劉昆 杜春伶 王元 葉盈群 杜雨洺 董志誠 蔣如斌

（1 成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院，成都 610225；2 西藏大學(xué)工學(xué)院，拉薩 850013；3 中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029）

0 引言

近年來，我國快速發(fā)展的經(jīng)濟、技術(shù)，在很大程度上也加快了通信基站（尤其是4G，5G基站）的發(fā)展速度。但由于大多數(shù)通信基站往往處于區(qū)域制高點，使其更易遭受雷電襲擊。這使得無線通信設(shè)備，傳輸線和通信電纜易遭受嚴重威脅，甚至損壞。因此做好對通信基站電力電子設(shè)備的雷電防護工作，是十分必要的。

依據(jù)國際電工委員會（IEC）等國際及國內(nèi)相關(guān)行業(yè)標準，當前已針對通信基站電力電子設(shè)備有了諸如避雷針、接地網(wǎng)、浪涌保護器（SPD）等設(shè)計非常成熟，應(yīng)用也非常普遍的雷電防護器件和設(shè)備。針對目前各領(lǐng)域都廣泛應(yīng)用的SPD，Vernon Cooray指出，瞬態(tài)高壓SPD的防護是通過串聯(lián)較大阻抗、并聯(lián)較小阻抗、或者既串聯(lián)較大阻抗又并聯(lián)較小阻抗三種方法實現(xiàn)對相關(guān)設(shè)備的高電壓防護。因為雷電流分布的隨機性，在設(shè)計SPD時，以上方法存在人為設(shè)置防護參數(shù)“窗口”的限制，以及各種客觀因素導(dǎo)致SPD防護等級間的失配等問題，使得SPD防護效果受到嚴重限制。這些都是當前雷電防護領(lǐng)域亟待研究和解決的關(guān)鍵問題。

針對上述問題，本文基于雷電發(fā)生發(fā)展物理過程中的一些重要特征，力求探索出一種全新的防雷設(shè)計和方法，以期對上述關(guān)鍵問題的解決提供一種有益的思路和參考。

基于目前對閃電發(fā)生發(fā)展過程的普遍認知，通過監(jiān)測在電力電子設(shè)備附近避雷針（器）上是否出現(xiàn)由于上行先導(dǎo)的始發(fā)和發(fā)展而產(chǎn)生與之相應(yīng)的連續(xù)脈沖電流，來判斷電力電子設(shè)備是否可能遭受閃電襲擊。從而在上行和下行先導(dǎo)連接，產(chǎn)生回擊浪涌電流之前，使相關(guān)雷電防護裝置提前完成保護動作。由于該防護過程的設(shè)計所參考的指標為上行先導(dǎo)的電流脈沖特征，而非浪涌電流在相關(guān)線路中的特征，因此可以大幅度降低本防御系統(tǒng)的防護效果與相關(guān)回擊浪涌電流特征參數(shù)之間的聯(lián)系，從而在很大程度上解決上述所提到的問題，達到更好的防雷保護效果。

1 云地閃發(fā)生發(fā)展的物理過程

通常造成電力電子設(shè)備致?lián)p的都是云地閃，云地閃分為下行負地閃、下行正地閃、上行負地閃和上行正地閃四種類型。通常情況下云對地放電過程都是將云內(nèi)負電荷輸送到地面的負極性放電（即下行負地閃，如圖1所示），正地閃過程相對較少出現(xiàn)。同時對于低于100 m的這類地面物體通常忽略上行閃電，認為只遭受下行閃電的襲擊。因此，本文以下行負地閃為例對本防御系統(tǒng)的工作原理進行闡述。

圖1 下行負地閃示意圖Fig.1 Schematic diagram of downward steeped leader

根據(jù)Bazelyan等研究表明，產(chǎn)生于云內(nèi)體分布電荷的下行閃電以梯級先導(dǎo)的梯級發(fā)展形式由云內(nèi)向地面?zhèn)鞑?。隨著梯級先導(dǎo)到達地面，地面電場也隨之穩(wěn)定增大，位于該背景電場中的地物尖端電場，由于電場的增強而數(shù)次達到由梯級先導(dǎo)產(chǎn)生的背景電場強度幅值的數(shù)十倍。當?shù)匚锛舛穗妶鲞_到約3.0×10V/m的臨界值時，其尖端將開始出現(xiàn)電子雪崩。隨著背景電場的增大，尖端的本地電場也隨之增大，導(dǎo)致電子雪崩頭部的帶電粒子數(shù)增加。當粒子數(shù)達到約10時，電子雪崩將轉(zhuǎn)化為流光放電。如果流光里的電荷量超過約1 μC時，流光通道將會被加熱，從而導(dǎo)致先導(dǎo)的產(chǎn)生，這個過程稱之為流光到先導(dǎo)的轉(zhuǎn)變。這種由梯級先導(dǎo)形成的活躍電場激發(fā)而形成的先導(dǎo)，稱之為連接先導(dǎo)，在產(chǎn)生該先導(dǎo)的地物上（如：避雷針）產(chǎn)生的與之相對應(yīng)的電流即為本防雷系統(tǒng)設(shè)計中所采用的重要參數(shù)。一旦上述過程開始，連接先導(dǎo)便開始趨向下行梯級先導(dǎo)發(fā)展。連接先導(dǎo)的發(fā)展取決于尖端上產(chǎn)生的流光，而每個流光產(chǎn)生的相關(guān)聯(lián)電荷依賴于背景電場和連接先導(dǎo)通道的電位梯度。對于正先導(dǎo)而言，該值大約等于40～60 μC/m。無論是下行梯級先導(dǎo)還是上行連接先導(dǎo)，其發(fā)展都依賴于流光爆發(fā)產(chǎn)生足夠多的電荷加熱部分先導(dǎo)。當正先導(dǎo)與負先導(dǎo)接近時，兩個先導(dǎo)頭部之間的平均電位梯度持續(xù)增大，當其達到500 kV/m，最后連接所需條件都滿足時，則最后連接也即刻發(fā)生，這一條件稱為最后一跳的條件。一旦連接完成，梯級先導(dǎo)中電荷的快速中和導(dǎo)致回擊過程的產(chǎn)生和巨大感應(yīng)電流的沖擊，而該回擊及其后續(xù)回擊過程產(chǎn)生的電流或在附近線路等上感應(yīng)的電流沖擊，即是雷電防護系統(tǒng)所防范的對象。

2 防雷天線（LPA）及系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.1 防雷天線（LPA）

根據(jù)Liu等的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，天線的極化方式直接決定了閃電與天線之間的能量耦合效率。也就是說，如果能在閃電襲擊地面基站時，將基站天線的極化方式切換為閃電與天線能量耦合效率最低的極化方式，則可以很好的保護天線后端相關(guān)通信設(shè)備及接口。

由于微帶天線是當前通信基站常用的一種天線形式，本文基于微帶天線結(jié)合上述原理提出一種極化可重構(gòu)天線的設(shè)計方案，如圖2所示。天線由基板、平衡-不平衡變換器結(jié)構(gòu)、一對相互正交的貼片和6個PIN二極管組成。其中Lv=70 mm，Wv=14.5 mm，Lh=68mm，Wh=14 mm，H=100 mm。通過控制二極管的狀態(tài)來實現(xiàn)天線的三種不同極化方式的切換。極化可重構(gòu)天線的工作模式如表1所示。當二極管D5和D6導(dǎo)通且D1和D2，D3和D4截止時，天線處于水平極化（即處于保護狀態(tài)），并且接收/發(fā)送水平極化電磁波。當二極管D3和D4、D5和D6導(dǎo)通，并且D1和D2截止時，天線處于45°極化狀態(tài)工作。當二極管D1和D2、D5和D6導(dǎo)通，而D3和D4截止時，天線工作在-45°極化狀態(tài)。

圖2 極化可重構(gòu)天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of polarization reconfigurable antennas

表1 極化可重構(gòu)天線的工作模式Table 1 Work patterns of polarization reconfigurable antennas

極化可重構(gòu)天線工作在45°極化和-45°極化方式下的S11參數(shù)和方向圖如圖3a～3d所示。當天線工作在45°和-45°極化時，S11＜-13.8 dB（VSWR＜1.5）的工作頻帶分別為882～1005 MHz和883～1006 MHz。由此可見，極化可重構(gòu)天線工作在上述兩種極化方式時，它完全覆蓋了中國GSM的移動上行頻段（890～909 MHz）和下行頻段（935～954 MHz），能夠達到通信行業(yè)的標準要求。如圖3e、3f所示，正常工作電壓峰值為40.15 V，保護狀態(tài)工作電壓為7.53 V，僅為正常工作狀態(tài)的18.75%。

圖3 極化可重構(gòu)天線三種工作狀態(tài)Fig.3 Work status of polarization reconfigurable antennas

當防雷天線處于正常工作狀態(tài)時，發(fā)送和接收±45°極化電磁波。當其接收到預(yù)警信號時，則切換到水平極化狀態(tài)，使得襲擊鐵塔避雷針的閃電電磁能量難以耦合入天線中，從而實現(xiàn)保護后端通信設(shè)備及接口的目的。

2.2 SAMADL 系統(tǒng)架構(gòu)及防護工作原理

如圖4a所示，該防雷系統(tǒng)包括電流傳感器，信號處理和預(yù)警模塊（MSPW），防雷天線（LPA），接地棒和受控SPD（CSPD）。CSPD安裝在AC輸入端，電流傳感器安裝在通信塔頂部的避雷針等容易遭受雷擊的金屬物體上，電流傳感器的信號輸出連接到MSPW的信號輸入。來自MSPW的預(yù)警信號輸出連接到LPA和CSPD的控制信號輸入端。另外，預(yù)警信號也可以通過無線通信發(fā)送。

該防雷系統(tǒng)的工作模式如圖4b所示，當安裝于通信塔頂部避雷針處的電流傳感器獲取了如圖4b中的紅色框區(qū)域所示的連續(xù)3個電流脈沖時，則MSPW發(fā)出閃電襲擊預(yù)警信號給LPA和CSPD，可供LPA和CSPD切換至保護狀態(tài)的時間為從接收到MSPW發(fā)出閃電襲擊預(yù)警信號至首次回擊（如圖4b所示）出現(xiàn)之前。圖4b中黃色框區(qū)域為閃電首次和繼后回擊持續(xù)時間，該時間段內(nèi)，LPA和CSPD均維持保護狀態(tài)：在保護狀態(tài)過程中CSPD將切斷被保護工作設(shè)備與外界市電的連接（對被保護設(shè)備形成“孤島”式的保護），此時由備用電源（UPS）為被保護工作設(shè)備供電；LPA切換為水平極化狀態(tài)（保護狀態(tài)）進行接收和發(fā)射通信信號。在保護狀態(tài)結(jié)束后，即閃電過程結(jié)束后，LPA和CSPD切換回正常工作狀態(tài)，恢復(fù)外界市電供電和正常通信狀態(tài)。

圖4 應(yīng)用于典型通信塔的防雷設(shè)計（a）和工作模式（b）Fig.4 The schematic diagram of lightening protection for typical communication tower (a) and its work patterns (b)

綜上所述，該系統(tǒng)的整個工作過程主要包括以下三個基本步驟：MSPW不間斷采集電流傳感器的信號，該傳感器用于監(jiān)測上行先導(dǎo)產(chǎn)生的連續(xù)脈沖電流信號；當捕捉到了上行先導(dǎo)產(chǎn)生的連續(xù)脈沖電流信號，立即向CSPD和LPA發(fā)送預(yù)警信號；CSPD和LPA在接收到MSPW發(fā)送的預(yù)警信號后，在閃電首次回擊發(fā)生前切換至保護狀態(tài)。

如圖5所示，根據(jù)文獻相關(guān)觀測數(shù)據(jù)，該電流傳感器裝置的工作帶寬范圍設(shè)置為0～1 MHz，測量范圍為0～2 kA?？梢愿鶕?jù)當?shù)貙嶋H情況調(diào)整參數(shù)。信號處理及預(yù)警模塊，模塊接收上行先導(dǎo)產(chǎn)生的電流脈沖信號，按如下方式處理傳感器采集的電流脈沖信號：判定脈沖電流的持續(xù)時間是否在1～40 μs；確定脈沖間隔是否在10～200 μs ；脈沖是否連續(xù)出現(xiàn)至少3次。當滿足上述條件時，向防護器件（CSPD和LPA）發(fā)出預(yù)警信號，在60 μs內(nèi)完成動作以進行保護，并在1～2 s 后重置或撤防。CSPD和LPA在收到預(yù)警信號時將由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ｗo狀態(tài)。由于閃電總持續(xù)時間通常小于1 s，因此保護器件可在1～2 s后恢復(fù)。有必要注意的是，對于下行負閃只有當滿足電流脈沖條件時，保護器才處于保護狀態(tài)。如果脈沖參數(shù)或數(shù)量等判斷條件不滿足，則可能是由于近地面大氣電場的持續(xù)增強或云內(nèi)放電產(chǎn)生的場脈沖，以及由此導(dǎo)致的避雷針尖端放電造成的。需要注意的是，CSPD的基本功能主要由動作時間在微秒量級甚至更短的開關(guān)組成，由MSPW模塊控制。LPA的基本功能是在接收到預(yù)警信號后，在微秒量級甚至更短的時間內(nèi)改變天線極化狀態(tài)，并在1～2 s 后復(fù)位。

圖5 工作原理流程圖Fig.5 Flow diagram of operation principles

由此可見，通信塔附近任何配有不間斷電源（UPS）的電力電子設(shè)備都可以安裝本系統(tǒng)的防護裝置，可以通過接收附近MSPW所發(fā)出的預(yù)警信號而受到保護。需要強調(diào)的是，這種保護方法僅適用于配備UPS的電力電子設(shè)備（即當外部電源停止時，它仍然可以保持 1～2 s 的運行時間）。

綜上所述，該雷電防護方法從分析閃電發(fā)生發(fā)展特征的角度出發(fā)，設(shè)計整個防雷系統(tǒng)，從而大幅度降低了該系統(tǒng)與回擊脈沖參數(shù)之間的關(guān)系，因此其防御性能將更為可靠。該方法還可用于可接收到上述MSPW發(fā)送的預(yù)警信號的附近（距離的遠近取決于本地上行先導(dǎo)的相關(guān)特征）高層建筑內(nèi)的其他設(shè)備，只要該設(shè)備具備UPS，以及安裝有CSPD或LPA即可。

3 試驗驗證

本系統(tǒng)的野外試驗在中國科學(xué)院大氣物理研究所的山東雷電與強對流天氣災(zāi)害觀測實驗站開展，該實驗站位于山東省濱州市境內(nèi)的沾化區(qū)久山村，自2005年其持續(xù)開展試驗至今。

如圖6所示，本系統(tǒng)的野外試驗測試在山東雷電與強對流天氣災(zāi)害觀測實驗站的引雷點開展，左圖綠色框為引雷點在地圖上的位置，右圖黃色框內(nèi)的法拉第籠內(nèi)安裝了羅氏線圈（即圖4a所示電流傳感器），MSPW和CSPD等器件位于紅色框所示的金屬屏蔽箱內(nèi)。

圖6 野外試驗Fig.6 Field test scene

圖7和圖8是一次基于人工引雷試驗數(shù)據(jù)對該系統(tǒng)的試驗驗證結(jié)果。人工引雷信號為MSPW的輸入信號，CH2（圖7中藍色線所示）為實際的閃電在上行先導(dǎo)發(fā)展過程中在閃電通道基底處產(chǎn)生的電流脈沖信號，如圖中紅色框所示。CH1為MSPW的預(yù)警信號輸出端數(shù)據(jù)，可以看到，MSPW發(fā)出預(yù)警信號的端口已為高電平，即已發(fā)出預(yù)警信息，如圖7中黃色線所示。圖8為MSPW中觸發(fā)預(yù)警信號后，鎖存的數(shù)據(jù)，對應(yīng)于圖7紅色框內(nèi)的部分。由此可見，通過人工引雷試驗數(shù)據(jù)的驗證，本系統(tǒng)是可以較為準確的捕捉上行先導(dǎo)的信號，及時的向系統(tǒng)防護部分發(fā)出預(yù)警信息。

圖7 硬件板信號接收端的波形和脈沖信號Fig.7 The wave and pulse signals from hardware board receiver

圖8 MSPW中鎖存的數(shù)據(jù)Fig.8 Data stored in MSPW

此外，由圖9可見，6個脈沖為上行先導(dǎo)脈沖模擬信號，方框內(nèi)為受控防護開關(guān)動作波形，其動作時間為29.3 μs，由此可見，在閃電回擊之前即可完成防護動作。

圖9 受控防護開關(guān)試驗室測試波形Fig.9 Waveform testing in controlled surge proctection device laboratory

4 結(jié)論

基于本文以上關(guān)于“通信基站電力電子設(shè)備雷電自主監(jiān)測和主動防御系統(tǒng)”的工作原理及相關(guān)試驗驗證的闡述，由此可見，該系統(tǒng)可以有效地捕捉上行先導(dǎo)發(fā)展過程中所產(chǎn)生電流脈沖信息，及時地發(fā)出預(yù)警信號，而這一過程很好地規(guī)避了當前雷電防護系統(tǒng)設(shè)計過程中，由雷電回擊浪涌電流各種參數(shù)“窗口”導(dǎo)致的防護局限性；同時本文對于天饋線防雷也提出了一種極化重構(gòu)天線的防護設(shè)計，由本課題組已發(fā)表的相關(guān)文獻可見，可以有效抑制閃電與通信天線的耦合效應(yīng)。由此可見，本文所提出的防雷方法及開發(fā)防御系統(tǒng)，可以為通信基站及其附近其他符合防護要求的電力電子設(shè)備的防雷提供另一種非常有益的防雷思路和設(shè)計。