移动基站供电系统防雷的主要问题

移动基站供电系统一般由配电变压器、低压交流供电线路、计量箱、交流稳压器、交流分配电箱、通信开关电源、联合接地网等组成，因其所处工作环境的特殊性，容易遭到雷电、电涌或其他过电压的损害。信息产业部邮电设计院(现中讯邮电咨询设计院)曾对全国十几个省市通信局(站)遭雷击情况进行过调查统计，发现雷击造成通信设备损坏事故的85％左右是因雷电过电压侵入移动基站供电系统而引起的。作为通信系统的“心脏”，移动基站供电系统的损坏将对其他通信设备的正常运行构成威胁，若得不到及时有效的维护，很容易引发通信中断等不可接受的二次事故。
因此，做好移动基站供电系统的雷电防护，对于遏制移动基站雷击事故具有重要意义，它也是移动运营商、设备供应商和电信设计与施工单位等多方共同关注的问题之一，成为近年来国内通信防护研究的重点。下面将对目前这方面比较突出的一些工程技术问题，如专用配电变压器的保护、第一级电涌保护器的特点及选择、供电设备防雷要求等进行简要论述。
1 专用配电变压器的保护
部分移动基站设有专用的配电变压器。为了防止高电位引入，根据通信行业规范的要求，配电变压器不宜与通信设备安装在同一建筑物内。若要安装在同一建筑物内，则要求配电变压器的高压引入导线应是金属铠装电缆，并且需要埋地引入，其埋地长度应不小于200m，铠装层的两端应就近接地。另外，规范还对在高压电线终端杆和铠装电缆转接处的防雷措施做出了具体规定。
从实际情况看，由于管理体制的问题，移动基站的电力高压线难以满足铠装电缆转接和200 m埋地引入的要求，一般都是架空到移动基站，专用配电变压器也主要采取户外露天柱上安装方式。这时，基站配电变压器的防雷与接地保护需特别注意以下3点(如图1所示)。

a) 在高压侧安装氧化锌避雷器的同时，在低压侧也应按规定安装符合要求的氧化锌避雷器；
b) 高、低压侧避雷器的接地端子，低压侧中性点，以及配电变压器外壳必须就近短接后再集中接至地网，一定不能将高、低压侧避雷器直接接至地网；
c) 高压侧避雷器应安装在跌落式熔断器的负荷侧。
2 低压交流供电线路的敷设
按规范要求，低压电力线应埋地引入，并且埋地长度应不小于15m，在高土壤电阻率地区还要适当增加，有效长度可取为2(ρ为基站土壤电阻率)。
当低压电力线埋地确有困难，需要架空引入基站时，应同时在低压电力线入户处安装更高冲击通流容量的基站电源第一级电涌保护器，对于处在中雷区以上的基站应不小于100kA。
航空障碍灯、彩灯等设备的电源线，应采用有金属外皮的电缆，横向布设时金属外皮每隔5～10 m接地一次，上下走向时金属外皮至少应在两端就近接地。
3 两类第一级电涌保护器
电涌保护器(SPD)是通过抑制瞬态过电压以及旁路电涌电流来保护设备的一种装置，须包含至少一个非线性元件。SPD常被分为限压型SPD、电压开关型SPD和组合型SPD三大类。
SPD的动作特性有两种，一种被称作限压型，其特征是：在无电涌时呈高阻态，但随着电涌的增大，其阻抗不断降低。具有限压特性的SPD包括：
a) 完全由限压型元器件，如压敏电阻(MOV)、瞬变抑制管(TVS)等构成的限压型SPD；
b) 具有限压特性的组合型SPD。
SPD动作特性的另外一种是电压开关型，其特征是：在无电涌时呈高阻态，但对电涌响应时，其阻抗突变为低阻值。具有电压开关特性的SPD包括：
a) 完全由电压开关型元器件，如雷击电涌保护器、雷击电流放电器、气体放电管(GDT)、晶闸管(TSS)、火花间隙等构成的电压开关型SPD；
b) 具有电压开关特性的组合型SPD。
在移动基站供电系统中，常用的SPD是限压型的压敏电阻，开关型的火花间隙、雷击电涌保护器(或雷击电流放电器，下同)也有少量使用。近年来围绕SPD的选用问题，主要是在压敏电阻和雷击电涌保护器的选取问题上一直存在争议。其实，压敏电阻和雷击电涌保护器在性能、功能和适用环境等方面都各有特点。
雷击电涌保护器的突出优点是冲击通流容量大。由于导通后端压降主要是电弧压降，通常在200 V以内，故可以承受长波冲击，如幅值较高的10/350μｓ冲击电流波形试验。但是，雷击电涌保护器也存在一些固有缺陷：
a) 存在续流遮断问题，虽然不少厂家宣称进行了改进，但实际应用表明还是比较容易失火，这也是雷击电涌保护器本身特点所决定的；
b) 动作时di/dt及du/dt值都很大，这对半导体元器件的影响特别明显；
c) 无法劣化指示；
d) 无法实现损坏告警、故障遥信功能。目前可以实现的仅限于通过LED来指示其辅助电路的工作状态，并不反映雷击电涌保护器本身的劣化、损坏情况。
雷击电涌保护器的续流问题限制了它在相线间及相线对中线间的应用。严格来讲，雷击电涌保护器只有接在运行质量稳定可靠的TT供电系统的中线对地线间才是本质安全的，这一点在通信行业标准YD/T1235.1－2002和YD/T 1235.2－2002中均有明确规定。此外，雷击电涌保护器目前还无法实现损坏告警、故障遥信功能，这使得它在几乎全部是无人值守的移动基站中得不到有效应用。
与电压开关特性SPD不同的是，压敏电阻的伏安特性是连续和递增的，因此，它不存在续流遮断问题，其di/dt及du/dt值也小得多。此外基于压敏电阻的SPD一般都可以实现劣化指示和故障遥信告警功能。压敏电阻的美中不足是其泄流本领相对较弱，但是通过采用并联、均流技术也可使其冲击通流容量达到100 kA以上的水平，从而可以完全满足行业标准和通信局(站)实际情况的需要。
4 第一级电涌保护器的选择
4.1 冲击通流容量的确定
在安全可靠的前提下，为了做到经济合理，可根据基站地理环境将电源第一级电涌保护器划分为高山型(室外型基站划入该类)、郊区型和城市型三类，并对每类提出不同的防雷指标要求(见表1)。



4.2 其他技术要求
a) 最大持续运行电压Uc，应符合表2的规定，以避免因供电不稳而导致电涌保护器频繁损坏。 b) 电压保护水平UP(在表1中Iｎ时)，应符合表3的规定。
c) 保护模式与电路拓扑：移动基站的供电系统在无专用配电变压器时通常是TT型式，在有专用配电变压器时应按图1所示形成TN－S型式，因此，对三相基站电源第一级电涌保护器应优先采用如图2所示的“3＋1”电路拓扑，具备L－N－PE保护模式，以确保安全、适用。单相基站电源第一级电涌保护器应采用如图3所示的对称电路拓扑，具备L－N、L－PE和N－PE保护模式，不受交流供电混线的影响。
d) 分离装置：第一级电涌保护器在故障或失效时，应有与电源系统永久断开的过温脱离机构和过流保护装置，以防止失火。
e) 告警功能：第一级电涌保护器工作正常或故障时，应有能正确表示其状态的标志或指示灯，基站一级防雷箱应具备远程集中监测或集中告警的接口。
4.3 检测与认证
按规范要求，应提供经信息产业部认可的检验部门出具的检验合格报告。


5 对供电设备的要求
5.1 交流电源端口的保护
a) 通流容量(波形)：应不低于20kA×10次及40kA×1次。该指标是对设备整体的要求，而不应仅是对设备内置的SPD的要求。离开设备谈SPD是舍本求末的做法，没有实际意义。
b) 最大持续工作电压：应能使通信能源设备的TOV耐受特性满足IEC 61643－1和UL 1449的要求，除在供电质量较好的城市内可以取为275 V外，在其他地区均应取到320 V乃至更高。当然，最大持续工作电压的取值增大后，SPD的电压保护水平一般也将随之升高，对这一问题，需要设备商依据系统防护原则进行分析解决。
c) 设备内置的SPD应具备损坏告警功能，提供遥信告警接口，并可模块替换，方便就地维护。同时应具备可靠的过温和过流保护装置，以防止失火。严禁直接使用压敏电阻或对其进行简单组合。
d) 设备内置的SPD应有安全、有效和可靠的附加保护措施，如安装专用的断路器(空气开关)或熔断器，对其额定电流、分断特性和动作特性等应有严格要求，对熔断器或断路器的材料质量也应有严格检验。
5.2 直流电源端口的保护
因现行电信设备入网规定对此没有明确要求，直流电源端口的保护问题常被不少设备厂家忽略。但是，直流侧雷击事故时有发生，并且因目前普遍采用集中供电方式，其后果往往是灾难性的，极易造成通信瘫痪。
对直流电源端口的保护要求主要有：
a) 通流容量( 波形)：设备整体应不低于5kA×10次及10kA×1次。
b) 最大持续工作电压：一般应不低于75V。
c) 应具备损坏告警功能，提供遥信告警接口。
d) 设备内置的SPD应有安全、有效和可靠的失效保护措施。
6 结论
移动基站供电系统的防雷是一项系统工程，需依据电磁兼容原理、所处地区的供电类别以及地理环境特征进行各项指标分析，实施分区分级保护，对配电变压器、供电线路、第一级SPD以及电源设备等均应有明确要求。笔者认为，移动基站的防雷应该分为三个步骤来进行：首先，把好配电变压器以及低压供电线路防雷这一关；其次，把好进户低压配电箱防雷这一关；最后，要求设备供应商做好输入端以及直流部分的防雷。只有将每一步工作落到实处，才能将雷电对通信设备的损害降到最低。