江蘇省通信服務(wù)有限公司維易科技服務(wù)分公司 陳黎君

1 常見(jiàn)防雷保護(hù)技術(shù)

雷擊破壞主要包括三重形式：直擊雷、二次雷（感應(yīng)雷）以及球形雷。直擊雷是帶電的云層與大地上某一點(diǎn)之間發(fā)生迅猛的放電現(xiàn)象，其發(fā)生幾率比較低，一次只能襲擊一個(gè)小范圍的目標(biāo)，但由于放電現(xiàn)象發(fā)生過(guò)程迅猛，通常損害嚴(yán)重，對(duì)室外物體會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞；二次雷是雷電在雷云之間或雷云對(duì)地的放電時(shí)，在附近的戶(hù)外傳輸信號(hào)線路、地埋電力線、設(shè)備間連接線上產(chǎn)生電磁感應(yīng)并侵入設(shè)備，使串聯(lián)在線路中間或終端的電子設(shè)備遭到損害的放電現(xiàn)象，其損害效果沒(méi)有前者大但發(fā)生幾率比較高；球形雷又稱(chēng)為球雷，一般是橙或紅色的發(fā)光球體，直徑一般約為10～20 cm，存在的時(shí)間大約為百分之幾秒至幾分鐘，一旦遇到物體或電氣設(shè)備時(shí)會(huì)產(chǎn)生燃燒或爆炸。

德國(guó)專(zhuān)家希曼斯基提出了現(xiàn)代防雷保護(hù)的三道防線：外部保護(hù)，內(nèi)部保護(hù)和過(guò)電壓保護(hù)?，F(xiàn)代防雷保護(hù)的三道防線相互配合，各盡其職。外部保護(hù)由接閃器（避雷針、避雷帶）、引下線、接地體組成，可將絕大部分雷電能量直接導(dǎo)入地下泄放，起到攔截、泄放雷擊電流；內(nèi)部保護(hù)阻塞沿電源線或數(shù)據(jù)線、信號(hào)線侵入波危害設(shè)備，主要由屏蔽、防雷器和等電位連接三部分組成；瞬間過(guò)電壓保護(hù)由均壓等電位連接、各種過(guò)電壓保護(hù)器（避雷器）等組成，其主要作用均衡系統(tǒng)電位，限制被保護(hù)設(shè)備上雷電過(guò)電壓幅值。根據(jù)IEC 1312制定的雷電電磁脈沖防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，用對(duì)電源部分和信號(hào)部分安裝電源類(lèi)SPD（電涌保護(hù)器）和通信網(wǎng)絡(luò)類(lèi)SPD進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)。SPD是保護(hù)電子設(shè)備在受雷電閃擊或者其他干擾造成浪涌過(guò)電壓危害的有效手段，是電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置[1]。電涌保護(hù)器的作用是把竄入電力線、信號(hào)傳輸線的瞬時(shí)過(guò)電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入地，使被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。

電涌保護(hù)器的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)按不同的用途有所不同[2]，但它至少應(yīng)包含一個(gè)非線性電壓限制元件。用于電涌保護(hù)器的基本元器件有：放電間隙、氣體放電管（GDT）、金屬氧化物壓敏電阻（MOV）、高分子自恢復(fù)保險(xiǎn)絲（PPTC）、半導(dǎo)體放電管（TSS）和扼流線圈等。

2 室外基站雷擊侵入的途徑

2.1 架空線（電源線/信號(hào)線）引入

室外基站的架空電力線和電話線是引入雷害的主要途徑，有70%是架空線造成。雷云對(duì)架空線和避雷帶兩側(cè)的地放電會(huì)在架空線路上產(chǎn)生過(guò)電壓，該過(guò)電壓和過(guò)電流對(duì)足可以對(duì)電源設(shè)備、電話線端口和RF（射頻）端口造成損壞。

實(shí)驗(yàn)證明，在等電位連接的情況下，基站設(shè)備受到雷擊損壞的主要原因是沒(méi)有采取適當(dāng)?shù)睦纂娺^(guò)電壓保護(hù)措施。

2.2 地電位反擊

基站一般都建立在屋頂或塔頂之上，由金屬鋼管豎桿架設(shè)天線。這是雷擊的主要目標(biāo)，雷擊豎桿時(shí)，雷電流由塔體經(jīng)其接地裝置散流大地，引起地電位升高，形成反擊損壞設(shè)備。

2.3 電位差危害

基站有幾組地電位存在，第一組地電位是連接基站的交流電源，電話線和RF傳輸線；第二組是連接基站設(shè)備外殼，天線金屬支撐豎桿接地；第三組建筑物防雷接地。雷云底部的電荷在它下方的地表面感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)相反電荷陰影，雷云沿大氣吹過(guò)時(shí)，雷云電荷與地電荷的電位差超過(guò)中間空氣的絕緣時(shí)，云對(duì)地產(chǎn)生雷擊，雷電運(yùn)動(dòng)沿基站輻射電荷強(qiáng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)基站外殼接地與電源輸入接地之間有電位差時(shí)，基站會(huì)造成損害，因此，基站應(yīng)盡可能采用單點(diǎn)接地。

3 電源防雷保護(hù)電路設(shè)計(jì)

3.1 電路原理圖設(shè)計(jì)

如圖1所示，室外基站電源防雷保護(hù)電路分成3部分：

1）AC 220V電源防雷保護(hù)部分，使用延遲保險(xiǎn)絲、壓敏電阻、氣體放電管以及速熔保險(xiǎn)絲組合組成；

2）通信線路防雷保護(hù)部分，使用氣體放電管、快恢復(fù)保險(xiǎn)絲、壓敏電阻組合組成；

3）CS（circuitsystem）間連線、Tx/Rx（發(fā)送 /接收）信號(hào)線以及GPS（全球定位系統(tǒng)）連線部分，這部分線路受雷電影響小，采用簡(jiǎn)單的壓敏電阻進(jìn)行限壓泄流。

3.2 防雷保護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)防雷規(guī)范要求，三級(jí)防雷要求電源防雷保護(hù)電路抗浪涌通流能力大于等于10 kA（8/20μs），按照衰減波模型，折合成焦耳積分值I2 t約為

延時(shí)保險(xiǎn)絲選用8A/6s的，其I2t值為599 A2s，在滿(mǎn)足三級(jí)防雷要求下，提供延時(shí)斷路保護(hù)。

交流引入是設(shè)備防雷重點(diǎn)，采用氣體放電管與壓敏電阻組成組合防雷泄流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多路保護(hù)，其中壓敏泄流電阻選用681KD14以及471KD14，保護(hù)響應(yīng)時(shí)間延時(shí)小于25ns，壓敏電阻保護(hù)電路中采用1只681KD14與4只471KD14組成了多路組合壓敏泄流電路，抗浪涌能力為6＋（6＋6）/2＝12 kA，滿(mǎn)足三級(jí)防雷10 kA的要求。壓敏電阻具有延時(shí)小的特點(diǎn)，可以很好地吸收氣體放電管啟動(dòng)前的沖擊電流。氣體放電管保護(hù)啟動(dòng)時(shí)延較長(zhǎng)（ms級(jí)），在壓敏電阻開(kāi)始啟動(dòng)保護(hù)后，當(dāng)沖擊電流繼續(xù)增大，氣體放電管開(kāi)始放電泄流，其泄流能力能達(dá)到20 kA。速熔保險(xiǎn)絲采用2A的，為設(shè)備提供普通的過(guò)載斷電保護(hù)功能。

通信信號(hào)線與電源線一般走的都是架空線路，且線路較長(zhǎng)，也是防雷保護(hù)的重點(diǎn)。這里采用了氣體放電三極管泄流、自恢復(fù)保險(xiǎn)斷流、壓敏電阻快速泄流的三級(jí)防雷方案。氣體放電三極管泄流提供高浪涌時(shí)的大能量放電，其泄流能力為每路信號(hào)線大于等于5 kA。

自恢復(fù)保險(xiǎn)絲采用高分子熱敏技術(shù)，響應(yīng)速度快，在氣體放電管啟動(dòng)前后能根據(jù)流過(guò)的電壓/電流（SF250-120的啟動(dòng)電壓為60 V）迅速提高其電阻值，阻斷浪涌電流流入下一級(jí)電路，在浪涌電流泄放后，恢復(fù)正常工作時(shí)間小于60 s。

壓敏電阻在自恢復(fù)保險(xiǎn)絲后級(jí)繼續(xù)對(duì)浪涌電流進(jìn)行泄流，這里采用的201KD07型壓敏電阻，能在340 V電壓范圍內(nèi)泄放最大不超過(guò)1.75 kA的浪涌電流。

以上三級(jí)電路結(jié)構(gòu)中，后兩級(jí)（自恢復(fù)保險(xiǎn)絲和壓敏電阻）保護(hù)響應(yīng)速度高于第一級(jí)氣體放電，因此在氣體放大管大能量放電前，后兩級(jí)電路需要對(duì)初期浪涌電流進(jìn)行阻斷和泄放，故后兩級(jí)器件參數(shù)不能選擇過(guò)低。

CS間連線、Tx/Rx信號(hào)線、GPS信號(hào)線受雷擊影響較小，這里采用一級(jí)壓敏電阻對(duì)每根信號(hào)線進(jìn)行一些低壓防范性防雷保護(hù)，壓敏電阻采用270KD07型，能在浪涌電壓不高于53 V時(shí)提供最大500 A的通流能力。

[1]周宇.淺析3G通信基站電源系統(tǒng)組成及防雷解決方案[J].大眾科技,2013,15(7):7-9.

[2]張南法.電涌保護(hù)器應(yīng)用中幾個(gè)問(wèn)題的探討 [J].低壓電器,2002(4):9-13.. ◆