摘 要 依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實際經(jīng)驗，論述了當(dāng)前移動基站供電系統(tǒng)防雷中存在的主要問題。
關(guān)鍵詞 移動基站 供電系統(tǒng) 防雷 接地 電涌保護(hù)器
0 前言
移動基站供電系統(tǒng)一般由配電變壓器、低壓交流供電線路、計量箱、交流穩(wěn)壓器、交流分配電箱、通信開關(guān)電源、聯(lián)合接地網(wǎng)等組成，因其所處工作環(huán)境的特殊性，容易遭到雷電、電涌或其他過電壓的損害。信息產(chǎn)業(yè)部郵電設(shè)計院(現(xiàn)中訊郵電咨詢設(shè)計院)曾對全國十幾個省市通信局(站)遭雷擊情況進(jìn)行過調(diào)查統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)雷擊造成通信設(shè)備損壞事故的85％左右是因雷電過電壓侵入移動基站供電系統(tǒng)而引起的。作為通信系統(tǒng)的“心臟”，移動基站供電系統(tǒng)的損壞將對其他通信設(shè)備的正常運(yùn)行構(gòu)成威脅，若得不到及時有效的維護(hù)，很容易引發(fā)通信中斷等不可接受的二次事故。
因此，做好移動基站供電系統(tǒng)的雷電防護(hù)，對于遏制移動基站雷擊事故具有重要意義，它也是移動運(yùn)營商、設(shè)備供應(yīng)商和電信設(shè)計與施工單位等多方共同關(guān)注的問題之一，成為近年來國內(nèi)通信防護(hù)研究的重點(diǎn)。下面將對目前這方面比較突出的一些工程技術(shù)問題，如專用配電變壓器的保護(hù)、第一級電涌保護(hù)器的特點(diǎn)及選擇、供電設(shè)備防雷要求等進(jìn)行簡要論述。
1 專用配電變壓器的保護(hù)
部分移動基站設(shè)有專用的配電變壓器。為了防止高電位引入，根據(jù)通信行業(yè)規(guī)范的要求，配電變壓器不宜與通信設(shè)備安裝在同一建筑物內(nèi)。若要安裝在同一建筑物內(nèi)，則要求配電變壓器的高壓引入導(dǎo)線應(yīng)是金屬鎧裝電纜，并且需要埋地引入，其埋地長度應(yīng)不小于200m，鎧裝層的兩端應(yīng)就近接地。另外，規(guī)范還對在高壓電線終端桿和鎧裝電纜轉(zhuǎn)接處的防雷措施做出了具體規(guī)定。
從實際情況看，由于管理體制的問題，移動基站的電力高壓線難以滿足鎧裝電纜轉(zhuǎn)接和200 m埋地引入的要求，一般都是架空到移動基站，專用配電變壓器也主要采取戶外露天柱上安裝方式。這時，基站配電變壓器的防雷與接地保護(hù)需特別注意以下3點(diǎn)(如圖1所示)。
a) 在高壓側(cè)安裝氧化鋅避雷器的同時，在低壓側(cè)也應(yīng)按規(guī)定安裝符合要求的氧化鋅避雷器；
b) 高、低壓側(cè)避雷器的接地端子，低壓側(cè)中性點(diǎn)，以及配電變壓器外殼必須就近短接后再集中接至地網(wǎng)，一定不能將高、低壓側(cè)避雷器直接接至地網(wǎng)；
c) 高壓側(cè)避雷器應(yīng)安裝在跌落式熔斷器的負(fù)荷側(cè)。
2 低壓交流供電線路的敷設(shè)
按規(guī)范要求，低壓電力線應(yīng)埋地引入，并且埋地長度應(yīng)不小于15m，在高土壤電阻率地區(qū)還要適當(dāng)增加，有效長度可取為2(ρ為基站土壤電阻率)。
當(dāng)?shù)蛪弘娏€埋地確有困難，需要架空引入基站時，應(yīng)同時在低壓電力線入戶處安裝更高沖擊通流容量的基站電源第一級電涌保護(hù)器，對于處在中雷區(qū)以上的基站應(yīng)不小于100kA。
航空障礙燈、彩燈等設(shè)備的電源線，應(yīng)采用有金屬外皮的電纜，橫向布設(shè)時金屬外皮每隔5～10 m接地一次，上下走向時金屬外皮至少應(yīng)在兩端就近接地。
3 兩類第一級電涌保護(hù)器
電涌保護(hù)器(SPD)是通過抑制瞬態(tài)過電壓以及旁路電涌電流來保護(hù)設(shè)備的一種裝置，須包含至少一個非線性元件。SPD常被分為限壓型SPD、電壓開關(guān)型SPD和組合型SPD三大類。
SPD的動作特性有兩種，一種被稱作限壓型，其特征是：在無電涌時呈高阻態(tài)，但隨著電涌的增大，其阻抗不斷降低。具有限壓特性的SPD包括：
a) 完全由限壓型元器件，如壓敏電阻(MOV)、瞬變抑制管(TVS)等構(gòu)成的限壓型SPD；
b) 具有限壓特性的組合型SPD。
SPD動作特性的另外一種是電壓開關(guān)型，其特征是：在無電涌時呈高阻態(tài)，但對電涌響應(yīng)時，其阻抗突變?yōu)榈妥柚怠＞哂须妷洪_關(guān)特性的SPD包括：
a) 完全由電壓開關(guān)型元器件，如雷擊電涌保護(hù)器、雷擊電流放電器、氣體放電管(GDT)、晶閘管(TSS)、火花間隙等構(gòu)成的電壓開關(guān)型SPD；
b) 具有電壓開關(guān)特性的組合型SPD。
在移動基站供電系統(tǒng)中，常用的SPD是限壓型的壓敏電阻，開關(guān)型的火花間隙、雷擊電涌保護(hù)器(或雷擊電流放電器，下同)也有少量使用。近年來圍繞SPD的選用問題，主要是在壓敏電阻和雷擊電涌保護(hù)器的選取問題上一直存在爭議。其實，壓敏電阻和雷擊電涌保護(hù)器在性能、功能和適用環(huán)境等方面都各有特點(diǎn)。
雷擊電涌保護(hù)器的突出優(yōu)點(diǎn)是沖擊通流容量大。由于導(dǎo)通后端壓降主要是電弧壓降，通常在200 V以內(nèi)，故可以承受長波沖擊，如幅值較高的10/350μｓ沖擊電流波形試驗。但是，雷擊電涌保護(hù)器也存在一些固有缺陷：
a) 存在續(xù)流遮斷問題，雖然不少廠家宣稱進(jìn)行了改進(jìn)，但實際應(yīng)用表明還是比較容易失火，這也是雷擊電涌保護(hù)器本身特點(diǎn)所決定的；
b) 動作時di/dt及du/dt值都很大，這對半導(dǎo)體元器件的影響特別明顯；
c) 無法劣化指示；
d) 無法實現(xiàn)損壞告警、故障遙信功能。目前可以實現(xiàn)的僅限于通過LED來指示其輔助電路的工作狀態(tài)，并不反映雷擊電涌保護(hù)器本身的劣化、損壞情況。
雷擊電涌保護(hù)器的續(xù)流問題限制了它在相線間及相線對中線間的應(yīng)用。嚴(yán)格來講，雷擊電涌保護(hù)器只有接在運(yùn)行質(zhì)量穩(wěn)定可靠的TT供電系統(tǒng)的中線對地線間才是本質(zhì)安全的，這一點(diǎn)在通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T1235.1－2002和YD/T 1235.2－2002中均有明確規(guī)定。此外，雷擊電涌保護(hù)器目前還無法實現(xiàn)損壞告警、故障遙信功能，這使得它在幾乎全部是無人值守的移動基站中得不到有效應(yīng)用。
與電壓開關(guān)特性SPD不同的是，壓敏電阻的伏安特性是連續(xù)和遞增的，因此，它不存在續(xù)流遮斷問題，其di/dt及du/dt值也小得多。此外基于壓敏電阻的SPD一般都可以實現(xiàn)劣化指示和故障遙信告警功能。壓敏電阻的美中不足是其泄流本領(lǐng)相對較弱，但是通過采用并聯(lián)、均流技術(shù)也可使其沖擊通流容量達(dá)到100 kA以上的水平，從而可以完全滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和通信局(站)實際情況的需要。
4 第一級電涌保護(hù)器的選擇
4.1 沖擊通流容量的確定
在安全可靠的前提下，為了做到經(jīng)濟(jì)合理，可根據(jù)基站地理環(huán)境將電源第一級電涌保護(hù)器劃分為高山型(室外型基站劃入該類)、郊區(qū)型和城市型三類，并對每類提出不同的防雷指標(biāo)要求(見表1)。
4.2 其他技術(shù)要求
a) 最大持續(xù)運(yùn)行電壓Uc，應(yīng)符合表2的規(guī)定，以避免因供電不穩(wěn)而導(dǎo)致電涌保護(hù)器頻繁損壞。
b) 電壓保護(hù)水平UP(在表1中Iｎ時)，應(yīng)符合表3的規(guī)定。
c) 保護(hù)模式與電路拓?fù)洌阂苿踊镜墓╇娤到y(tǒng)在無專用配電變壓器時通常是TT型式，在有專用配電變壓器時應(yīng)按圖1所示形成TN－S型式，因此，對三相基站電源第一級電涌保護(hù)器應(yīng)優(yōu)先采用如圖2所示的“3＋1”電路拓?fù)?，具?/span>L－N－PE保護(hù)模式，以確保安全、適用。單相基站電源第一級電涌保護(hù)器應(yīng)采用如圖3所示的對稱電路拓?fù)洌邆?/span>L－N、L－PE和N－PE保護(hù)模式，不受交流供電混線的影響。
d) 分離裝置：第一級電涌保護(hù)器在故障或失效時，應(yīng)有與電源系統(tǒng)永久斷開的過溫脫離機(jī)構(gòu)和過流保護(hù)裝置，以防止失火。
e) 告警功能：第一級電涌保護(hù)器工作正?；蚬收蠒r，應(yīng)有能正確表示其狀態(tài)的標(biāo)志或指示燈，基站一級防雷箱應(yīng)具備遠(yuǎn)程集中監(jiān)測或集中告警的接口。
4.3 檢測與認(rèn)證
按規(guī)范要求，應(yīng)提供經(jīng)信息產(chǎn)業(yè)部認(rèn)可的檢驗部門出具的檢驗合格報告。
5 對供電設(shè)備的要求
5.1 交流電源端口的保護(hù)
a) 通流容量(波形)：應(yīng)不低于20kA×10次及40kA×1次。該指標(biāo)是對設(shè)備整體的要求，而不應(yīng)僅是對設(shè)備內(nèi)置的SPD的要求。離開設(shè)備談SPD是舍本求末的做法，沒有實際意義。
b) 最大持續(xù)工作電壓：應(yīng)能使通信能源設(shè)備的TOV耐受特性滿足IEC 61643－1和UL 1449的要求，除在供電質(zhì)量較好的城市內(nèi)可以取為275 V外，在其他地區(qū)均應(yīng)取到320 V乃至更高。當(dāng)然，最大持續(xù)工作電壓的取值增大后，SPD的電壓保護(hù)水平一般也將隨之升高，對這一問題，需要設(shè)備商依據(jù)系統(tǒng)防護(hù)原則進(jìn)行分析解決。
c) 設(shè)備內(nèi)置的SPD應(yīng)具備損壞告警功能，提供遙信告警接口，并可模塊替換，方便就地維護(hù)。同時應(yīng)具備可靠的過溫和過流保護(hù)裝置，以防止失火。嚴(yán)禁直接使用壓敏電阻或?qū)ζ溥M(jìn)行簡單組合。
d) 設(shè)備內(nèi)置的SPD應(yīng)有安全、有效和可靠的附加保護(hù)措施，如安裝專用的斷路器(空氣開關(guān))或熔斷器，對其額定電流、分?jǐn)嗵匦院蛣幼魈匦缘葢?yīng)有嚴(yán)格要求，對熔斷器或斷路器的材料質(zhì)量也應(yīng)有嚴(yán)格檢驗。
5.2 直流電源端口的保護(hù)
因現(xiàn)行電信設(shè)備入網(wǎng)規(guī)定對此沒有明確要求，直流電源端口的保護(hù)問題常被不少設(shè)備廠家忽略。但是，直流側(cè)雷擊事故時有發(fā)生，并且因目前普遍采用集中供電方式，其后果往往是災(zāi)難性的，極易造成通信癱瘓。
對直流電源端口的保護(hù)要求主要有：
a) 通流容量( 波形)：設(shè)備整體應(yīng)不低于5kA×10次及10kA×1次。
b) 最大持續(xù)工作電壓：一般應(yīng)不低于75V。
c) 應(yīng)具備損壞告警功能，提供遙信告警接口。
d) 設(shè)備內(nèi)置的SPD應(yīng)有安全、有效和可靠的失效保護(hù)措施。
6 結(jié)論
移動基站供電系統(tǒng)的防雷是一項系統(tǒng)工程，需依據(jù)電磁兼容原理、所處地區(qū)的供電類別以及地理環(huán)境特征進(jìn)行各項指標(biāo)分析，實施分區(qū)分級保護(hù)，對配電變壓器、供電線路、第一級SPD以及電源設(shè)備等均應(yīng)有明確要求。筆者認(rèn)為，移動基站的防雷應(yīng)該分為三個步驟來進(jìn)行：首先，把好配電變壓器以及低壓供電線路防雷這一關(guān)；其次，把好進(jìn)戶低壓配電箱防雷這一關(guān)；最后，要求設(shè)備供應(yīng)商做好輸入端以及直流部分的防雷。只有將每一步工作落到實處，才能將雷電對通信設(shè)備的損害降到最低。
參 考 文 獻(xiàn)
1 YD/T5098－2001.通信局(站)雷電過電壓保護(hù)工程設(shè)計規(guī)范. 北京郵電大學(xué)出版社，2001
2 YD/T1235.1－2002.通信局(站)低壓配電系統(tǒng)用電涌保護(hù)器技術(shù)要求. 北京：人民郵電出版社，2003
3 YD/T1235.2－2002.通信局(站)低壓配電系統(tǒng)用電涌保護(hù)器測試方法. 北京：人民郵電出版社，2003
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