通信基站供电系统雷电波侵入的仿真研究

王语园，徐志伟,2

（1.陕西铁路工程职业技术学院，渭南 714000；2.西安交通大学，西安 710049）

0 引言

铁路通信基站供电系统防雷接地设施合理设置是保证基站可靠工作的基础。文献[1～3]指出通信基站供电系统的雷电危害主要来自雷电波侵入。文献[4～8]研究了雷电波的特性及对绝缘材料的影响。文献[2]建立了避雷器、电缆等设备模型，但都没有详细分析各种因素对通信基站供电系统熔断器和变压器的影响。本文针对雷电波侵入时，仿真分析线路的波阻抗、电缆的长度、变压器入口电容变化对熔断器电流和变压器过电压的影响，并提出相应的保护措施。

1 雷电波入侵仿真模型

某铁路通信基站供电系统选用干式变压器，容量20kVA，线路侧安装负荷开关，通过电缆与箱式变电站相连，负荷开关靠线路侧装设氧化锌避雷器。穿墙套管与变压器之间安装熔断器，变压器二次侧一条电缆给线路负荷开关提供电源，一条电缆给通信机械室提供电源。通信机械室安装避雷装置。由此可以绘出接线原理图如图1所示。计算时采用单相模拟，等值电路如图2所示。

当雷电波遇到从通信基站引出的电缆时，就会沿电缆导体向通信基站传播，从而形成雷电波入侵[7,8]。仿真模型如图3所示，图中避雷器表示为MOA，电缆线路表示为LCC，线路波阻抗表示为Z，电缆左右两侧接地电阻表示为R1、R2，变压器入口电容为C，雷电侵入波为L-imp。

图1 变压器接线图

图2 等值计算图

图3 仿真模型

2 仿真计算

2.1 改变波阻抗大小的仿真结果

波阻抗的大小是随着环境的变化而改变的，采用不同的架空线也会使得波阻抗不同。表1为改变波阻抗的仿真计算结果。图4、图5是波阻抗为100Ω和800Ω时，流过熔断器的电流波形和变压器过电压的波形。

表1 改变波阻抗的计算结果

图4 波阻抗100Ω时的电压、电流波形

分析表1可知，波阻抗逐渐增大时，雷电侵入波流过熔断器的电流和变压器过电压逐渐减小，这是由于雷电波的反射被架空线波阻抗阻挡，减小了危害。实际中的架空线波阻抗在400Ω左右，通过熔断器的电流在18.68A左右，已经超出了熔断器的额定通断电流，会对熔断器造成损害；而变压器的最大允许电压为180kV，由结果可以看出没有超过变压器的最大允许电压，不会对变压器造成危害。

图5 波阻抗800Ω时的电压、电流波形

2.2 改变电缆长度的计算结果

电缆进入通信基站时，不同的电缆长度对雷电波的屏蔽作用不同。取长度不同的电缆进行仿真实验，所得数据如表2所示。图6、图7是电缆长度为200m和1200m时，流过熔断器的电流波形和变压器过电压波形。

表2 改变电缆长度的计算结果

图6 电缆200m时的电压、电流波形

图7 电缆1200m时的电压、电流波形

可以看出，变压器上的过电压没有超过变压器的最大允许电压，而通过熔断器的电流超过了熔断器的最大允许电流，这种情况必然会对变压器和熔断器造成损害。

2.3 改变变压器入口电容的仿真结果

变压器入口电容在每个基站不一定相同，这是由于不同的通信基站，可能采用不同的变压器。表3为改变变压器入口电容的计算结果。图8、图9是入口电容为100pF和1000pF时，流过熔断器的电流、变压器过电压的波形。

表3 改变变压器入口电容的计算结果

图8 入口电容100pF时的电压、电流波形

图9 入口电容1000pF时的电压、电流波形

根据仿真数据可知，变压器入口电容逐渐增大，变压器上的过电压变化不大，熔断器上流过的电流大大增加。主要原因是随着变压器入口电容的增大，等效的阻抗也就逐渐减小，因此就会导致变压器上的过电压减小，而通过熔断器的电流逐渐增大，这这些情况下都会对熔断器造成危害。由此可见，变压器的选择对熔断器的选择也具有一定的影响。

2.4 电缆末端加避雷器的计算结果

从上面的仿真结果可以看出，当雷电波入侵时会对熔断器有危害，为了保护变压器和熔断器，必须要采取一定的措施。电缆末端安装有避雷器和未安装避雷器的对比分析如表4所示。图10为电缆末端加装避雷器后的电压和电流波形。

表4 是否装有避雷器的对比

可以看出，电缆末端安装避雷器之后，变压器上的最大过电压有了明显的减小，通过熔断器的电流也有了很大幅度的衰减。因此加装避雷器之后起到了保护作用。

图10 装有避雷器时的电压、电流波形

3 结论

1）线路波阻抗逐渐增大时，熔断器流过的电流和变压器过电压都有所减小。在实际的情况中，一般不会变压器造成损害，但是大大超出了熔断器的最大允许电流，会对熔断器造成严重的危害。

2）在相同的雷电波侵入的条件下，随着电缆长度的增加，电缆末端的电压必然会增大。

3）随着变压器入口电容的增大，通过熔断器的电流有了明显的增加，对熔断器的危害就更为严重，因此必须采取一定的保护措施。

4）在电缆末端加装避雷器之后，变压器上的过电压和通过熔断器的电流都有了明显的减小。因此，在电缆末端加装一个避雷器不失为一种有效地防止雷电波侵入的保护方式。

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