移动基站共址架空输电塔专用防雷系统研究

邵明驰

(国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京 210019)

0 引 言

移动基站是移动公司为完成用户间信息传递和交换的媒介。近年来，随着5G网络的提出，移动基站的建设成为移动公司未来几年主要业务之一。然而，移动基站建设首要面临的问题就是选址困难，不仅费用高昂、周期长，还要面对与周围居民的协调问题，建站阻力较大[1]。移动基站与架空输电塔共址解决了建站选址困难的问题，节省了建站成本，但是同时也共享了架空输电塔面临的问题，即易遭受雷击。虽然，架空输电塔上一般都会安装防雷系统，但是这些防雷系统由于并不是针对移动基站设计的，因此并不能帮助移动基站很好地防止雷电的破坏[2]。针对上述情况，本文根据架空输电塔防雷设计经验，设计一种专门用于移动基站与架空输电塔共址专用的防雷系统，使得在架空输电塔的同时，能够起到保护移动基站的作用。

1 移动基站共址架空输电塔专用防雷系统设计

架空输电塔离地较高，形成了突出形态，因此一旦遭遇雷雨天气，受到雷击的风险将大大提高。安装在架空输电塔上的防雷击系统由于不是针对移动基站设计，因此并不能很好地保护移动基站，而再安装一个专门保护移动基站的防雷系统不仅成本高，更重要的是会加重架空输电塔负担，有可能影响正常输电[3]。针对上述情况，设计一个移动基站与架空输电塔共址情况下的专用防雷系统必不可少，既能保护架空输电塔，又能保护移动基站。

1.1 系统框架设计

采用B/S架构的模式来设计本文移动基站共址架空输电塔专用防雷系统的框架。B/S架构容易开发，跨平台性好，容易维护，且能很好地搭载各种设备和合理布置[4]。基于B/S架构本文系统框架主要分为三层：前端雷电环境监测层、管理控制中心层和防雷方案执行层。具体如图1所示。

由图1可知，移动基站共址架空输电塔专用防雷系统包括前端雷电环境监测层、管理控制中心层和防雷方案执行层。前端雷电环境监测层是雷电防护的基础层，具有两种作用：第一是监测雷电产生和强度变化情况，给出灾害预报；第二是给后期雷电故障排查提供指导和建议[5]。

图1 移动基站共址架空输电塔专用防雷系统框架

管理控制中心层：通过核心控制处理器与元件相连，具有中央控制的作用；触发回路与防雷间隙结构相连，起到系统协调控制与保护的作用。

防雷方案执行层：执行管理控制中心层命令，控制防雷设备工作，具体包括内部防雷设备和外部防雷设备两种类型，实现移动基站与架空输电塔的全面保护[6]。

1.2 触发回路

本文所设计的触发电路主要包括触发源选择、触发比较和预触发等。先采用FPGA中RAM资源定制了一个2K字节的FIFO作为采集数据的暂存区，然后通过防雷间隙结构实现触发电路的多种功能。建立的共用接地装置的触发回路如图2所示。

图2 共用接地装置的触发回路

1.3 共用接地装置

本文研究的核心是设计一个综合防雷系统，既要保护架空输电塔，又要保护移动基站。系统的现场防雷设备大致分为两类：一是外部防雷设备；二是内部防雷设备。外部防雷设备为安装在外部环境中的防雷设备，主要包括接闪器、避雷针和避雷线等；内部防雷设备为安装在设备内部的防雷设备，在这里主要是指移动基站与架空输电塔相关设备的防雷间隙结构，一般与触发回路连接，起到防雷和屏蔽的作用[7]。这两部分相互独立、相互渗透又相互配合，起着重要的作用。为更好地实现对移动基站与架空输电塔的保护以及节省安装成本，本文设计一种共用接地装置，即无论是外部防雷设备，还是移动基站与架空输电塔内部的内部防雷设备，都通过该装置将雷电导入大地，分散雷电带来的破坏力。共用接地装置连接如图3所示。

图3 共用接地装置连接示意图

接地装置是本文所设计的防雷系统当中非常重要的一个元件。为更好地适应一对多的情况，本文在传统接地装置研究的基础上进行改造，设计一种铜链钢棒接地装置。该装置导电性能更强，使用寿命更长。

1.4 电压抑制算法

本文选用并联间隙方法对雷击过电压进行抑制，当防雷间隙结构中的并联间隙长度为绝缘子串长度的70%～80%，可以对绝缘子串进行保护，避免受到灼烧。

针对移动基站与架空输电塔输电线路一般采用三片悬式绝缘子，设置并联间隙长度为0.40 m，计算绝缘子的伏秒特性。

(1)

式中:UFO为雷击过电压；t为灼烧时间；l为绝缘子串长度。根据绝缘子的伏秒特性，在正负极性标准雷电波的作用下，计算闪络电压。

(2)

(3)

(4)

式中:P为雷电流I超过的概率。

根据获取到的雷电流超出概率，系统会发出预警，共用接地装置的触发回路会对雷电流进行疏导，有效地抑制雷击过电压，避免线路跳闸。

2 系统功能测试

2.1 测试环境

Keil uVision2集成开发环境是一个基于 Windows的开发平台，包含高效的编辑器、项目管理器和MAKE工具。Keil uVision2支持所有的KEIL8051工具，包括C编译器、宏汇编器连接/定位器、目标代码和HEX的转换器，在 Keil uVision2 开发环境中完成系统测试。线路选择年累暴日100天的多雷地区——天津静海。如图4所示。

图4 防雷间隙安装线路

2.2 测试条件

为了更加真实地验证本文移动基站共址架空输电塔专用防雷系统性能，在遭受雷电天气较多的天津静海一处移动基站共址架空输电塔上安装本系统，并进行了防雷工程的改造。

通过测试环境设置线路的耐雷水平为74 kA，绝缘子冲击耐受压为500 kV。移动基站共址架空输电塔数据如表1所示。

表1 移动基站共址架空输电塔数据

2.3 性能测试

系统性能测试结果如表2所示。

表2 系统性能测试结果

从表2可以看出:在使用本文移动基站共址架空输电塔专用防雷系统之前，实测接地电阻为6.75 Ω，不能满足接地电阻要求值(0.54 Ω)；而在使用本文移动基站共址架空输电塔专用防雷系统后，接地电阻都由6.75 Ω降到了0.54 Ω以下。由此证明本系统具有很好的防雷作用。

2.4 跳闸次数

将历年(2015年—2018年)的线路避雷器防电次数和2019年应用本文设计的移动基站共址架空输电塔专用防雷系统的线路避雷器防电次数进行对比，结果如图5所示。

图5 2015—2019年跳闸次数对比

由图5可知:2019年1月—12月份线路遭受多次雷击，除了4月份出现过一次变电站开关跳闸，均未引起线路跳闸；而因雷击引起线路跳闸2015年一共达到11次、2016年达到20次、2017年达到25次、2018年达到23次。从运行情况看，本文设计系统取得了很好的实际效果，有效减少了线路的雷击跳闸率。

2.5 瞬时电压

为了进一步验证本文系统的有效性，对应用系统前的瞬时电压和应用系统后的瞬时电压进行比较，结果如图6所示。

图6 瞬时电压

由图6可知，应用系统前的瞬时电压上下浮动较大，而应用系统后的瞬时电压呈平稳状态，且比应用系统前的瞬时电压低。这是因为雷击杆塔时，避雷线可以完全屏蔽导线，不受直击雷通道电荷的电场影响，起到屏蔽的作用，提高了耐雷水平。

3 结束语

本文设计一种移动基站共址架空输电塔专用防雷系统。经测试，系统功能和性能均满足了设计要求，且有效减少了线路雷击跳闸率，提高了耐雷水平，具有可用性。由于是初步研究，系统还需要进行改进，如升级系统，扩大系统数据库容量以及扩大试点范围等，使得系统应用更加广泛。