移動通信基站配電設備防雷

武 寧

陽江市氣象局，廣東陽江 529500

0 引言

隨著現代移動通信行業的發展，移動通信基站很容易遭受直擊雷、靜電感應以及雷電電磁脈沖的破壞而導致設備故障和損壞。對于地處位置空曠，相對高度較高的郊區基站和高山基站來說，由于需要長距離高壓架空線獨立供電，通信基站供電設備更容易遭受雷擊。通過廣東某市移動通信基站雷擊故障統計（表1），可以看出：由于現代通信基站內部已經做了較為完善的雷電防護措施，雷擊供電設備（尤其是變壓器和高壓計量器）引起的故障，是導致損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

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

以廣東省陽江市為例。年平均雷暴日為92天。根據IEC62305-2部分所提供的公式來計算：年平均雷擊概率Ng=0.1TD=92×0.1=9.2次/km2·a。依照通常的移動基站設計，假設某郊區移動基站發射塔高H=50m，供電采用10kV架空線引入長度為L=2000m。則：移動基站發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。

發射塔的年預計雷擊次數NDt=Ng×Cd×Adt×10-6=6.50次/年

架空線路的年預計雷擊次數NDl=Ng×Cd×Adl×10-6=6.62 次 /年

由此可見2km長距離的配電傳輸線的雷擊概率已經于50m高的通信桿塔的雷擊概率相當。

2 通信基站高壓配電設備的雷擊損害

移動通信基站高壓配電設備易遭雷擊損壞的主要是10kV變壓器和高壓計量器。10kV變壓器通常采用y/y0-12型接法，高壓計量器主要是電壓電流互感器構成的電量計量器。10kV配電系統的絕緣耐壓通常是75kV，而雷電造成的過電流大部分是低于20kA的。因此很多人認為對于高壓配電線路來說只有占雷電比例較少的強雷電才會導致配電系統故障。然而實際上由于配電系統的結構復雜性，較低強度的雷電流雖然不能直接擊穿配電系統的絕緣保護，卻能造成配電系統故障甚至燒毀配電設備。

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侵入，當高壓側的避雷器動作時，雷電流通過接地線導入大地，并在接地電阻上產生一個高電壓，造成接地線電位抬高，由于低壓側的中性線是接地的，因此高電壓回加在低壓線圈上并形成回路產生過電流，并通過電磁感應使高壓側出現一個過電壓。

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。一般高壓側避雷器接地引下線到變壓器外殼的長度為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，對主絕緣產生威脅。

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，變壓器高壓側中性點不接地，不過為了取得高壓計量器內電壓互感器的對地絕緣狀況信號， 互感器的中性點是接地的。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，二者并聯后相當于一個等值電容C'。當線路遭受雷擊時，雷電流沿線路侵入配電系統，加在線圈上的電壓增加，使通過線圈的電流增大時，由于鐵芯電感線圈是一個非線性電感原件，L的電感值卻由于鐵芯飽和而不斷下降。當電壓增大到一定數值后，XL＜XC1。這時，線圈電感與線路電容并聯相當于一個等效電感L'，它與電源中性點對地電容Cn（圖2中虛線部份）組成串聯諧振回路。諧振會產生很高的過電壓和過電流，擊穿絕緣薄弱部位。長時間的諧振還會使線圈過熱導致互感器燒毀。

3 防范措施

3.1 架空電力線路防直擊雷措施

為高山移動通信基站架設的電力架空線應當在其上方架設避雷線，其長度不宜小于500m。電力線應處于避雷線的25°角保護范圍內，避雷線（除終端桿處）應每桿作接地一次。通過避雷線的保護，架空電力線避免遭受幾百萬伏甚至幾千萬伏直擊雷電壓擊中，大大降低變壓器以及高壓計量器損壞的概率。

3.2 防感應雷措施

1）為高山移動通信基站架設的專用變壓器，應當在高壓側進行埋地處理。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，無法進行埋地處理則應當在架空高壓電力線路終端桿，終端前第一、第二或第二、第四桿上各增設一組氧化鋅避雷器，同時在第三或第四桿增設一組高大保險絲；

2）在變壓器高低壓側分別加裝避雷器。高壓側應當換裝更大通流量的氧化鋅避雷器，低壓側則應當加裝殘壓更低的SPD；

3）采用中性點全絕緣的互感器做計量器，或者使用V型接法的互感器，避免諧振的產生。若必須采用中性點接地的互感器，則可以在二次側開口處并聯消諧器來降低產生諧振的幾率。