移动通信基站配电设备防雷

武 宁

阳江市气象局，广东阳江 529500

0 引言

随着现代移动通信行业的发展，移动通信基站很容易遭受直击雷、静电感应以及雷电电磁脉冲的破坏而导致设备故障和损坏。对于地处位置空旷，相对高度较高的郊区基站和高山基站来说，由于需要长距离高压架空线独立供电，通信基站供电设备更容易遭受雷击。通过广东某市移动通信基站雷击故障统计（表1），可以看出：由于现代通信基站内部已经做了较为完善的雷电防护措施，雷击供电设备（尤其是变压器和高压计量器）引起的故障，是导致损坏和通信中断的主要原因。

表1

1 通信基站10KV配电线路雷击概率分析

虽然移动通信基站的线路通常并未架设在山地最高处，但是由于线路一般采用裸线架空敷设，架空距离较长，受雷电感应和电磁脉冲影响很大，其遭受雷击的概率也很大。

以广东省阳江市为例。年平均雷暴日为92天。根据IEC62305-2部分所提供的公式来计算：年平均雷击概率Ng=0.1TD=92×0.1=9.2次/km2·a。依照通常的移动基站设计，假设某郊区移动基站发射塔高H=50m，供电采用10kV架空线引入长度为L=2000m。则：移动基站发射塔的雷击截收面积为Adt=9=70650m2，10kV架空线的雷击截收面积Adl=9πH2=72 000m2。

发射塔的年预计雷击次数NDt=Ng×Cd×Adt×10-6=6.50次/年

架空线路的年预计雷击次数NDl=Ng×Cd×Adl×10-6=6.62 次 /年

由此可见2km长距离的配电传输线的雷击概率已经于50m高的通信杆塔的雷击概率相当。

2 通信基站高压配电设备的雷击损害

移动通信基站高压配电设备易遭雷击损坏的主要是10kV变压器和高压计量器。10kV变压器通常采用y/y0-12型接法，高压计量器主要是电压电流互感器构成的电量计量器。10kV配电系统的绝缘耐压通常是75kV，而雷电造成的过电流大部分是低于20kA的。因此很多人认为对于高压配电线路来说只有占雷电比例较少的强雷电才会导致配电系统故障。然而实际上由于配电系统的结构复杂性，较低强度的雷电流虽然不能直接击穿配电系统的绝缘保护，却能造成配电系统故障甚至烧毁配电设备。

2.1 10kV变压器雷击损坏原因分析

2.1.1 逆变换造成的雷击损坏

若高压线遭受雷击，雷电波沿高压线从高压侧侵入，当高压侧的避雷器动作时，雷电流通过接地线导入大地，并在接地电阻上产生一个高电压，造成接地线电位抬高，由于低压侧的中性线是接地的，因此高电压回加在低压线圈上并形成回路产生过电流，并通过电磁感应使高压侧出现一个过电压。

图1

2.1.2 接地引线电感引起的电位抬高引起的损坏

10kV线路变压器的绝缘电压大约为75kV。一般高压侧避雷器接地引下线到变压器外壳的长度为7～8m，连线电感约为9μH。如取雷电流的幅值为10kA，取波头为2.6μs，则雷电流的陡度为di/dt，引线电感的电压降达到Ldi/dt=34.6kV，它与避雷器的残压50kV叠加在一起，共同作用在变压器的主绝缘上，对主绝缘产生威胁。

2.2 高压互感器损坏原因分析

图2

通信基站10kV供电线路通常使用三相四线制式，变压器高压侧中性点不接地，不过为了取得高压计量器内电压互感器的对地绝缘状况信号， 互感器的中性点是接地的。一般采用Y型接法接电压互感器的等值电路如图2。图中Cl为线路每相的对地电容，L为电压互感器的铁芯线圈电感。正常情况下，铁芯不饱和，线圈感抗大于线路容抗，即XL＞XCl，二者并联后相当于一个等值电容C'。当线路遭受雷击时，雷电流沿线路侵入配电系统，加在线圈上的电压增加，使通过线圈的电流增大时，由于铁芯电感线圈是一个非线性电感原件，L的电感值却由于铁芯饱和而不断下降。当电压增大到一定数值后，XL＜XC1。这时，线圈电感与线路电容并联相当于一个等效电感L'，它与电源中性点对地电容Cn（图2中虚线部份）组成串联谐振回路。谐振会产生很高的过电压和过电流，击穿绝缘薄弱部位。长时间的谐振还会使线圈过热导致互感器烧毁。

3 防范措施

3.1 架空电力线路防直击雷措施

为高山移动通信基站架设的电力架空线应当在其上方架设避雷线，其长度不宜小于500m。电力线应处于避雷线的25°角保护范围内，避雷线（除终端杆处）应每杆作接地一次。通过避雷线的保护，架空电力线避免遭受几百万伏甚至几千万伏直击雷电压击中，大大降低变压器以及高压计量器损坏的概率。

3.2 防感应雷措施

1）为高山移动通信基站架设的专用变压器，应当在高压侧进行埋地处理。埋地距离不小于200m，可更换铠装线或者套金属管。若施工存在困难，无法进行埋地处理则应当在架空高压电力线路终端杆，终端前第一、第二或第二、第四杆上各增设一组氧化锌避雷器，同时在第三或第四杆增设一组高大保险丝；

2）在变压器高低压侧分别加装避雷器。高压侧应当换装更大通流量的氧化锌避雷器，低压侧则应当加装残压更低的SPD；

3）采用中性点全绝缘的互感器做计量器，或者使用V型接法的互感器，避免谐振的产生。若必须采用中性点接地的互感器，则可以在二次侧开口处并联消谐器来降低产生谐振的几率。