分布式基站遠(yuǎn)端射頻單元直流電源雷電浪涌防護(hù)

（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(shí)代通信基站的建站數(shù)量和密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于3G時(shí)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(diǎn)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(jī)房，極易造成機(jī)房?jī)?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(jī)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(duì)此方面的研究相對(duì)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(yàn)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(duì)RRU電源線上電流幅值的影響，計(jì)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(gè)典型的分布式基站塔放式RRU安裝場(chǎng)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(jī)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(zhǎng)，因此防護(hù)重點(diǎn)放在電源線路。電源線與鐵塔首末兩端均通過安裝SPD實(shí)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(shí)間常數(shù)和波尾時(shí)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(shí)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(jì)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(jì)算鐵塔電感時(shí)將其視作帶狀體鋼材[15]，長(zhǎng)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(jì)算[16]：

式中：ρw為電纜電阻率；l為電纜線長(zhǎng)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(duì)介電常數(shù)4.55，相對(duì)磁導(dǎo)率為1。

電纜與鐵塔間的互感通過下式計(jì)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(shí)采用SPD標(biāo)稱工作電壓48 V，最大持續(xù)運(yùn)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(shí)，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(duì)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(huì)對(duì)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(huì)對(duì)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(shí)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(shí)，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(shí)，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?yàn)殡娎|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(shí)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(fèi)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(huì)影響其遭受雷擊的概率[20]外，還會(huì)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(duì)流經(jīng)電纜電流波形和幅值的影響。

圖5 鐵塔高度對(duì)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(duì)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(shí)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(duì)流經(jīng)電纜電流的影響。

圖6 雷電流波形對(duì)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(shí)間越短，流經(jīng)電纜的電流幅值越大，波形持續(xù)時(shí)間越短。這主要是因?yàn)槔纂娏鞑^時(shí)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(duì)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(duì)電纜承受能量的比值影響相對(duì)很小，但對(duì)SPD承受能量的比值影響很大。波頭時(shí)間固定情況下，雷電流波尾時(shí)間越長(zhǎng)，SPD承受能量的比值越?。徊ㄎ矔r(shí)間固定情況下，雷電流波頭時(shí)間越短，SPD承受能量的比值越大。

4 結(jié)語(yǔ)

利用EMTP軟件搭建仿真電路模型，分析不同SPD保護(hù)模式對(duì)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(shí)，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(shí)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(shí)間也越長(zhǎng)。

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

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

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