(jié)省了建站成本，但是同時(shí)也共享了架空輸電塔面臨的問題，即易遭受雷擊。雖然，架空輸電塔上一般都會(huì)安裝防雷系統(tǒng)，但是這些防雷系統(tǒng)由于并不是針對(duì)移動(dòng)基站設(shè)計(jì)的，因此并不能幫助移動(dòng)基站很好地防止雷電的破壞[2]。針對(duì)上述情況，本文根據(jù)架空輸電塔防雷設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)一種專門用于移動(dòng)基站與架空輸電塔共址專用的防雷系統(tǒng)，使得在架空輸電塔的同時(shí)，能夠起到保護(hù)移動(dòng)基站的作用。

1 移動(dòng)基站共址架空輸電塔專用防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

架空輸電塔離地較高，形成了突出形態(tài)，因此一旦遭遇雷雨天氣，受到雷擊的風(fēng)險(xiǎn)將大大提高。安裝在架空輸電塔上的防雷擊系統(tǒng)由于不是針對(duì)移動(dòng)基站設(shè)計(jì)，因此并不能很好地保護(hù)移動(dòng)基站，而再安裝一個(gè)專門保護(hù)移動(dòng)基站的防雷系統(tǒng)不僅成本高，更重要的是會(huì)加重架空輸電塔負(fù)擔(dān)，有可能影響正常輸電[3]。針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)一個(gè)移動(dòng)基站與架空輸電塔共址情況下的專用防雷系統(tǒng)必不可少，既能保護(hù)架空輸電塔，又能保護(hù)移動(dòng)基站。

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

采用B/S架構(gòu)的模式來設(shè)計(jì)本文移動(dòng)基站共址架空輸電塔專用防雷系統(tǒng)的框架。B/S架構(gòu)容易開發(fā)，跨平臺(tái)性好，容易維護(hù)，且能很好地搭載各種設(shè)備和合理布置[4]。基于B/S架構(gòu)本文系統(tǒng)框架主要分為三層：前端雷電環(huán)境監(jiān)測(cè)層、管理控制中心層和防雷方案執(zhí)行層。具體如圖1所示。

由圖1可知，移動(dòng)基站共址架空輸電塔專用防雷系統(tǒng)包括前端雷電環(huán)境監(jiān)測(cè)層、管理控制中心層和防雷方案執(zhí)行層。前端雷電環(huán)境監(jiān)測(cè)層是雷電防護(hù)的基礎(chǔ)層，具有兩種作用：第一是監(jiān)測(cè)雷電產(chǎn)生和強(qiáng)度變化情況，給出災(zāi)害預(yù)報(bào)；第二是給后期雷電故障排查提供指導(dǎo)和建議[5]。

圖1 移動(dòng)基站共址架空輸電塔專用防雷系統(tǒng)框架

管理控制中心層：通過核心控制處理器與元件相連，具有中央控制的作用；觸發(fā)回路與防雷間隙結(jié)構(gòu)相連，起到系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制與保護(hù)的作用。

防雷方案執(zhí)行層：執(zhí)行管理控制中心層命令，控制防雷設(shè)備工作，具體包括內(nèi)部防雷設(shè)備和外部防雷設(shè)備兩種類型，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)基站與架空輸電塔的全面保護(hù)[6]。

1.2 觸發(fā)回路

本文所設(shè)計(jì)的觸發(fā)電路主要包括觸發(fā)源選擇、觸發(fā)比較和預(yù)觸發(fā)等。先采用FPGA中RAM資源定制了一個(gè)2K字節(jié)的FIFO作為采集數(shù)據(jù)的暫存區(qū)，然后通過防雷間隙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)電路的多種功能。建立的共用接地裝置的觸發(fā)回路如圖2所示。

圖2 共用接地裝置的觸發(fā)回路

1.3 共用接地裝置

本文研究的核心是設(shè)計(jì)一個(gè)綜合防雷系統(tǒng)，既要保護(hù)架空輸電塔，又要保護(hù)移動(dòng)基站。系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)防雷設(shè)備大致分為兩類：一是外部防雷設(shè)備；二是內(nèi)部防雷設(shè)備。外部防雷設(shè)備為安裝在外部環(huán)境中的防雷設(shè)備，主要包括接閃器、避雷針和避雷線等；內(nèi)部防雷設(shè)備為安裝在設(shè)備內(nèi)部的防雷設(shè)備，在這里主要是指移動(dòng)基站與架空輸電塔相關(guān)設(shè)備的防雷間隙結(jié)構(gòu)，一般與觸發(fā)回路連接，起到防雷和屏蔽的作用[7]。這兩部分相互獨(dú)立、相互滲透又相互配合，起著重要的作用。為更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)基站與架空輸電塔的保護(hù)以及節(jié)省安裝成本，本文設(shè)計(jì)一種共用接地裝置，即無論是外部防雷設(shè)備，還是移動(dòng)基站與架空輸電塔內(nèi)部的內(nèi)部防雷設(shè)備，都通過該裝置將雷電導(dǎo)入大地，分散雷電帶來的破壞力。共用接地裝置連接如圖3所示。

圖3 共用接地裝置連接示意圖

接地裝置是本文所設(shè)計(jì)的防雷系統(tǒng)當(dāng)中非常重要的一個(gè)元件。為更好地適應(yīng)一對(duì)多的情況，本文在傳統(tǒng)接地裝置研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)一種銅鏈鋼棒接地裝置。該裝置導(dǎo)電性能更強(qiáng)，使用壽命更長。

1.4 電壓抑制算法

本文選用并聯(lián)間隙方法對(duì)雷擊過電壓進(jìn)行抑制，當(dāng)防雷間隙結(jié)構(gòu)中的并聯(lián)間隙長度為絕緣子串長度的70%～80%，可以對(duì)絕緣子串進(jìn)行保護(hù)，避免受到灼燒。

針對(duì)移動(dòng)基站與架空輸電塔輸電線路一般采用三片懸式絕緣子，設(shè)置并聯(lián)間隙長度為0.40 m，計(jì)算絕緣子的伏秒特性。

(1)

式中:UFO為雷擊過電壓；t為灼燒時(shí)間；l為絕緣子串長度。根據(jù)絕緣子的伏秒特性，在正負(fù)極性標(biāo)準(zhǔn)雷電波的作用下，計(jì)算閃絡(luò)電壓。

(2)

(3)

(4)

式中:P為雷電流I超過的概率。

根據(jù)獲取到的雷電流超出概率，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出預(yù)警，共用接地裝置的觸發(fā)回路會(huì)對(duì)雷電流進(jìn)行疏導(dǎo)，有效地抑制雷擊過電壓，避免線路跳閘。

2 系統(tǒng)功能測(cè)試

2.1 測(cè)試環(huán)境

Keil uVision2集成開發(fā)環(huán)境是一個(gè)基于 Windows的開發(fā)平臺(tái)，包含高效的編輯器、項(xiàng)目管理器和MAKE工具。Keil uVision2支持所有的KEIL8051工具，包括C編譯器、宏匯編器連接/定位器、目標(biāo)代碼和HEX的轉(zhuǎn)換器，在 Keil uVision2 開發(fā)環(huán)境中完成系統(tǒng)測(cè)試。線路選擇年累暴日100天的多雷地區(qū)——天津靜海。如圖4所示。

圖4 防雷間隙安裝線路

2.2 測(cè)試條件

為了更加真實(shí)地驗(yàn)證本文移動(dòng)基站共址架空輸電塔專用防雷系統(tǒng)性能，在遭受雷電天氣較多的天津靜海一處移動(dòng)基站共址架空輸電塔上安裝本系統(tǒng)，并進(jìn)行了防雷工程的改造。

通過測(cè)試環(huán)境設(shè)置線路的耐雷水平為74 kA，絕緣子沖擊耐受壓為500 kV。移動(dòng)基站共址架空輸電塔數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 移動(dòng)基站共址架空輸電塔數(shù)據(jù)

2.3 性能測(cè)試

系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出:在使用本文移動(dòng)基站共址架空輸電塔專用防雷系統(tǒng)之前，實(shí)測(cè)接地電阻為6.75 Ω，不能滿足接地電阻要求值(0.54 Ω)；而在使用本文移動(dòng)基站共址架空輸電塔專用防雷系統(tǒng)后，接地電阻都由6.75 Ω降到了0.54 Ω以下。由此證明本系統(tǒng)具有很好的防雷作用。

2.4 跳閘次數(shù)

將歷年(2015年—2018年)的線路避雷器防電次數(shù)和2019年應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)基站共址架空輸電塔專用防雷系統(tǒng)的線路避雷器防電次數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 2015—2019年跳閘次數(shù)對(duì)比

由圖5可知:2019年1月—12月份線路遭受多次雷擊，除了4月份出現(xiàn)過一次變電站開關(guān)跳閘，均未引起線路跳閘；而因雷擊引起線路跳閘2015年一共達(dá)到11次、2016年達(dá)到20次、2017年達(dá)到25次、2018年達(dá)到23次。從運(yùn)行情況看，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)取得了很好的實(shí)際效果，有效減少了線路的雷擊跳閘率。

2.5 瞬時(shí)電壓

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性，對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)前的瞬時(shí)電壓和應(yīng)用系統(tǒng)后的瞬時(shí)電壓進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。

圖6 瞬時(shí)電壓

由圖6可知，應(yīng)用系統(tǒng)前的瞬時(shí)電壓上下浮動(dòng)較大，而應(yīng)用系統(tǒng)后的瞬時(shí)電壓呈平穩(wěn)狀態(tài)，且比應(yīng)用系統(tǒng)前的瞬時(shí)電壓低。這是因?yàn)槔讚魲U塔時(shí)，避雷線可以完全屏蔽導(dǎo)線，不受直擊雷通道電荷的電場(chǎng)影響，起到屏蔽的作用，提高了耐雷水平。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)一種移動(dòng)基站共址架空輸電塔專用防雷系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)功能和性能均滿足了設(shè)計(jì)要求，且有效減少了線路雷擊跳閘率，提高了耐雷水平，具有可用性。由于是初步研究，系統(tǒng)還需要進(jìn)行改進(jìn)，如升級(jí)系統(tǒng)，擴(kuò)大系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫容量以及擴(kuò)大試點(diǎn)范圍等，使得系統(tǒng)應(yīng)用更加廣泛。