（綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院，黑龍江綏化152061）

0 引言

4G網(wǎng)絡(luò)時代通信基站的建站數(shù)量和密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于3G時代，BBU-RRU組合的基站覆蓋方式是4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主流，RRU逐步替代了微基站和室外宏基站[1-2]。塔放式RRU因其具有饋線損耗小，發(fā)射效率高等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。但是作為孤立高聳的構(gòu)筑物，通信鐵塔十分容易遭受雷擊。鐵塔遭受雷擊后，雷電流分流至RRU上塔線纜，雷電浪涌沿線纜侵入機房，極易造成機房內(nèi)BBU等設(shè)備損壞[3]。

電涌保護(hù)器是抑制雷電浪涌過電壓的有效設(shè)備，在電力與通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[4]。目前關(guān)于電力、通信系統(tǒng)電涌保護(hù)器具體配合方式[5-6]和配合機理[7]已經(jīng)十分成熟，但是塔放式RRU安裝方式不同于傳統(tǒng)基站[8]，因此也影響了塔放式RRU電涌保護(hù)器的安裝與保護(hù)方式，而對此方面的研究相對較少，相關(guān)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和建議[9-10]大多局限于經(jīng)驗性指導(dǎo)描述，缺乏具體防護(hù)措施效果的定量與定性分析。

筆者介紹幾種常見的塔放式RRU的直流電源防護(hù)模式，利用EMTP軟件[11]搭建仿真電路模型，分析不同SPD保護(hù)模式的防護(hù)效果，討論通信鐵塔高度和雷電流波形對RRU電源線上電流幅值的影響，計算不同雷電流波形下電纜與SPD承受能量占全部能量的比值，為塔放式RRU直流電源的雷電浪涌防護(hù)提供相關(guān)參考。

1 塔放式RRU保護(hù)模式

圖1給出了一個典型的分布式基站塔放式RRU安裝場景。RRU承擔(dān)基站的射頻處理部分，BBU承擔(dān)基帶處理部分，RRU安裝在鐵塔上，BBU安裝在室內(nèi)機房，二者通過光纜連接，形成分布式基站形態(tài)[1]。

圖1 塔放式RRU示意圖Fig.1 Schematic diagram of RRU mounted at the top of the tower

由于塔放式RRU的天饋線較短，電源線較長，因此防護(hù)重點放在電源線路。電源線與鐵塔首末兩端均通過安裝SPD實現(xiàn)瞬態(tài)等電位連接。RRU直流電源防護(hù)應(yīng)該具有差模防護(hù)與共模防護(hù)功能，圖2給出了幾種常見的保護(hù)模式[10]。

圖2 直流電源SPD保護(hù)模式Fig.2 SPD protection modes of DC power supply

2 仿真模型

2.1 雷電流模型

雷電流等效波形采用雙指數(shù)函數(shù)波，具體表達(dá)式如式（1）所示[12]：

式中：Im為雷電流幅值，kA；α和β分別為波頭時間常數(shù)和波尾時間常數(shù)；kc為幅值修正系數(shù)，kc=mm/（m-1）/（m-1），其中m=β/α。

2.2 鐵塔與線纜模型

分析雷擊鐵塔浪涌傳播過程時主要考慮鐵塔和線纜的自阻抗和二者之間的互感影響。

鐵塔電阻與電感通過下式計算[13-14]：

式中：ρt為鐵塔鋼材電阻率；h為鐵塔高度；A為鐵塔截面積。計算鐵塔電感時將其視作帶狀體鋼材[15]，長為l，寬為d，厚度為t，鋼材電阻率為1.72×10-8Ω.m。

直流電纜電阻與電感通過下式計算[16]：

式中：ρw為電纜電阻率；l為電纜線長度；rw為電纜線半徑。專用直流電纜標(biāo)稱截面6 mm2，電阻率1.75×10-8Ω.m，絕緣層厚度0.8 mm，相對介電常數(shù)4.55，相對磁導(dǎo)率為1。

電纜與鐵塔間的互感通過下式計算[17]：

式中：w為直流電纜中心線到鐵塔內(nèi)側(cè)距離；d為鐵塔厚度。

2.3 SPD模型

SPD采用氧化鋅壓敏電阻，電流與電壓之間的關(guān)系服從下式關(guān)系[18]：

式中：ib為陡波電流，kA；p、q是常數(shù)；q的典型值為20～30；Uref為壓敏電阻參考電壓。仿真時采用SPD標(biāo)稱工作電壓48 V，最大持續(xù)運行電壓85 V，8/20 μs，20kA雷電流沖擊下殘壓不大于300V[19]。

3 仿真結(jié)果

3.1 線間殘壓與電流

圖3給出了雷擊鐵塔塔頂時，三種保護(hù)方式下-48 V、RTN線與鐵塔之間電位差。雷電流幅值20 kA，波形8/20 μs，對應(yīng)的雷電流通道波阻抗1 000 Ω。鐵塔接地電阻4 Ω，高20 m。

圖3 線間電位差Fig.3 Potential difference between the-48 V and RTN

由圖3可以看出，a、b、c三種保護(hù)模式下，-48 V與鐵塔、RTN線與鐵塔之間電位差均得到了較好的抑制，既不會對直流電源的絕緣產(chǎn)生威脅，又能為其提供有效的浪涌過電壓防護(hù)。需要指出的是，雖然三種保護(hù)模式均提供了較好的共模防護(hù)，但-48 V與RTN線間仍然存在電位差，產(chǎn)生電壓漂移。c類保護(hù)模式的電位差最小，小于2 V，不會對設(shè)備的正常工作產(chǎn)生影響。

圖4給出了三種保護(hù)模式下流經(jīng)-48 V電纜雷電流波形。

圖4 三種保護(hù)模式下電纜線電流Fig.4 Cable currents under three protection modes

從圖4可以看出，a類保護(hù)模式與b類保護(hù)模式下流經(jīng)電纜的雷電流波形較為接近，c類保護(hù)模式下波形持續(xù)時間最短。

表1給出了不同雷擊電流幅值下，三種保護(hù)模式流經(jīng)電纜的雷電流幅值。

表1 不同雷擊電流下流經(jīng)電纜電流幅值Table 1 Amplitude of DC cable current under different lightning current

從表1可以看出，當(dāng)電流幅值較小時，三種保護(hù)模式下流經(jīng)電纜電流幅值較為接近，電流幅值繼續(xù)增大時，幅值差距逐漸拉大，a類模式最高，c類保護(hù)模式流經(jīng)電纜電流幅值最小。

不同雷擊電流幅值下，三種保護(hù)模式中絕大部分電流都經(jīng)由鐵塔泄散，這是因為電纜阻抗要遠(yuǎn)大于鐵塔等值阻抗。但隨著雷擊電流幅值的增大，電纜分得電流比例有所增加。

由于c類保護(hù)模式下電纜波形持續(xù)時間最短，電流幅值也最小，承受的雷電能量也最少，因此不考慮費用情況下，c類保護(hù)模式能夠取得最好的防護(hù)效果。

3.2 鐵塔高度影響

通信鐵塔的高度除了會影響其遭受雷擊的概率[20]外，還會改變鐵塔與電纜的分流。圖5和表2分別給出c類保護(hù)模式下鐵塔高度對流經(jīng)電纜電流波形和幅值的影響。

圖5 鐵塔高度對流經(jīng)電纜電流影響Fig.5 Cable current vs.height of the tower

從圖5和表2可以看出，鐵塔高度對流經(jīng)電纜電流存在一定影響，鐵塔高度越高，流經(jīng)電纜電流幅值越大。鐵塔高度越低，電流持續(xù)時間越短。

表2 不同鐵塔高度下流經(jīng)電纜電流幅值Table 2 Amplitude of DC cable current under different height of the tower

3.3 雷電流波形影響

圖6給出了不同雷電流波形對流經(jīng)電纜電流的影響。

圖6 雷電流波形對流經(jīng)電纜電流影響Fig.6 Influence of lightning current waveform on cable current

由圖6可以看出，雷電流波頭時間越短，流經(jīng)電纜的電流幅值越大，波形持續(xù)時間越短。這主要是因為雷電流波頭時間越短，電流高頻成分越豐富，但電纜阻抗增加不如鐵塔阻抗增加明顯。

3.4 能量分配

圖7給出了不同雷電流波形下，電纜與SPD承受的能量占全部能量的百分比。

圖7 雷電流波形對能量分配的影響Fig.7 Influence of lightning current waveform on energy distribution

由圖7可以看出，雷電流波形對電纜承受能量的比值影響相對很小，但對SPD承受能量的比值影響很大。波頭時間固定情況下，雷電流波尾時間越長，SPD承受能量的比值越?。徊ㄎ矔r間固定情況下，雷電流波頭時間越短，SPD承受能量的比值越大。

4 結(jié)語

利用EMTP軟件搭建仿真電路模型，分析不同SPD保護(hù)模式對塔放式RRU直流電源的防護(hù)效果，得到結(jié)論如下：

1）在-48 V與RTN線、-48 V與鐵塔、RTN線與鐵塔間均安裝SPD時，能夠獲得最好的防護(hù)效果，流經(jīng)電纜的電流幅值最低，電流持續(xù)時間也最短。

2）鐵塔高度越高，流經(jīng)電纜電流幅值越大，電流持續(xù)時間也越長。

3）雷電流波頭時間越短，流經(jīng)電纜電流幅值越大，但波形持續(xù)時間越短。

4）雷電流波形對電纜承受能量的比值影響很小，但對SPD承受能量的比值影響很大。

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